PLC与变频器在桥式起重机控制系统改造中的应用(1)(1).doc

中央电大毕业论文 目 录一、问题的提出 -1二、起重机的工作原理 -2三、起重机电气控制系统硬件设计 -3 3.1 PLC控制系统……………………………………………………… -4 3.2变频调速系统……………………………………………………… -8 3.3触摸屏系统……………………………………………………….. -14四、起重机电气控制系统软件设计 -15五、改造前后技术对比 -16六、结束语 -17PLC与变频器在桥式起重机控制系统设计中的应用摘要：针对100/20t桥式起重机原控制系统在启动和调速等方面存在的问题，本文采用PLC、变频器及触摸屏控制技术对其电气控制系统的硬件结构和软件进行总体优化设计实践表明，改造后的系统有效克服了起重机存在的缺陷，运行可靠，具有良好的工业应用前景关键词：可编程控制器；变频器；触摸屏；桥式起重机；优化设计随着电力电子技术、微电子技术和计算机技术的迅猛发展，PLC控制技术和变频调速技术以其可靠性高、运行平稳、控制过程软件化、功能强、灵活性大等特点，已广泛应用于电气传动领域。

本研究以桥式起重机的变频调速和以PLC为核心的控制系统设计为例，说明PLC控制系统和变频调速所具备的优越性一、 问题的提出    马钢某钢厂一100/20t桥式起重机，主要用于吊钢包、吊废钢、加料等该起重机主要采用交流绕线转子串电阻方法进行启动与调速，继电接触器控制由于载荷利用率高，工况恶劣，而且重载下频繁起动、制动、反转、变速等操作，实际使用中存在如下问题：(1)调速方式只能进行有级调速；(2)起动/制动冲击电流大，对电动机的电刷、滑环及制动器有比较大的冲击，维修率高；(3)串电阻长期发热，电能浪费大，效率低；(4)接触器控制系统可靠性差，操作复杂，故障率高等，极大影响了该厂的效益    本文针对该系统的不足，将可编程序控制器、变频器和触摸屏控制技术应用于桥式起重控制系统中，使得起重机的整体特性得到较大提高，投入运行后效果良好，运行稳定二、 起重机的工作原理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 桥式起重机广泛地应用在室内外仓库、厂房、码头和露天贮料场等处。

桥式起重机一般由起重小车、桥架运行机构、桥架金属结构组成起重小车又由起升机构、小车运行机构和小车架三部分组成 起升机构包括电动机、制动器、减速器、卷筒和滑轮组电动机通过减速器，带动卷筒转动，使钢丝绳绕上卷筒或从卷筒放下，以升降重物小车架是支托和安装起升机构和小车运行机构等部件的机架，通常为焊接结构 起重机运行机构的驱动方式可分为两大类：一类为集中驱动，即用一台电动机带动长传动轴驱动两边的主动车轮；另一类为分别驱动、即两边的主动车轮各用一台电动机驱动中、小型桥式起重机较多采用制动器、减速器和电动机组合成一体的“三合一”驱动方式，大起重量的普通桥式起重机为便于安装和调整，驱动装置常采用万向联轴器 起重机运行机构一般只用四个主动和从动车轮，如果起重量很大，常用增加车轮的办法来降低轮压当车轮超过四个时，必须采用铰接均衡车架装置，使起重机的载荷均匀地分布在各车轮上 桥架的金属结构由主梁和端梁组成，分为单主梁桥架和双梁桥架两类单主梁桥架由单根主梁和位于跨度两边的端梁组成，双梁桥架由两根主梁和端梁组成 主梁与端梁刚性连接，端梁两端装有车轮，用以支承桥架在高架上运行主梁上焊有轨道，供起重小车运行。

桥式起重机是使用最广泛、拥有量最大的一种轨道运行式起重机，其额定起重量从几吨到几百吨最基本的形式是通用吊钩桥式起重机，其他形式的桥式起重机基本上都是在通用吊钩桥式的基础上派生发展出来的 三 、起重机电气控制系统硬件设计    桥式起重机有四个机构，分别为：    （1）主起升机构：37kW（一台电机）；    （2）副起升机构：30kW（一台电机）；    （3）大车运行机构：2×7.5kW（两台电机）；    （4）小车运行机构：7.5kW（一台电机）；    改进后，起重机控制系统主要由上位机-触摸屏控制系统、下位机-可编程控制器、变频调速系统以及负荷重量测量仪等组成（控制系统结构框图如图1所示）各机构电动机都需独立运行，大车为两台电动机同时拖动，实现同步运行所以整个系统有五台电动机，四台变频器起重机必须实现的操作功能有：主起升机构升降、副起升机构升降、大车运行、小车运行；保护功能有：主副起升机构上升限位、下降限位、大车限位、小车限位，超载保护等     本系统主要由PLC和变频器来实现起重机的运行及保护等功能                       图1   起重机控制系统结构框图3.1 PLC控制系统1、PLC的基本概念可编程控制器(Programmable Controller)是计算机家族中的一员，是为工业控制应用而设计制造的。

早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller)，简称PLC，它主要用来代替继电器实现逻辑控制随着技术的发展，这种装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围，因此，今天这种装置称作可编程控制器，简称PC但是为了避免与个人计算机(Personal Computer)的简称混淆，所以将可编程控制器简称PLC,plc自1966年出现，美国，日本，德国的可编程控制器质量优良，功能强大 2、PLC的基本结构　　PLC实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同，基本构成为： 　　a、电源 　　PLC的电源在整个系统中起着十分重要的作用如果没有一个良好的、可靠的电源系统是无法正常工作的，因此PLC的制造商对电源的设计和制造也十分重视一般交流电压波动在+10%(+15%)范围内，可以不采取其它措施而将PLC直接连接到交流电网上去 　　b. 中央处理单元(CPU) 　　中央处理单元(CPU)是PLC的控制中枢它按照PLC系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。

当PLC投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O映象区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O映象区或数据寄存器内等所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行 　　为了进一步提高PLC的可靠性，近年来对大型PLC还采用双CPU构成冗余系统，或采用三CPU的表决式系统这样，即使某个CPU出现故障，整个系统仍能正常运行 　　c、存储器 　　存放系统软件的存储器称为系统程序存储器 　　存放应用软件的存储器称为用户程序存储器 　　d、输入输出接口电路 　　1、现场输入接口电路由光耦合电路和微机的输入接口电路，作用是PLC与现场控制的接口界面的输入通道 　　2、现场输出接口电路由输出数据寄存器、选通电路和中断请求电路集成，作用PLC通过现场输出接口电路向现场的执行部件输出相应的控制信号 　　e、功能模块 　　如计数、定位等功能模块 　　f、通信模块 　　如以太网、RS485、Profibus-DP通讯模块等 3、PLC的工作原理　　一. 扫描技术 　　当PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。

完成上述三个阶段称作一个扫描周期在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段 　　(一) 输入采样阶段 在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映象区中的相应得单元内输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入 　　(二) 用户程序执行阶段 　　在用户程序执行阶段，PLC总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序(梯形图)在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态；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 4、PLC内部运作方式　虽然PLC所使用之阶梯图程式中往往使用到许多继电器、计时器与计数器等名称，但PLC内部并非实体上具有这些硬件，而是以内存与程式编程方式做逻辑控制编辑，并借由输出元件连接外部机械装置做实体控制因此能大大减少控制器所需之硬件空间实际上PLC执行阶梯图程式的运作方式是逐行的先将阶梯图程式码以扫描方式读入CPU 中并最后执行控制运作在整个的扫描过程包括三大步骤，“输入状态检查”、“程式执行”、“输出状态更新”说明如下： 　　步骤一“输入状态检查”：PLC首先检查输入端元件所连接之各点开关或传感器状态（1 或0 代表开或关），并将其状态写入内存中对应之位置Xn步骤二“程式执行”：将阶梯图程式逐行取入CPU 中运算，若程式执行中需要输入接点状态，CPU直接自内存中查询取出。

输出线圈之运算结果则存入内存中对应之位置，暂不反应至输出端Yn步骤三“输出状态更新”：将步骤二中之输出状态更新至PLC输出部接点，并且重回步骤一 此三步骤称为PLC之扫描周期，而完成所需的时间称为PLC 之反应时间，PLC 输入讯号之时间若小于此反应时间，则有误读的可能性每次程式执行后与下一次程式执行前，输出与输入状态会被更新一次，因此称此种运作方式为输出输入端“程式结束再生”5、plc目前的主要品牌 ABB，松下，西。