【基于PLC的桥式起重机控制系统设计8900字（论文）】

基于PLC的桥式起重机控制系统设计TOC\o"1-3"\h\u56021绪论 页基于PLC的桥式起重机控制系统设计1绪论1.1设计背景起重机是现代工业生产和起重运输中的重要设备，在工矿企业、钢铁化工、铁路交通、港口码头以及物流周转等场所得到广泛的运用。大型物品的运输与转移都离不开起重机设备，它可以节省大量的人力。桥式起重机主要横架于仓库、车间等，这样便可以充分的利用下面的空间来进行搬运货物。桥式起重机工作环境恶劣，工作任务重，它能否正常工作直接影响到生产效率，甚至关系到人身安全问题，因此在使用时机械运行效率和安全可靠性的提高是必要的。近年来，中国在起重机研发方面投入大量人力物力，在制造工艺技术；设备维修成本；设备管理等方面不停地创新，一系列措施推动了技术不断进步。传统的桥式起重机控制系统大多使用继电器和接触器进行操控，并且采用交流绕线串电阻的方式进行机器制动和速度的调节，这样的控制系统存在很大的问题，可靠性不高，操作比较复杂，并且经常出故障，能源消耗较高，效率低。1.2国内外研究现状1.2.1国内研究现状中国起重机发展较晚，直到1949年以后才开始研发自己的起重机。在中国无数科研者的努力和几代人的付出下，国内起重机经历了从无到有、从简到精的蜕变，从以往的简单设计到现在的国际一流。经过近些年的发展，桥式起重机在我国发展迅速，在起重机高效化、协同化等方面都取得了非常好的成绩。1949年10月27日，大连起重机器厂生产出了我国第一台双梁桥式起重机，该起重机重量为5吨，跨度为22.5m，该起重机的生产成功代表着我国起重机技术步入了发展轨道。由于我国重工业水平处于起步阶段，所以当时桥式起重机生产技术还不够成熟，该起重机仅仅能够进行简单、呆板的运作，而且需要耗费大量的人力来协同作业。2019年5月6日，徐工研制的全地面起重机XCA1600在河北完成首秀，完美吊装140米风机，打破全地面起重机吊装高度世界记录。徐工XGC88000履带起重机是世界上体积最大、起重量最大的起重机。这款起重机的最大额定起重力矩有88000吨，这款起重机不但在起重量方面取得了世界之最，而且还申请成功了80多个国家专利，3项国际专利，有6项技术领先国际同行。目前来说，这款起重机能够满足一切起重需要，例如化石燃料开采，核电设备建设以及其他重工项目需求。1.2.2国外研究现状国外的起重机发展的比较早，不仅开始的时间较早，而且发展的速度也是很快。18世纪60年代至19世纪40年代，起重机在英国得到重视，在第一次工业革命后西方先进国家大力发展起重机事业。到了20世纪初，国外的计算机行业发展了起来，并且微电子技术、电子技术、机械液压技术等方面也发展了起来，这些技术和起重机结合，使起重机得到了阶段性的突破。西方国家将电力电子技术、液压技术、微电子技术、模糊控制技术、光缆技术等众多技术与机械技术结合，并且将这些技术运用到起重机械的控制和驱动系统当中，使得起重机的自动化程度和智能化程度得到大幅度提高。2010年，德国德马克公司生产了一台可用激光查找物体，并且在取物装置上装有超声波传感器引导自动抓取货物的桥式起重机，其自动防摇系统能在运行速度200m/min、加速度0.5m/s2的情况下很快使摇摆振幅减少几个毫米。1.3设计意义通过对现阶段起重机的了解，决定该毕业设计以桥式起重机为对象，对传统的桥式起重机可靠性低、操作复杂、故障率高等问题作出针对性的思考和解决。传统的起重机大多用交流绕线串电阻来实现机器的制动和速度调节，并且控制系统采用接触器和继电器组合，这种控制方式可靠性低、操作非常复杂、故障率较高。桥式起重机大多工作任务繁重、工作环境相对恶劣，传统的桥式起重机容易发生电动机以及所串电阻烧损的情况，不仅影响到正常的生产还会造成经济损失，甚至有可能对人员安全问题造成威胁。起重机的稳定性和可靠性的要求非常高，起重机重量和运行速度等技术参数越来越大，起重机自动化程度越来越高，对起重机管理和通信性能的要求越来越高。因此，有必要对桥式起重机电子控制系统的应用进行研究。由混频器组成的交流调速系统可以取代直流调速系统，这是计算机技术，特别是大规模集成电路制造技术不断发展的必然结果，符合起重机的发展趋势。适用于提高起重能力的起重机的开发，如提高工作速度、扩大速度范围、改进金属结构、提高工作效率、提高机电设备的工作效率、可靠性和使用寿命:改善驾驶员的操作条件、保证安全操作、提高自动控制程度、扩大遥控系统的应用范围，特别适用于环境恶劣的堆垛机和冶金起重机。同时也满足了起重机大型化、高效化、免维护、节能化发展的要求。向自动化、智能化、集成化和信息化方向发展。基于此，本桥式起重机的控制系统经过改造，在起动、制动以及变速等方面更加平稳，定位更加精确，而且大大减少了负载波动，提高了安全性能。系统运行过程中，开关器件实现了无触点化，具有半永久性的使用寿命；电动机起动电流大幅减小，在起动和停止时电机的热耗减少，大大的延长了电机的寿命。由于电机的运行电流小，不仅使运行耗电大幅降低，而且减少了对电网的冲击，一定程度上也保护了其他设备。现代工业朝着自动化、智能化、集成化和信息化发展，PLC技术在现代工业技术中得到了越来越普遍的应用。通过本次设计，加深了对可编程控制器的理解，强化了对可编程控制器的应用能力。在动手能力、分析问题能力以及解决问题的能力上有很大的提升，同时对当今国内工业生产现状有了更深层次的认识。2起重机硬件选型2.1控制模块选择（1）选择单片机作为控制模块，根据单片机简单的功能、可设计性等特点，可根据要求进行扩展，设计方式灵活，工作量也较小，但设计耗时较长，抗干扰能力差，维护成本高等问题。（2）选择PLC作为控制模块,其同样具有强大的功能及丰富的I/O接口,完全可以满足该设计硬件需求，对复杂信号的处理也十分出色,市场使用十分广泛，硬件及软件的设计十分方便。该控制方案相比于其他方案更加简单方便，系统控制稳定性强，程序和图纸设计简单，同时便于维护。综上所述，PLC更适用于该设计，因此选择S7-200PLC作为该设计的控制模块。具体的系统结构框图如图2-1所示。图2-1系统结构框图2.2PLC选型在对PLC进行选型的过程中，I/O点数量是非常重要的参考依据，这关系到能否完成设计要求，同时在已经满足设计要求的I/O点分配中，还需要准备一定的余量的I/O点，这些余量的点数将作为设计过程中的备用，以防止先前选好的点数出现故障妨碍生产，调用备用的点数可以减少损失。（1）PLC机型PLC的机型分类大体有两类，一类是整体型，另一类是模块型。整体型PLC的优点在于价格成本比较低，同时体积小，主要用于要求不高的工业要求中。模块型将PLC众多组成结构，分解成一个个独立的模块，主要优点在于运用灵活，便于维护，同时可以满足较高的工业控制要求，主要使用在大型生产过程中。（2）PLC输出类型PLC输出类型一般分为晶体管、继电器。晶体管响应时间快，但输出只能是直流。继电器响应时间慢，但是输出既可以交流又可以直流。该设计除了要考虑成本因素和控制功能同时也需要考虑到I/O点数量，不仅要满足设计需求，还需要准备一定数量的备用点数。因此，该系统选择的西门子PLC具体型号为CPU226CN，这款PLC本体自带24个输入、16个输出，该设计有27个输入、9个输出，还需要增加一个数字输入扩展模块才能满足系统要求，CPU226CN实物如图2-2所示。图2-2CPU226CN实物图2.3变频器选型该设计需要选用变频器，通过变频器控制电机运转的快慢，选用的是台达VFD-M系列变频器。该变频器具有如下特点：50℃环境温度，无需降容；体积小巧，业界领先；调速范围宽，控制精度高，±0.2%额定转速；低频带载能力强；保护功能完善，过流、过压、过载、过热等多重保护。大车变频器选用的规格为：VFD-M37KW，小车变频器选用的规格为：VFD-M11KW，吊钩变频器选用的规格为：VFD-M5.5KW，变频器实物如图2-3所示。图2-3变频器实物图2.4接近开关选型接近开关是一种没有触点的接近开关，它属于开关量传感器。它具有响应速度快、使用寿命长以及对环境适应能力强等优点，而且它不会被检测物磨损。该设计中大车前进减速、前进停止、后退减速、后退停止，4个位置采用接近开关；小车左移减速、左移停止、右移减速、右移停止，4个位置采用接近开关；吊钩上升减速、上升停止、下降减速、下降停止，4个位置采用接近开关，所有的接近开关B1到B12均选用欧姆龙E2E系列型号为E2E-X3D1-N的接近开关，它是一种直流电感式的接近开关，具体的规格参数见表2-1。表2-1接近开关规格参数型号电源电压(V)开关容量(mA)检测距离(mm)触点型式E2E-X3D1-NDC12~241003±10%一常开2.5指示灯选型该设计中选用了3个指示灯，自动选择指示灯HL1，运行保持指示灯HL2，报警指示灯HL3。其中报警指示灯HL3选择施耐德公司生产的型号XB2BSB4LC的指示灯，当系统发生故障时，该报警指示灯亮红色并频闪，发出蜂鸣的声音，声光报警，更容易使操作员发现系统故障进行及时处理。该系列信号灯工作电压DC24V，最大额定工作电流为270mA，声响间断≥85dB。自动选择指示灯HL1选择施耐德公司生产的型号为XB2BVM3LC白色信号灯，工作电压DC24V。运行保持指示灯HL2选择施耐德公司生产的型号为XB2BVM3LC绿色信号灯，工作电压DC24V。2.6断路器选型该设计总共选用了3个低压断路器进行电路过载、隔离、短路的保护。低压断路器的额定电流一般为线路或设备电流的1.2~2倍。该设计中低压断路器额定电路取1.2倍进行计算。用的是ABB型号为S200DC小型断路器，其中断路器QF1是对大车变频器进行过载和短路保护，变频器的额定电流为74A，因此断路器QF1选择的额定电流为100A。其中断路器QF2是对小车变频器进行过载和短路保护，变频器的额定电流为22A，因此断路器QF2选择的额定电流为32A。其中断路器QF3是对吊钩变频器进行过载和短路保护，变频器的额定电流为11A，因此断路器QF3选择的额定电流为20A。2.7开关电源选型该设计需要选用开关电源，开关电源可以将交流220V转化为直流24V，由于该设计选用的PLC的类型是直流24V供电，输入是直流24V，选用的指示灯也是直流24V供电。所以选用的开关电源品牌为明纬，具体型号为LRS-50-24，该开关电源价格优惠，体积小等特点，具体的参数见表2-2。表2-2开关电源规格参数型号输入电压(V)输出电压(V)输出电流(A)功率(W)LRS-50-24AC220DC242.5502.8中间继电器选型中间继电器主要是根据被控制电路的电压等级、所需触头的数量、种类和容量等要求来进行选择的。中间继电器线圈通电、断电时的信号作为中间继电器的输入信号，触头动作作为输出信号，当线圈通电，触点接通，线圈断电，触点断开，由触点的动作带动各个控制电路的动作。该设计中选用施耐德公司生产的RXM2LB2BD的中间继电器，它在交流和直流控制电路中均可使用，该设计选用线圈为直流24V符合要求，具体的参数见表2-3。表2-3中间继电器规格参数型号引脚数目额定工作电流(A)线圈电压RXM2LB2BD8脚5A/3ADC24V2.9EMI滤波器选型由于电子设备在工作时会产生不同程度的噪声，这样会导致频率及其不稳定，会导致输出电流不够纯净，因此选用滤波器可以将频率稳定，输出纯净的电流，确保生产排除外界干扰作为选择条件。该设计选择的是国产SJD-710-10单相滤波器，实物如图2-4所示。图2-4EMI滤波器2.10I/O分配表该设计有30个开关量输入，其中3个为备用，9个开关量输出，I/O分配表如2-4所示。表2-4输入输出I/O分配表输入地址分配输出地址分配输入地址对应外部设备输出地址对应外部设备I0.0自动选择按钮Q0.0大车向前I0.1运行保持按钮Q0.1大车向后I0.2急停按钮Q0.2小车左移I0.3前进减速接近开关Q0.3小车右移I0.4前进停止接近开关Q0.4吊钩向上I0.5后退减速接近开关Q0.5吊钩向下I0.6后退停止接近开关Q0.6自动选择指示灯I0.7左移减速接近开关Q0.7运行保持指示灯I1.0左移停止接近开关Q1.0故障指示灯I1.1右移减速接近开关AQW0大车变频器模拟量给定I1.2右移停止接近开关AQW2小车变频器模拟量给定I1.3上升减速接近开关AQW4吊钩变频器频率给定I1.4上升停止接近开关I1.5下降减速接近开关I1.6下降停止接近开关I1.7大车变频器故障信号I2.0小车变频器故障信号I2.1吊钩变频器故障信号I2.2进料光电I2.3人工挂钩确认按钮I2.4人工卸钩确认按钮I2.5备用I2.6备用I2.7备用I3.0手动大车向前I3.1手动大车向后I3.2手动小车左移I3.3手动小车右移I3.4手动吊钩向上I3.5手动吊钩向下3系统硬件设计3.1主电路设计该设计主电路分别有大车电机、小车电机、吊钩电机。线圈通电后，经过断路器QF1、QF2和QF3，然后经过变频器，当大车变频器正转前进KA1线圈得电时，大车变频器正转前进KA1常开闭合,当大车变频器反转后退KA2线圈得电时，大车变频器反转后退KA2常开闭合。当小车变频器左移KA3线圈得电时，小车变频器左移KA3常开闭合，当小车变频器右移KA4线圈得电时，小车变频器右移KA4常开闭合。当吊钩变频器向上KA5线圈得电时，吊钩变频器向上KA5常开闭合，当吊钩变频器向下KA6线圈得电时，吊钩变频器向下KA6常开闭合。主电路具体如图3-1所示。图3-1主电路图3.2控制电路设计该设计的控制电路主要由熔断器FU1、熔断器FU2，开关电源V1，噪声滤波器LB，FU1是对开关电源的输入进行过流保护，FU2是对开关电源的输出进行过流保护，开关电源V1是把AC220V交流电压转变成DC24V直流电压。具体控制电路接线图如图3-2所示。图3-2控制电路图3.3PLC接线设计CPU226类型的输入点有24个，该设计的输入端主要包含自动选择按钮、运行保持按钮以及各类传感器信号。该设计的输出点有9个，主要包含大车变频器正反转、小车变频器正反转，吊钩变频器正反转、自动选择指示灯、运行保持指示灯等。输入输出接线图如图3-3所示。图3-3PLC输入输出接线图3.4数字量输入扩展模块接线设计EM221数字量扩展模块输入点有6个，该设计的输入端主要包含手动大车向前按钮，手动大车向后按钮，手动小车左移按钮，手动小车右移按钮，手动吊钩向上按钮，手动吊钩向下按钮。具体数字量输入扩展模块接线图如图3-4所示。图3-4数字量输入扩展模块接线图3.5模拟量输出模块接线设计EM232模拟量扩展模块输出有2通道，该设计有大车变频器模拟量给定、小车变频器模拟量给定、吊钩变频器频率给定，共需要3个模拟量输出通道，所以是需要2个EM232模拟量扩展模块的。模拟量输出模块接线图如图3-5所示。图3-5模拟量输出扩展模块接线图4系统软件设计该系统设计的程序用梯形图作为编程语言，程序一共划分为主程序，初始化子程序，按钮操作子程序，自动复位子程序，自动控制子程序，输出控制子程序，报警子程序，大车变频器控制子程序，小车变频器控制子程序，吊钩变频器控制子程序。4.1控制过程（1）手动控制：系统自动选择按钮未按下，系统默认当前控制模式为手动控制。1）大车可以手动前进，手动后退。在手动前进时，开始大车变频器是以25Hz速度高速前进，当大车检测到前进减速接近开关时，大车变频器是以5Hz速度低速爬行，直到大车检测到前进停止接近开关时，大车停下。在手动后退时，开始大车变频器是以25Hz速度高速后退，当大车检测到后退减速接近开关时，大车变频器是以5Hz速度低速爬行，直到大车检测到后退停止接近开关时，大车停下。2）小车可以手动右移，手动左移。在手动右移时，开始小车变频器是以25Hz速度高速右移，当小车检测到右移减速接近开关时，小车变频器是以5Hz速度低速爬行，直到小车检测到右移停止接近开关时，小车停下。在手动左移时，开始小车变频器是以25Hz速度高速左移，当小车检测到左移减速接近开关时，小车变频器是以5Hz速度低速爬行，直到小车检测到左移停止接近开关时，小车停下。3）吊钩可以手动下降，手动上升。在手动下降时，开始吊钩变频器是以25Hz速度高速下降，当吊钩检测到下降减速接近开关时，吊钩变频器是以5Hz速度低速爬行，直到吊钩检测到下降停止接近开关时，吊钩停下。在手动上升时，开始吊钩变频器是以25Hz速度高速上升，当吊钩检测到上升减速接近开关时，吊钩变频器是以5Hz速度低速爬行，直到吊钩检测到上升停止接近开关时，吊钩停下。（2）自动控制：系统自动选择按钮按下，控制模式切换为自动控制。1）自动选择指示灯处于0.5S亮，0.5S灭的状态，代表系统正在自动复位。自动复位时，第一步吊钩上升到上升停止接近开关，第二步小车左移到左移停止接近开关，第三步大车后退到后退停止接近开关，此时系统复位完成。2）自动选择指示灯处于常亮状态，操作员可以按下运行保持按钮，运行保持指示灯状态为常亮，代表系统开始自动运行，如果此时再次按下运行保持按钮，运行保持指示灯，处于0.5S亮，0.5S灭的状态，代表自动过程处于暂停状态，如果此时再次按下运行保持按钮，运行保持指示灯状态切为常亮，代表系统继续自动运行。自动运行时，当进料光电检测到有物料，信号为1吊钩变频器是以25Hz速度高速下降，当吊钩检测到下降减速接近开关时，吊钩变频器是以5Hz速度低速爬行，直到吊钩检测到下降停止接近开关时，吊钩停下。等待人工挂钩，当人工挂钩确认按钮按下时，吊钩变频器是以25Hz速度高速上升，当吊钩检测到上升减速接近开关时，吊钩变频器是以5Hz速度低速爬行，直到吊钩检测到上升停止接近开关时，吊钩停下。小车变频器是以25Hz速度高速右移，当小车检测到右移减速接近开关时，小车变频器是以5Hz速度低速爬行，直到小车检测到右移停止接近开关时，小车停下。大车变频器是以25Hz速度高速前进，当大车检测到前进减速接近开关时，大车变频器是以5Hz速度低速爬行，直到大车检测到前进停止接近开关时，大车停下。吊钩变频器是以25Hz速度高速下降，当吊钩检测到下降减速接近开关时，吊钩变频器是以5Hz速度低速爬行，直到吊钩检测到下降停止接近开关时，吊钩停下。3）等待人工卸钩，当人工卸钩确认按钮按下时，吊钩变频器是以25Hz速度高速上升，当吊钩检测到上升减速接近开关时，吊钩变频器是以5Hz速度低速爬行，直到吊钩检测到上升停止接近开关时，吊钩停下。大车变频器是以25Hz速度高速后退，当大车检测到后退减速接近开关时，大车变频器是以5Hz速度低速爬行，直到大车检测到后退停止接近开关时，大车停下。小车变频器是以25Hz速度高速左移，当小车检测到左移减速接近开关时，小车变频器是以5Hz速度低速爬行，直到小车检测到左移停止接近开关时，小车停下。自动过程结束，等待下次进料光电检测信号为1时，自动过程再次循环运行。4.2程序设计5仿真运行调试5.1仿真调试（1）根据I/O分配表，进行PLC配置选型，选择CPU226+EM221+EM232+EM232，配置选型如图5-1所示。图5-1配置选型（2）把PLC的程序导出为awl格式，程序导出如图5-2所示。图5-2程序导出（3）在仿真软件中打开基于PLC桥式起重机控制系统设计仿真程序，程序打开如图5-3所示。图5-3程序打开（4）把导出的awl格式的文件，装载到仿真PLC中，程序装载如图5-4所示。图5-4程序装载（5）点击运行按钮，PLC上的RUN信号灯为绿灯，开启运行按钮如图5-5所示。图5-5开启运行按钮（6）点击监控按钮，可以监控程序状态，监控状态如图5-6所示。图5-6进入监控状态（7）系统急停按钮未拍下时，I0.2=1，自动选择按钮按下时，吊钩变频器是以25Hz速度高速上升，AQ4输出4.88V电压，仿真过程中吊钩上升如图5-7所示。图5-7吊钩上升（8）当吊钩检测到上升减速接近开关I1.3=1时，吊钩变频器是以5Hz速度低速爬行，AQ4输出0.98V电压，仿真过程中吊钩减速如图5-8所示。图5-8吊钩减速（9）直到吊钩检测到上升停止接近开关I1.4=1时，吊钩停下，小车变频器是以25Hz速度高速左移，AQ2输出4.88V电压，仿真过程中小车左移如图5-9所示。图5-9小车左移（10）当小车检测到左移减速接近开关I0.7=1时，小车变频器是以5Hz速度低速爬行，AQ2输出0.98V电压，仿真过程中小车减速如图5-10所示。图5-10小车减速（11）当小车检测到左移停止接近开关I1.0=1时，小车停下，大车变频器是以25Hz速度高速后退，AQ0输出4.88V电压，仿真过程中大车后退如图5-11所示。图5-11大车后退（12）当大车检测到后退减速接近开关I0.5=1时，小车停下，大车变频器是以5Hz速度低速爬行，AQ0输出0.98V电压，仿真过程中大车减速如图5-12所示。图5-12大车减速（13）当大车检测到后退停止接近开关I0.6=1时，大车停下，自动选择指示灯Q0.6常亮，仿真过程中大车停止如图5-13所示。图5-13大车停止5.2仿真总结此系统设计了自动选择按钮和运行保持按钮，自动选择按钮按下，系统自动复位，复位到系统初始位置，自动复位过程调用了S7-200高级指令，方便监控程序运行到哪一步，方便调试过程。变频器在自动复位过程中，实现了高低速度的切换，对设备惯性冲量减少是有利的，在自动控制过程也是调用S7-200高级指令，方便自动过程中监控设备运行的状态，运行保持按钮，二次按下，设备处于暂停状态，再次按下，系统再次运行，方便在实际调试过程中，检验设备的状态，方便维修等操作。6结论该毕业设计在详细分析了控制系统硬件