基于plc的5t桥式起重机的电气控制系统设计

基于plc的5t桥式起重机的电气控制系统设计内容摘要：

或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。 即，在用户程序执行过程中，只有输入点在 I/O 映象区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软设备在 I/O映象区或系统 RAM存储区内的状态和数据都有可能发生变化，而且排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用；相反，排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。 在程序执行的过程中如果使用立即 I/O 指令则可以直接存取 I/O 点。 即使用I/O指令的话，输入过程影像寄存器的值不会被更新，程序直接从 I/O模块取值，输出过程影像寄存器会被立即更新，这跟立即输入有些区别。 (三 ) 输出刷新阶段 当扫描用户程序结束后， PLC 就进入输出刷新阶段。 在此期间， CPU 按照 I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。 这时，才是 PLC 的真正输出。 电气控制技术简介 电气控制技术是以各类电动机为动力的传动装置与系统为对象，以实现生产过程自动化的控制技术。 电气控制系统是其中的主干部分，在国民经济各行业中的许多部门得到广泛应用，是实现工业生产自动化的重要技术手段。 随着科学技术的不断发展、生产工艺的不断改进，特别是计算机技术的应用，新型控制策略的出现，不断改变着电气控制技术的面貌。 在控制方法上，从手动控制发展到自动控制；在控制功能上，从简单控制发展到智能化控制；在操作上，从笨重发展到信息化处理；在控制原理上，从单一的有触头硬接线继电器逻辑控制系统发展到以微处理器或微计算机为中心的网络化自动控制系统。 现代电气控制技术综合应用了计算机技术、微电子技术、检测技术、自动控制技术、智能技术、通信技术、网络技术等先进的科学技术成果。 在工农业、交通运输业等部门，广泛使用着各式各样 的生产机械，他们大都是以电动机为动力进行拖动。 电动机是通过某种控制方式进行控制的，常见的是继电器 接触器控制的方式，又称电气控制。 电器控制电路是指将各种有触点的按钮、继电器、接触器等低压电器 ，用导线按一定的要求和方法连接起来，并能实现某种功能的电路。 它的作用是：实现对电力拖动系统的启动、调速、反转、和制动等运行性能的控制；实现对拖动系统的保护；满足生产工艺的要求；实现生产过程自动化。 其优点是电路图较直观形象，装置结构简单，价格便宜，抗干扰能力强，运行可靠，可以方便的实现简单和复杂、集中和远距离生产过程的自 动化控制。 其缺点是：采用固定接线方式时，通用性和灵活性较差；采用有触点的开关时，触点易发生故障。 尽管如此电气控制仍然是各类机械设备最基本的控制形式之一。 作为生产机械动力的电机拖动，经历了漫长的发展过程。 20 世纪初，电动机直接取代蒸汽机。 开始是成组拖动，用一台电动机通过中间机构（天轴）实现能量分配与传递，拖动多台生产机械。 这种拖动方式电气控制线路简单，但机构复杂，能量损耗大，生产灵活性也差，不适应现代化生产的需要。 20 世纪 20年代，出现了单电机拖动，即由一台电动机拖动一台生产机械。 单电机拖动相对成组拖动，机 械设备结构简单，传动效率提高，灵活性增大，这种拖动方式在一些机床中至今仍在使用。 随着生产发展及自动化程度的提高，又出现了多台电动机分别拖动各运动机构的多电机拖动方式，进一步简化了机械结构，提高了传动效率，而且使机械的各运动部分能够选择最合理的运动速度，缩短了工时，也便于分别控制。 继电器 — 接触器控制系统至今仍是许多生产机械设备广泛采用的基本电气控制形式，也是学习更先进电气控制系统的基础。 它主要由继电器、接触器、按钮、行程开关等组成，由于其控制方式是断续的，故称为断续控制系统。 它具有控制简单、方便实用、价格低 廉、易于维护、抗干扰能力强等优点。 但由于其接线方式固定，灵活性差，难以适应复杂和程序可变的控制对象的需要，且工作频率低，触点易损坏，可靠性差。 以软件手段实现各种控制功能、以微处理器为核心的可编程控制器，是 20世纪 60 年代诞生并开始发展起来的一种新型工业控制装置。 它具有通用性强、可靠性高、能适应恶劣的工业环境，指令系统简单、编程简便易学、易于掌握，体积小、维修工作少、现场连接安装方便等一系列优点，正逐步取代传统的继电器控制系统，广泛应用于冶金、采矿、建材、机械制造、石油、化工、汽车、电力、造纸、纺织、装卸、 环保等各个行业的控制中。 在自动化领域，可编程控制器与 CAD/CAM、工业机器人并称为加工业自动化的三大支柱，其应用日益广泛。 可编程控制器技术是以硬接线的继电器 — 接触器控制为基础，逐步发展为既有逻辑控制、计时、计数，又有运算、数据处理、模拟量调节、联网通信等功能的控制装置。 它可通过数字量或者模拟量的输入、输出满足各种类型机械控制的需要。 可编程控制器及有关外部设备，均按既易于与工业控制系统联成一个整体，又易于扩充其功能的原则设计。 可编程控制器已成为生产机械设备中开关量控制的主要电气控制装置。 元器件的选 择 PLC 的选用 目前 PLC 使用性能较好的有 SIEMENS 公司、日本的三菱、欧姆龙、美国的AB 公司。 根据性价比的选择，根据被控对象的 I/0 点数以及工艺要求、扫描速度、自诊断功能等方面的考虑，我们采用 SIEMENS 公司的 S7200 系列 PLC。 SIMATIC S7200 系列是西门子公司小型可编程序控制器，可以单机运行，由于它具有多种功能模块和人机界面 (HMI)可供选择，所以系统的集成非常方便，并且可以很容易地组成 PLC 网络。 同时它具有功能齐全的编程和工业控制组态软件，使得在完成控制系统的设 计时更加简单，几乎可以完成任何功能的控制任务，同时具有可靠性高，运行速度快的特点，继承了和发挥了它在大、中型 PLC 领域的技术优势，有丰富的指令集，具有强大的多种集成功能和实时特性，其性能价格比高，所以在规模不太大的领域是较为理想的控制设备。 在选择 plc 时的注意要点 (1) 根据生产工艺要求，分析被控对象的复杂程度； (2) 对 i/o 点数和 i/o 点的类型 (数字量、模拟量等 )统计； (3) 适当进行内存容量估计的基础上，确定留有适当的余量而不浪费资源的机型 (小、中、大形机器 )； (4) 结合市场情况，考察 plc 生产厂家的产品及其售后服务、技术支持、网络通信等综合情况，选定价格性能比较好的 plc 机型。 在 plc实际应用中，是以其为控制核心组成电气控制系统，实现对生产、工业过程的控制。 型时的注意事项 (1)在 plc 选型时主要是根据所需功能和容量进行选择，并考虑维护的方便性，备件的通用性，是否易于扩展，有无特殊功能要求等。 (2) plc 输入 /输出点确定： i/o 点数选择时要留出 10%～ 15%的余量。 (3) plc 储存容量：系统有模拟量信号存在或进行大量数据 处理时容量选择大一些。 (4) 储存时间、维持时间：一般储存期保持 1～ 3 年 (与使用次数有关 )。 若要长期或断电保持应选用 eeprom 储存 (不需备用电源 )，也可选外用储存卡盒。 (5) plc 的扩展：可通过增加扩展模块，扩展单元与主单元连接的方式。 扩展模块有输入单元、输出单元，输入 /输出一体单元。 扩展部分超出主单元驱动能力时应选用带电源的扩展模块或另外加电源模块给予支持。 (6) plc 的联网： plc的联网方式分为 plc 与计算机联网和 plc 之间互联网两种。 与计算机联网可通过 rs232c 接口直接连 接， rs422+rs232c。 一台计算机与多台 plc 联网，可通过采用通讯处理器，网络适配器等方式进行连接，连接介质为双绞线或光缆； plc 之间互联时可通过专用通讯电缆直接连接，通讯板卡或模块 +数据线连接等方式。 (7) 不要将交流电源线接到输入端子上，以免烧坏 plc。 (8) 充分合理利用软、硬件资源。 (9) 不参与控制循环前已经投入的指令可不接入 plc。 (10) 多重指令空闲等待一个任务时，可在 plc 外部将它们并联后再接入一个输入点。 (11) 尽量利用 plc 内部功能软件，充分调用 中间状态，使程序具有完整连贯性，易于开发。 同时也能减少硬件投入，降低成本。 (12) 条件允许的情况下最好独立每一路输出，便于控制和检查，也保护其它输出回路；当一个输出点出现故障时只会导致相应输出回路失控。 (13) 输出若为正 /反向控制的负载，不仅要从 plc 内部程序上联锁，并要在plc 外部采取措施，防止负载在两方向动作。 (14) plc 紧急停止应使用外部开关切断，以确保安全。 plc 型号的确定 本设计应用了德国西门子公司 simatic s7300系列的 plc 进行控制。 由于它有极强的通信功能，在大型网络控制系统中也能充分发挥其作用。 设计中应用的 i/o 端子数分别是：输入点数为 56个，输出点数为 39个；根据要求选用的模块如表 2所示。 力拖动方案及电机的选择 桥式起重机由交流电网供电。 由于必须经常移动，小型的（ 10t以下）常采用软电缆供电，打车在导轨上移动以及小车在大车的导轨上移动时，供电电缆随之伸展和叠卷；中大型起重机（ 20t以上）采用滑线和电刷供电，车间电源连接在 3 根主滑线上，通过电刷降电源引进起重机电气设备。 滑线通常用圆钢、角 钢、V 形钢或钢轨制成。 本次课设起重机的吨位为 5t 归为小型，所以选用软电缆供电。 起重机的工作条件十分恶劣，常工作于有粉尘、高温、高湿度的环境下，负载型属于重复短时工作制，经常处于频繁带载启动、制动、翻转状态，要承受较大的过载和机械冲击。 为提高起重机的生产效率和可能性，对电力拖动提出如下的要求： （ 1） 由于频繁启动，电动机启动电流要小，通常采用绕线式异步电动机拖动，转自回路串电阻启动。 （ 2）要具有一定的调速范围，起重机属恒转矩调速，采用恒转矩调速方法，普通起重机的调速范围为 3，要求较高时可达 5 到 10. （ 3）由于起重机为重复短时工作制，允许电动机短时过载运行。 （ 4）采用电气和电磁机器双重制动。 （ 5）应具有必要的零位、短路、过载和终端保护。 一、电机效率 国外以 4 极电机作变频电机首选极数，因此时电机有最好的功率因数和最高的工作效率，使能耗降为最低。 目前，国内用于起重机械的 4极电机有强迫通风冷却的 YZFXXX4型电机等。 二 、电机起动转矩及电机运行的功率因数 起重机运行机构的转动惯量较大，为了加速电机需有较大的起动转矩，故电机容量需由负载功率 P 厂及加速功率 Pa两部分组成。 一般情况下 ,电机容量 Pja PP为 (21) 式中 ms 一电机平均起动起动转矩倍数 起重机起升机构的负荷特点是起动时间短 (13s)，只占等速运动时间的较少比例。 转动惯量较少，占额定起升转矩的 10%20%。 其电机容量 P为 (kw) (22) 式中 一起重机额定提升负载， kg 一额定起升速度， m/s 一重力加速度， g=9. 81m/s 一机构总效率 为使电机提升 倍试验载荷，能承受电压波动的影响，其最大转矩值必须大于 2,否则必须让电机放容，从而降低电机在额定运行时的工作效率。 用辅件的选择 断路器 为避开变频器投入时直流回路电容器的充电电流峰值，为此变频器配置的断路器容量应为电机额定电流的 ～。