四川师范大学2011届毕业生毕业设计
内容摘要：
本文研讨基于可编程序控制器（PLC）和变频器的桥式起重机控制系统的改进。阐述了交流桥式起重机在实际中的应用以及PLC在改造方案中的确定，亦涉及在改造过程中设备的选型。本文以西门子S7-200系列PLC为例，讲述了PLC在交流桥式起重机改造中的的控制方案。与传统控制方案相比，采用PLC控制的桥式起重机可以简化繁重的设备，使控制更加安全可靠。从经济效益与环境效益的角度分析，本设计虽然前期投入一部分资金用于购买PLC及变频器等设备，但是长期运行后的维修成本远低于原系统，并且节能可达30%左右。设计中变频器通过PLC进行无触点控制，使设备运行更加准确，并且减轻了人员的劳动强度，提高了工作效率。
关键词：桥式起重机 变频器 PLC 控制系统
The Design of PLC-based Bridge Crane System
Abstract:
This text discussion the improved design of bridge crane control system based on PLC and frequency converter. Introduced the application of Bridge crane, the application of PLC in reconstructive transform and choosing the device. The text takes Siemens S7-200 PLC series as an example, introduced the control project of Bridge crane system. Compared with traditional control scheme，PLC-based Bridge Crane can Simplify the heavy equipment，and make control more safety and reliable. Analysis from economic benefits and environmental benefits, The maintenance cost is far below original system after long-term operation，and Saves about 30% of energy，beside a fond musts put into buying PLC and inverter and other equipment . In this design, Inverter non-contact programmable controller controls the equipment to run more accurate, as well as reduced labor strength, increased efficiency.
Key words: bridge crane; frequency converter; PLC; control system
四川师范大学2011届毕业生毕业设计
目录
前言 ................................................................ 1 1 设计要求及方案选择 ............................................... 2
1.1 系统设计要求 ............................................... 2 1.2 题目分析 ................................................... 2 1.3 系统方案选择 ............................................... 2 2 系统硬件设计 ..................................................... 4
2.1 PLC实现的主令控制器 ........................................ 4 2.2 限位器及安保电路 ........................................... 5
2.2.1 限位器 ................................................ 6 2.2.2 安保开关 .............................................. 6 2.2.3 电磁抱闸 .............................................. 6 2.3 可编程控制器 ............................................... 6
2.3.1 可编程控制器特点 ...................................... 6 2.3.2 可编程控制器选型 ...................................... 7 2.3.3 I/O端口分配 .......................................... 8 2.3.4 PLC系统接线方式 ...................................... 9 2.4 变频器 .................................................... 10
2.4.1 变频器控制方式的选择 ................................. 10 2.4.2 变频器容量的选择 ..................................... 10 2.4.3 变频器制动电阻 ....................................... 11 2.5 电动机选择 ................................................ 11 2.6 安全装置 .................................................. 12
2.6.1 栏杆 ................................................. 12 2.6.2 限位开关 ............................................. 12 2.6.3 缓冲器 ............................................... 12 2.6.4 排障板 ............................................... 12
3 系统软件设计 .................................................... 13
3.1 主程序 .................................................... 13 3.2 公用程序 .................................................. 14 3.3 大车控制程序 .............................................. 16 3.4 其他子程序设计 ............................................. 17 4 系统仿真及调试 .................................................. 18 5 设计总结 ........................................................ 19 附录 ............................................................... 20
附录1 桥式起重机PLC控制系统STL语言程序设计 .................. 20 附录2 桥式起重机PLC控制原理图 ................................ 27 附录3 桥式起重机PLC控制系统I/O口分配表 ...................... 27 参考文献 ........................................................... 28 致谢
四川师范大学2011届毕业生毕业设计
前言
桥式起重机是桥架在高架轨道上运行的一种桥架型起重机，又称天车。桥式起重机的桥架沿铺设在两侧高架上的轨道纵向运行，起重小车沿铺设在桥架上的轨道横向运行，构成一矩形的工作范围，就可以充分利用桥架下面的空间吊运物料，不受地面设备的阻碍。
传统桥式起重机采用继电器控制与串电阻调速，使用凸轮控制器控制各台电动机。而桥式起重器一般在码头、厂房内，工作环境相当恶劣，并且重载下频繁起动、制动、反转、变速等，要求有一定的调速范围。所以传统的继电器控制与串电阻调速已呈现诸多弊端，有必要采用新的控制方法对其进行改造。
随着工业自动化的发展，PLC、变频器在工厂设备改造中得到了广泛应用。PLC具有可靠性高，抗干扰能力强，适应性强，应用灵活，编程方便，易于使用，控制系统设计、安装、调试、维修方便，维修工作量少等一系列的优点。而变频器可以提供频率可调的交流电源，并且可以实现多段速度控制。因此，“PLC+变频器”的控制方式在桥式起重机的改造中十分流行。
本文着重论述如何采用PLC作为控制核心，采用变频器拖动电动机，实现传统的继电器控制桥式起重机的改造。为降低工作人员劳动强度，采用三档位的主令控制器作为操作面板。PLC作为整个控制系统的核心，它接受主令控制器发出的向前、向后、零位、调速等控制信号，限位器输入的限位信号，以及安保电路输入的保护信号，经PLC内部运算后分别发送给四台变频器。变频器接受来自PLC的控制信号，控制电动机按照操作人员的操作运行。主令控制器的开关与常用的启动、停止等按钮集中于控制舱内的操作面板上，供操作人员操作使用。
经改造的桥式起重机有以下优点：
⑴桥式起重机的启动、制动、加速、减速等过程更加平稳快速，定位更加准确，减少了负载波动，安全性大幅提高。
⑵系统运行的开关器件实现了无触点化，具有半永久性的寿命。
⑶由于电动机启动电流限制得较小，频繁启动和停止时电动机热耗减少，寿命延长。
⑷电磁制动器在低速时动作,其闸皮的磨损很小，使用寿命延长。 ⑸降低了对电网的冲击。
⑹节约能源，变频调速的启动、制动、加速、减速等过程中，电机运行电流小。以本案来讲，节能可达30%左右。
1
四川师范大学2011届毕业生毕业设计
1 设计要求及方案选择
1.1 系统设计要求
现有一台15/3t交流桥式起重机，采用起重用绕线式交流异步电动机拖动，其中横梁的移动使用2台相同的电动机，小车的移动使用一台电动机，主钩和副钩各使用一台电动机。5台电动机均采用了转子串电阻调速方式，以增加启动转矩，减少启动电流。由于工作环境恶劣，空气中的水分对电机滑环、碳刷及接触器腐蚀较大，加上任务重，操作流程复杂，冲击电流大，触头消蚀严重，碳刷冒火，电机及转子绕组所串电阻烧损、断裂故障时有发生，对生产影响较大。转子串电阻调速，机械特性软，负载变化时，转速也变化，调速效果差，所串电阻长期发热，电能浪费大，效率低。要求对其进行改造，减少电路中的冲击电流，改变调速方式，减少操作人员劳动强度，提高系统效率。 1.2 题目分析
题目中原有的交流桥式起重机系统采用接触器控制电源电路的启动、停止、限位；使用凸轮控制器控制大车、小车、副钩电动机的前进、后退、零位、加速、减速；而主钩的前进、后退、零位、加速、减速等动作使用主令控制器完成，并且各电机均设电磁抱闸装置刹车。5个电动机都使用转子串电阻调速，其中主钩电动机串有7级电阻，其余电动机串有5级电阻。
经分析，电路中凸轮控制器的触点上流过的即是电动机的工作电流，操作开关开合时容易出现冲击电流，减少了接触器触点寿命。为了延长使用寿命，触点往往做得十分笨重，不仅增加了设备体积，也给操作带来了不变；转子串电阻的调速方式使机械特性变软，所串电阻长期发热，极大地浪费了电能；每一台电动机配备一台凸轮控制器或主令控制器的方式使得操作面板上的控制开关种类繁多，容易出现误操作。
为了克服以上缺点，在改造中采用PLC代替接触器开关，使设备体积减小，操作强度也随之下降；使用桥式专用变频器代替转子串电阻调速，增加了机械特性硬度，也不存在发热问题，提高了系统效率；5台电动机共用一台主令控制器控制，减少了按钮数量，从而提高了系统可靠性。原有系统中的电磁抱闸装置，过电流保护装置，动作限位开关，横梁栏杆安全开关，舱门安全开关等安保装置均予以保留，以提高整个系统的可靠性。 1.3 系统方案选择
从以上的题目分析来看，改造后的交流桥式起重机控制系统包含如下几个部分：主令控制器、限位器、保护输入、PLC、4台变频器、5台电动机（大车电动机两台），其控制框图如下图
2
四川师范大学2011届毕业生毕业设计
图1 交流桥式起重机控制系统框图
本设计使用PLC实现主令控制器的开合表的逻辑功能，以代替原有系统中为每台电动机设置一台主令控制器或凸轮控制器的设计。为了避免主令控制器占用过多的I/O口，使用精简后的3档主令控制器。限位器与保护输入均保留传统的开关器件，并将其输入到PLC中以便处理。
本系统共有输入点25个，输出点28个，共53个I/O口。采用西门子S7-200（224）型PLC作为控制核心，该PLC集成RS-485通信接口，具有较强的通信能力；拥有7个扩展模块，可连接外部数字量扩展模块；拥有继电器输出、晶体管输出两种方式，具有较强的控制功能。本系统使用晶体管输出，寿命长，可适用于频繁开合的场合。由于S7-200（224）型PLC的本机数字量I/O为14入/10出，不能满足本系统对I/O口的要求，因此外部扩展3个EM223（8入/8出）模块。
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。平移机构惯量较大，负载变化相对小，属于阻力性负载，故大车、小车选用U/f 开环控制方式的安川CIMR-F7B4045 型变频器；起升机构惯量较小，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，故主副钩的升降机构选用安川CIMR-G7B4055型变频器，采用闭环矢量控制方式可获得稳定的工作状态和良好的机械特性。
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吨主钩、3吨副钩提升电动机各一台，这次设计总的思路是用4台变频器来控制5台电机。起重机提升和运行机构的调速比一般不大于1:20，且为断续工作制，通常接电持续在60%以上，负载多为大惯量系统。因此起重机的运行机构选用普通电机，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。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。
3
基于PLC控制的桥式起重机的设计
