基于PLC的起升机构电气控制系统分析本科毕业设计

上海海事大学本科生毕业设计(论文)题 目 ： 起升机构电气控制系统分析 二级学院（部）：物流工程学院专 业：机械设计制造及其自动化（C）班 级：00级3班姓 名：nihao 指导教师：wohao完成日期：2004年6月摘要本文分析了该起升机构的运行特点，介绍矢量控制变频调速特性。比较其它控制系统后，本起升机构采用基于PLC的变频调速控制系统控制笼式交流异步电动机。介绍了系统零部件，分析了系统的工作原理，系统由西门子S7-300系列PLC构成现场控制站，PRO-FACE触摸屏和控制面板构成操作总站，控制站与操作站及变频系统组成PROFIBUS总线型网络。系统具有可靠性高、设计灵活、维修升级方便等特点。关键词可编程序控制器（PLC）、触摸屏、变频调速、电控系统、PROFIBUS-DP现场总线AbstractIn connection with the operation characteristics of the hoist-lower mechanism and frequence control is explained. Comparing with other electric control system we adopt Yaskawa frequency conversion control system based on PLC .Analyse some main departments of this system, constitute the living control station by Siemens S7-300 series of PLC, also constitute the operate master station、website control station and operate master station by PROFACE GP touch-sensitive screen and operation panel, and together with the Yaskawa frequency converter to make up the PROFIBUS network.To analyses how to work of this system which owns the characteristics such as high dependability、flexible designation and convenient maintainance.Keywordsprogrammable logic control(PLC)； Human Machine Interface(HMI)； frequency control；electric system；PROFIBUS-DP fieldbus目录前言4 第一章 起升机构概述4一 起升机构的主要特点4二 电动机和变频调速简介5三 起升过程中电动机的工作状态7第二章 系统控制方案的拟订8一 PLC与其它控制系统的比较9二 变频调速的节能分析10第三章 系统工作原理12一 PLC的工作原理12二 变频器的工作原理15三 系统总体工作分析19第四章 系统主要部件的型号及性能21一 S7-300PLC21二 触摸屏26三 变频器28四 系统现场总线Profibus-DP30五 其它零部件31结束语32参考文献33附录34前言我校港机楼组建一个起升机构实验室，我们参与其中的组建，熟悉它的系统布线、零部件参数设置、产品选型和系统调试；分析系统方案的拟定和运行特性并且详细分析系统核心部件的工作原理和组成，便于读者了解该起升机构的电气控制系统。这些年，随着控制技术、计算机技术、通信技术、网络技术等的发展，电气传动和自动控制领域也日新月异。这为起升机构向更可靠，更节能，更简洁的方向发展提供了理论和技术支持。实践证明，在起升机构上应用各种新产品、新技术收到了很好的效果。表现突出的是可编程序控制器（PLC）、变频器和现场总线技术的广泛应用。起升机构对系统可靠性要求较高，因此其故障检测、故障处理及保护回路比较复杂，以往采用电子线路和继电器来实现故障信号的处理、显示和保护，系统庞大，内容多且易出错。所以，基于PLC变频调速和现场总线的起升机构电气控制系统是一种很理想的控制方式。第一章 起升机构概述一 起升机构的主要特点M变频器 1 起升机构的组成 如右图1所示起升机构现场信号PLC的组成， R r 控制面板触摸屏GM是电动机， R是卷筒，r是卷筒的半径，G是重物。 Profibus-DP2起升机构转矩分析 图1 起升机构简图在起升机构中主要有三种转矩，（1）电动机的转矩Tm即是由电动机产生的转矩，是主动转矩，其方向可正可负。（2）重力转矩Tg是由重物和吊钩等作用于卷筒的转矩，其大小等于重物及吊钩等的重量W与半径r的乘积，Tg的方向永远是向下的。（3）摩擦转矩T0 ，由于减速机构的传动比较大，最大可达50,因此，减速机构的摩擦转矩（包括其它损耗转矩）不可小视。摩擦转矩的方向永远与它的运动方向相反。由于起升机构的重物在空间具有位能，所以是位能负载其特点是：在重物上升时，电动机克服各种阻力（包括重物的重力、摩擦阻力等）而做功，属于阻力负载；在重物下降时，由于重物本身具有按重力加速度下降的能力（位能），因此，当重物的重力大于传动机构的摩擦阻力时，重物本身的重力（位能）是下降的动力，电动机成为了能量的接受者，故属于动力负载。但当重物的重力小于传动机构的摩擦阻力时，重物仍须由电动机拖动下降，仍属于阻力负载。3 机构自身的允许运行条件： 4起升限位示意图： （1） PLC控制系统正常 上升非常上限限位开关 （2） 驱动器运行正常 上升停止限位开关 （3） 有运行指令 上升减速限位开关 （4） 主接触器正常且已经闭合 （5） 制动器正常 下降减速限位开关 （6） 电动机冷却风扇正常且已运行 下降停止限位开关 二 电动机和变频调速简介1电动机（1）他励直流电动机拥有优越的调速性能，其定子上有磁极和励磁绕组，用于产生主磁通m，转子为电枢，由电枢铁心和电枢绕组构成，电枢绕组中的电流Ia是由外部的电流电源经电刷和换向器通入，电枢电流Ia将产生电枢磁通a，这样电枢电路（主电路）和励磁电路是互相独立的，都可以进行单独的调节，由直流电机的机械特性知，只要能平滑地调节电枢电压Ua就能平滑地调节转速，这是迄今为止公认的最好的调速方法。但是，直流电机体积和重量大，费用高。而且换向器和电刷很容易出故障，随着普通晶闸管（SCR）和电力晶体管（GTR）的问世，实现了由交流电源直接转换成电压可调的直流电源，这不但大大降低了设备的体积，重量和费用。提高了拖动系统的效率和动态特性，而且笼型异步电动机结构简单，坚固耐用，不容易出故障，工业控制首要的保证就是高可靠性，所以，即使交流异步电动机的调速特性不如直流电动机，但交流电动机还是得到了广泛的应用。（2）笼型交流异步电动机有四种调速方式：调压调速能够实现无级调速但降低电压时转矩也按电压的平方比例减小，所以调速范围不大不能用于该系统；改变级对数调速虽然结构简单，效率高，特性少且调速时所需的附加设备少。但不能用于对启动性能有较高要求的系统，它一般只有在空载或轻载下启动，所以不能用于该起升机构系统；转子电路串电阻调速只适用于绕线式异步电动机，其启动电阻可兼做调速电阻，它调速简单可靠是有级调速，这是传统的起升机构系统所采用的调速方式，但随转速降低机械特性变软，而且转子电路电阻损耗与转差率成正比，低速时损耗大，用于重复短期运转的生产机械中，由于后来出现的变频调速各方面的性能均优于此方法，即使变频调速的价格明显高于直流调速装置，但由于直流电动机自身的缺点，变频调速还是得到了广泛的应用，发展十分迅速。 2变频调速 笼型异步电动机的电磁转矩是定子磁通和转子电流相互作用产生的，转子电流不是外部通入的，而是转子转速n低于定子磁场转速n。(即所谓的异步)，使转子切割磁感线产生的，看上去就是转子“跟着”定子旋转。且旋转磁场的转速是：n。=60f/pf电流的频率 p旋转磁场的磁极对数转子的转速n只略比n。小，所以要调节n就只需要调节n。，变频调速就是调节电流频率f来调节电动机的转速的。异步电动机的转速控制如下： 开环（无速度反馈）V/F控制调速控制 转差频率控制 闭环（无或有速度反馈） 矢量控制 直接转矩控制经过上面的分析，似乎只要调节电源频率f就可以调节电机转速，但新的问题又出现了：在单纯调节频率的情况下调节行为是在输入侧进行的，但结果却是频率减小时输出功率也减小了，而输入功率却不改变，这就必然在传