基于plc控制的桥式起重机的设计word格式word格式

基于plc控制的桥式起重机的设计word格式word格式内容摘要：

S7200 系列PLC。 该系列的 PLC 属于小型可编程控制器，有很强的通信功能，在大型网络控制系统中能充分发挥作用，方便日后整个起重机系统升级。 S7200 系列 PLC 提供 5 种不同的基本单元（ CPU），其中， CPU221 型 PLC 不提供扩展功能，其数字量 I/O 为 6 入 /4 出，无法满足系统设计要求。 考虑到桥式起重机的 I/O 口较多，选择 CPU224 或 CPU226外加 EM223 模块的 PLC 均可满足四川师范大学 2020 届毕业生毕业设计 8 本系统的设计要求。 本设计选用 CPU 型号为 CPU224 的 PLC，外加 三 个 EM223（ 8入 /8 出） 数字量扩展模块 ， 这样 I/O 数量 扩展 就 为 38入 /34 出，满足系统要求。 日后若要对系统进行升级，只需增加数字量扩展模块即可。 桥式起重机 PLC 控制原理 图如图 2 所示。 其主要功能如下： 1）变频器运行、停止控制； 2）控制制动器，保证电动机停止时能够及时制动，既不提前，也不延后； 3）升降变频器控制方式切换； 4）电气闭锁保护控制； 5）升降、开闭变频器中任意一台变频器报警故障时，两台变频器均能够立即停止输出，并同时制动； 6）任何时刻断电，系统将会立即停止运行，制动器制动。 I/O 端口分配 表 2 I/O端口分配表 I/0点 用途 I/0点 用途 I/0点 用途 I/0点 用途 主回路启动 小车启动按钮 大车反转 主钩变频器 X2 主回路停止 小车停止按钮 大车变频器 X1 主钩变频器 X3 主令控制器零位 小车故障保护 大车变频器 X2 副钩电源 前限位 主钩过电流保护 大车变频器 X3 副钩正转 后限位 主钩启动按钮 小车电源 副钩反转 主令控制器向前 主钩停止按钮 小车正转 副钩变频器 X1 主令控制器向后 主钩故障保护 小车反转 副钩变频器 X2 主回路过电流保护 副钩启动按钮 小车变频器 X1 副钩变频器 X3 主令控制器加速 副钩停止按钮 小车变频器 X2 电机正接 主令控制器减速 副钩故障保护 小车变频器 X3 电机反接 急停 主电源输出 主钩过电流保护 变频器 X1 复位 急停输出 主钩电源 变频器 X2 大车启动按钮 复位输出 主钩正转 变频器 X3 大车停止按钮 大车电源 主钩反转 大车故障保护 大车正转 主钩变频 器 X1 本系统的输入口包括 主回路启停、主令控制器各位置、各电动机限位、各电动机 启停、各电动机故障输入、 过电流保护、 急停、复位等；输出口包括主电路电源、急停输出、复位输出、各电动机电源、各电动机正反转、各电动机变频器输出、过电流保护输出等。 其中主回路启停输入由按钮开关接 入 PLC，用以控制总电路的通断，当按下停止按钮时，整个系统将完全停止， PLC中保存的档位信息清零，各电动机继电接触器断开，电磁抱闸机构开通，各电动机抱闸，保证 现场工作人员的安全。 主令控制器各位置接入 PLC 的输入端口，操作人员可通过控制 屏控制电动机的正反转，加减速等操作。 各电动机限位开关保证电动机在规定的位置内移动，过电流保护输入是防止由于过电流造成的电动机过载。 各电动机启停与故障输入接在四川师范大学 2020 届毕业生毕业设计 9 PLC 的输入端口上 ，用以控制电动机的启动与停止。 急停与复位按钮是出现紧急情况时的控制按钮。 以上 为 输入端口的分配方式，下面介绍输出端口的分配方式： 主电路电源以及各电动机电源为整个电路提供电源，由于各电动机均设有独立的电源，所以各电动机可以单独控制。 当电动机紧急情况时使用急停输出、复位输出复位到初始状态，它们接在 PLC 的输出端口上，并通过继电器接到变频器上。 各电动机正反转、各电动机变频器输出、过电流保护输出是控制和保护各电动机工作的口线。 将控制桥式起重机的线路接在 PLC 的 I/O 口 上，通过软件编程就可以控制系统的工作了。 PLC 系统 接线方式 可编程控制器完成系统逻辑控制部分，含接受主令控制器送来的操作信号、对变频器的控制及系统的安全保护，是系统的核心。 现以大车为例说明 PLC 的接线及工作过程。 图 4 大车 PLC及变频器接线示意图 大车 PLC 及变频器的接线示意图如图 4所示。 图中 电 动机的启动按钮、停车按钮，主令控制器的 5 个触点，以及系统安保用 的 各种限位设备都接在 PLC 的输入口上。 输出口上接的是许多小型继电器。 它们是用来控制变频器的输出相序及频率的， 其中 K1控制变频器的正向相序端， K2 控制变频器的反向相序端，当 K1及 K2 中其一接通时， 变频器输出一定相序的电源，当二者都接通或都不接通时，变频器终止电源的输出 ， K K7 连接的是变频器的急停及复位端子。 而 K KK5所连接的 X00 X00 X003 为变频器的多段频率选择端，利用这三个端子的组合，可有七种速度可选择，具体的速度值可以通过变频器的功能码设定，本设计中只利用其中 5 档速度， X X X3 的组合关系与速度档位的关系如 表 3 所示： 四川师范大学 2020 届毕业生毕业设计 10 表 3 变频器多段频率端子状态表 速度档位 0 1 2 3 4 5 6 7 X001 0 1 0 1 0 1 0 1 X002 0 0 1 1 0 0 1 1 X003 0 0 0 0 1 1 1 1 注： 0断 ， 1通 变频器 变频器为电动机提供频率可调节的交流电源，是实现电动机速度调节的关键设备。 本系统 变频器采用日本安川 CIMRG7B、 CIMRF7B 系列起重专用变频器。 变频器控制方式的选择 由于起重机机构多为恒转矩负载，故选用带低速转矩提升功能的电压型变频器。 大车、小车是普通反抗性负载， 负载变化相对小，属于阻力性负载 ，可以配用普通型或高功能型变频器 ， 故大车、小车选用 U/f 开环控制方式的安川CIMRF7B4045 型变频器； 而主钩及副钩 负载变化大，属于位能性负载，为获得快速的动态响应，实现对转矩的快速调节，获得理想的动态性能，通常采用矢量控制方式，故 主钩 升降、 副钩升降 选用安川 CIMRG7B4055 型变频器，采用闭环矢量控制方式 以 获得稳定的工作状态和良好的机械特性。 从变频器工作频率的控制来看，可以采用变频器模拟量电压控制端加接电位器方式，这样电动机的转速是 无极 调速的。 但这样的方式与传统的操作方式相差较远，考虑到转速平滑调节对起重机来说并不重要，则可以采用变频器机外开关多段速度选择方式实现速度控制，这和选取主令控制器作为操作器件是配套的。 采用变频器后，电动机的正反转控制也变得简单的多了，不再需要使用接触器交换电源的相序，只要操作变频器的相序控制端口就可以了。 变频器容量的选择 变频器容量的选择是以电动机的额定功率为依据的。 由于绕线转子异步电动机与通用鼠笼异 步电动机相比，其绕组的阻抗较小，因此使用变频器调速时应考虑纹波电流引起的过电流跳闸情况，同样功率下的电动机，绕线转子异步电动机额定电流往往较大，所以选择时应考虑一定余量。 虽然起重机升降机构的转动惯量很小，加速时间较短，但考虑到电网电压波动的因素，以及安全劳动部门对起重机 倍额定静载荷检测要求等因素来选择起升机构电动机的变频器容量。 大车、小车运行机构属于大惯量负载，其加减时间一般不超过 20 s，变频器的短时过载能力为 150％，不同的加速时间对变频器容量的计算不同，当加速时间 2 min 时，变频器功率选择 应放大些，以此来选择大车、小车运行机构电动机的变频器容量。 四川师范大学 2020 届毕业生毕业设计 11 变频器制动电阻 起重机变频器，特别是主钩及副钩变频器，需配用制动电阻。 起重机放下重物时，由于重力作用 电动机将处于再生制动状态，拖动系统的动能要反馈到变频器直流电路中去，使直流电压不断上升，甚至达到危险的地步。 因此，必须将再生到直流电路里的能量消耗掉，使直流电压保持在允许的范围内。 制动电阻就是用于消耗这部分能量的。 电动机选择 桥式起重机的运行机构 多为恒转矩负载 ，可以使用专用的变频调速起重电机，也可以使用起重机原有的线绕转 子电动机，将转子绕组短接就可以了。 提升机构的电机选用适合频繁起动、转动惯量小、起动转矩大的变频用电机。 目前，国外以四极电机作变频电机首选极数。 电机功率为： 310VWP 式 1 式中 P—— 功率， kw； W—— 额定起重量 (最小幅度时 )＋吊钓重量＋钢丝绳重量， N； V—— 提开速度， m/s； η —— 机械效率。 用变频器驱动异步电动机时，由于变频器的换向冲击电压及开关元件瞬间的开闭而产生冲击电压 (浪涌电压 )引起 电机绝缘恶化，对电压型 PWM 变频器应尽量缩短变频器与电机间接线距离或者考虑加入阻尼回路 (滤波器 )。 电动机功率的选择，必须根据生产的需求来决定。 一般来说，起重机用电动机比一般工业生产机械所用的电动机的功率大 10%左右。 电动机的选择取决于下面两个主要条件： (1) 发热 电动机在工作时，一方面将电能转变为机械能而 做 功，另一方面由于电动机绕组本身的阻抗要消耗一部分电能转变成热能，使电动机的温度升高。 电动机由于受体积结构等的限制，内部绝缘材料的耐热能力很差，极易造成老化。 当温度超过电动机所允许的限度时，绝缘能 力被破坏，电动机将烧毁。 电动机铭牌上都规定有电动机的温升，它指的是电动机在额定负载下运行时，定子发热后的允许温升与周围环境温度之差。 (2) 过载能力 各种电动机都有一定的过载能力。 交流电动 机 的过载能力tm 是最大转矩 maxM 与额定转矩 nM 的比值，即一般起重机用的交流异步电动机的过载能力为 ～。 交流电动机的过载能力为： nMMtm max 式 2 式中， maxM 电动机允许的最大 转矩 ； nM 电动机的额定 转矩。 四川师范大学 2020 届毕业生毕业设计 12 各种电动机的过载能力可从设计手册中查得。 电动机因过载而发生温升需要有一段时间，从发热方面来说，容许有短时的过载。 但就过载能力而言，即使在很短时间内也是允许的。 所以发热和过载能力必须同时考虑。 桥式起重机的电气传动系统有大车电动机两台、小车 电 动机一台、 15 吨大钩、 3吨小钩提升电动机各一台，这次设计总的思路是用 4台变额器来 控制 5台电机。 根据分析计算后电机的基本选型见 表 4。 表 4 电动机的选择 各部分 型号 标称功率 KW 额定电流 A 额定转矩 额定转速 r/min 过载能力 转动惯量 重量 kg 小车 YZ160MR6Z 11 22 70 1465 125 大车 YZ160M26 22 1465 210 主钩 YZ80S10Z 110 200 1465 680 副钩 YZ180L6Z 30 58 1465 280 安全装置 起重小车的安全装置主要有栏杆、限位开关、撞尺缓冲器、排障板等 栏杆 桥式起重机起重小车运行的轨道中间为钢丝绳和吊钩工作的空间，考虑到维修人员在小车上工作的安全，小车架朝着这个空间的两边都。