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起重机变频调速控制系统的设计--毕业设计.doc

起重机变频调速控制系统的设计--毕业设计

每个人都有段不堪回首
2018-12-21 0人阅读 举报 0 0 0 暂无简介

简介:本文档为《起重机变频调速控制系统的设计--毕业设计doc》,可适用于领域

起重机变频调速控制系统的设计毕业设计辽宁科技大学本科生毕业设计第I页起重机变频调速控制系统的设计摘要起重机作为物料搬运系统中一种典型设备~在企业生产活动中应用广泛作用显著~因此对于提高起重机的运行效率~确保运行的安全可靠性~降低物料搬运成本是十分重要的。传统的起重机控制系统主要采用继电器接触器进行控制~采用交流绕线串电阻的方法进行启动和调速~这种控制系统存在可靠性差~操作复杂~故障率高。电能浪费大~效率低等缺点。因此对起重机控制系统进行研究具有现实意义。本文针对起重机控制系统中存在的上述问题~把可编程序控制器和变频器应用于桥式起重机控制系统上~并进行了较深入的研究。首先根据起重机的运行特点~研究了起重机的控制系统及其组成。其次实现了变频器的参数设置、电机的启动和停止及其系统故障报警。PLC系统通过采用SIEMENSS来控制起重机大车、小车的运行方向和速度换挡~吊钩的升、降方接触式控制系统的中间环节。向及速度换挡~检测各个电机故障现象。减少了传统继电减少了硬件和控制线~极大提高了系统的稳定性~可靠性。关键词:起重机,可编程控制器,变频调速辽宁科技大学本科生毕业设计第II页DesignofFrequencyControlSystemInCraneABSTRACTThecranecarriesakindoftypicalequipmentinthesuppliessystemsoithaveextensivefunctionintheactivityofproducingenterprise,soitisimportanttoimprovethecraneoperationaleficiency,guaranteethesafereliabilitytobeoperated,reducethecostofthesuppliescarryingButthetraditionalcranecontrolsystemmainlyadoptsrelayandcontactortocontrolcraneadoptthemethodsofwirewindingbunchofresistancetostartandadjustspeedofmotorthecontrolsystemhavemanydisadvantages,forexample:dependabilityisbad,itiscomplicatedtooperate,faultrateishightheelectricenergyiswastedgreatly,efficiencyislowCarryingontheresearchtotheranecontrolsystemhasrealisticmeanings,TothequestionthatexistinthecranecontrolsystemthepaperapplyprogrammablecontrollerandfrequencyconverteroncontrolsystemofbridgecranehavecarriedondeeperresearchinrelevantrespectsFirstofallcranesoperatinginaccordancewithfeaturesofthecontrolsystemofthecraneanditscomponentsConverterfollowedbyasetofparameters,startandstopthemotorandsystemfailurealarmPLCsystemthroughtheuseofSIEMENSStocontrolthecrane,theoperationofcardirectionandspeedshift,thehookup,downshiftdirectionandspeed,alltheelectricalfaultisdetectedReducethetraditionalrelaytouchthemiddlepartofcontrolsystemAreductionofthehardwareandthelineofcontrolhasgreatlyimprovedsystemstability,reliabilityKeywords:cranesprogrammablecontrollersFrequencyControl辽宁科技大学本科生毕业设计第III页目录摘要IABSTRACTII绪论传统起重机控制系统存在的问题起重机电气传动技术的国内外发展概况本课题的研究意义及主要内容矢量控制变频调速变频调速的基本原理变频器的基本结构变频器的主电路变频器的控制电路构成变频调速桥式起重机系统总体方案设计和部件选型桥式起重机系统简介及起重机基本数据桥式起重机的构造各机构组成和特点本系统总体方案设计系统的部件设计电机的选用变频器的选用可编程序控制器在桥式起重机变频控制系统中的应用PLC概述及其系统组成PLC概述PLC的系统组成与各部分的作用本系统中可编程序控制器的选取及其特点PLC系统选型一SIEMENSSSiemensS系列PLC特性SiemensSPLC的工作原理变频调速起重机控制系统设计系统控制的要求控制系统的IO点及地址分配PLC配置电气控制系统原理图桥式起重机变频调速系统软件设计PLC程序设计PLC编程软件概述辽宁科技大学本科生毕业设计第IV页程序设计系统抗干扰措施结论致谢参考文献附录辽宁科技大学本科生毕业设计第页绪论传统起重机控制系统存在的问题起重机作为物料搬运机械在整个国民经济中有着十分重要的地位。经过几十年的发展我国起重机制造厂和使用部门在设计、制造工艺、设备使用维修、管理方面不断积累经验不断改造推动了起重机的技术进步。传统起重机的调速系统存在的问题:()传动性能差()可靠性差()增加能耗()增加使用维修成本()危险性也比较高。传统的起重机驱动方案一般采用:()直接起动电动机()改变电动机极对数调速()转子串电阻调速()涡流制动器调速()可控硅串级调速()直流调速。前四种方案均属有级调速调速范围小无法高速运行只能在额定速度以下调速:起动电流大对电网冲击大常在额定速度下进行机械制动对起重机的机构冲击大制动闸瓦磨损严重功率因数低在空载或轻载时低于,即使满载也低于线路损耗大。可控硅串级调速虽各服了上述缺点实现了额定速度以下的无级调速提高了功率因数减少了起制动冲击价格较低但目前串级调速产品的控制技术仍停留在模拟阶段尚未实现控制系统具有很好的调速性能和起制动性能很好的保护功能及系统监控功能所以有时采用直流电动机而直流电动机制造工艺复杂使用维护要求高故障率高。起重机电气传动技术的国内外发展概况国外发达国家的起重机很多都采用变频调速系统控制。即使在发展中国家的比例也比较高。我国虽然近几年对传统的起重机控制系统进行了一些变频调速系统改造并且很多起重机生产厂家开始采用变频调速系统但绝大部分用户仍然使用传统的“绕线式电动机转子串电阻调速系统”方式电气调速控制的方法很多对直流驱动来讲年代采用发电机一电机系统。从控制电阻分级控制到交磁放大控制到可控硅SCR激磁控制到主回路可控硅即晶闸管整流供电系统。随着电子技术的飞速发展集成模块出现计算机、微处理器应用因此控制从分立组成模拟量控制发展至今天的数字量控制。从交流驱动来讲常规的常采用绕线式电动机转子串电阻调速为满足重物下放时的低速一般依靠能耗制动、反接制动后来还采用涡流制动还有靠转子反馈控制制动、反接制动、单相制动器抱闸松劲的所谓软制动随着电子技术的发展国内外开发辽宁科技大学本科生毕业设计第页研制变频调速PLC可编程序控制器的应用控制系统的性能更加完美。目前国内外几种常用调速系统配置及其性能:lDC直流驱动调速系统:GE公司DC,DC是微处理器数字量控制的直流驱动调速系统其控制功率从HP到HP并采用PLC对整机驱动系统实施故障诊断、检测、报警及控制。交流调速控制系统:对于起重机械来讲交流驱动仍是国内普遍采用的方案而多数停留在绕线式电机转子串电阻来调速。随着功率电子技术的发展早在二十世纪六十年代后期国外就开始致力于晶闸管定子调压调速技术的开发研究。目前该技术已进入了成熟稳定的发展应用阶段。日本安川电机制作所于年就正式定为VS系列应用于起重机及轧机辅助设备的交流调速。法国、英国、德国等大电气公司亦在这方面展开了重点研制开发。借助电力电子技术、微电子技术的发展由分离元件发展到大规模集成电路从而实现控制部件的微型组件化、智能化、标准化、系列化进而从模拟量控制发展到数字量控制。可编程序控制器PLC引入到交流电气传动系统后使传动系统性能发生了质的变化。在桥式起重机实现了抓斗的自动控制和故障诊断、检测显示等达到了新的技术高度。变频调速:变频调速技术是国际上各大电气公司在年代末年代投入全力研制、开发也是国际国内这几年全力研制应用的目标与方向。这几年一些公司如德国SIEMENS,美国GE日本三菱等推出全数字化的矢量控制技术大功率的IGBT模块的出现使变频技术在起升机械、电梯等位能负载控制成为现实。目前变频调速的控制方法有恒压频比控制转差频率控制矢量控制直接转矩控制等。这些控制方法都得到了不同程度的应用但其控制性能有一定的差异。变频器使用PWM技术可严格地使输入电流正弦即在下降过程各机械减速cos,,,制动中将动能和位能转化为电能反馈电网达到理想的节能指标同时确保工况正常运行上述发展己完成了产品系列化上市对“变频”装置在技术上以及经济上与其他驱动装置竞争将有明显的优势。同时随着PLC系统的不断成熟与完善以及大容量变频器在位能负载上的成功应用变频调速系统必将成为未来调速市场的主流。辽宁科技大学本科生毕业设计第页本课题的研究意义及主要内容本课题中以桥式起重机作为研究实体由上可知传统起重机的控制系统主要采用交流绕线转子串电阻的方法进行启动和调速继电一接触器控制这种控制系统的主要缺点有:起重机工作环境差工作任务重电动机以及所串电阻烧损和断裂故障时有发生。继电一接触器控制系统可靠性差操作复杂故障率高。转子串电阻调速机械特性软负载变化时转速也变化调速不理想。所串电阻长期发热电能浪费大效率低。要从根本上解决这些问题只有彻底改变传统的控制方式。近年来随着计算机技术和电力电子器件的迅猛发展同时也带动电气传动和自动控制领域的发展。其中具有代表性的交流变频调速装置和可编程控制器获得了广泛的应用为PLC控制的变频调速技术在起重机系统提供了有利条件。变频技术的运用使得起重机的整体特性得到较大提高可以解决传统桥式起重机控制系统存在诸多的问题变频调速以其可靠性好高品质的调速性能、节能效益显著的特性在起重运输机械行业中具有广泛的发展前景。本论文以t*m通用桥式起重机为研究对象研究了变频调速技术在起重机中的应用并且根据原有的控制结构结合组态软件和PLC技术提出了一个改进的系统控制结构并且采用此体系结构实现了桥式起重机变频调速系统。本论文的主要内容分为如下四个部分:()矢量控制变频调速原理即本论文的第二章它首先介绍变频调速的基本原理然后介绍了变频器的基本结构即变频器的主电路和控制电路构成。为下一步部分的起重机变频控制系统提供了理论基础。()变频调速桥式起重机系统总体方案设计和部件选型即本论文的第三章起重机变频调速控制系统主要由上位机(工业触摸屏系统)、下位机(PLC控制系统)变频器等组成并选择系统各主要组成部分。()可编程序控制器在桥式起重机变频控制系统中的应用即本论文的第四章它首先介绍了PLC原理、系统组成及其各部分的作用然后论述本系统中PLC的选取采用Siemens公司S型PLC最后介绍控制系统的构成。辽宁科技大学本科生毕业设计第页()桥式起重机变频调速系统软件设计即本论文的第五章主要是系统的PLC程序设计。它根据控制系统的要求对PLC进行编程。辽宁科技大学本科生毕业设计第页矢量控制变频调速变频调速的基本原理异步电动机的转速公式:f()n,(,s)p式中:为电动机的转速为电动机定子的频率为电动机定子的绕阻的磁极对数pnf为转差率。s在异步电动机的极对数p和转差率s一定的情况下只改变异步电动机的供电电源频率就可以实现对异步电动机的调速。但当供电电源频率小于电动机的额定工作ff频率内变化时因端电压(式中:E,感应电动势、,供电电源频U,E,fwk,f率、w串联匝数、k绕组系数、φ,电机的磁通)只有维持Uf为常数才能保证电机的磁通φ不变保证电动机的性能不变。而当供电电源频率大于电动机的额定工作f频率时电动机转速超过额定转速若仍维持Uf为常数端电压U将超过电动机额定电压这是不允许的因此在实现额定转速以上的调速时应保持电源电压不变并为额定值仅使供电电源频率增加电动机磁通φ将减少输出转矩也将随之下降而f输出功率近似恒定。起重机变频调速方式一般采用Uf控制方式、矢量控制方式及直接转矩控制方式。其中起重机的起升机构一般采用闭环的矢量控制方式或闭环的直接转矩控制方式而移动机构一般开环的Uf控制方式或开环的矢量控制方式。矢量控制是一种高性能异步电动机控制方式它基于电动机的动态数学模型分别控制电机的转矩电流和励磁电流具有与直流电动机相类似的控制性能。直流电动机具有两套绕组:励磁绕组和电枢绕组。两套绕组在机械上是独立的、在空间上互差两套绕组在电气上也是分开的分别由不同电源供电。在励磁电流恒定时直流电动机所产生的电磁转矩和电枢电流成正比控制直流电动机的电枢电流可以控制电动机的转矩因而直流电动机具有良好的控制性能。当进行闭环控制时可以很方便地构成速度、电流双闭环控制系统具有良好的静、动态性能。辽宁科技大学本科生毕业设计第页而异步电动机虽然有两套多相绕组定子绕组和转予绕组但只有定子绕组和外部电源相接在定子绕组中流过定子电流。转子绕组虽然流过电流但它是通过电磁感应在转子绕组中产生的感应电流并将从定子侧得到的电磁能量转变为机械能供给负载。因此异步电动机的定子电流包括两个分量:励磁电流分量和转子电流分量。由于励磁电流是异步电动机定子电流的一部分很难象直流电动机那样仅仅控制异步电动机的定子电流达到控制电机转矩的目的。事实上异步电动机所产生的电磁转矩和定子电流并不成比例定子电流大并不能保证电机的转矩大。例如异步电动机起动时定子电流几乎是额定电流的,倍但起动转矩仅仅是额定转矩的,倍。但是根据异步电动机的动态数学方程式它具有和直流电动机的动态方程式相同的形式因而如果选择合适的控制策略异步电动机应能得到和直流电动机相类似的控制性能这就是矢量控制。变频器的基本结构图变频器结构图变频器的主电路()电力电子开关器件电力半导体器件已经历了以晶闸管为代表的分立器件以可关断晶闸管(GTO)巨型晶体管(GTR)功率MOSFET、绝缘栅双极晶体管(IGBT)为代表的功率集成器件(PID),以智能化功率集成电路(SPIC)高压功率集成电路(HVIC)为代表的功率集成电路(PIC)等三个发展时期。从晶闸管发展到PID,PIC通过门极或栅极控制脉冲可实现器件导通与关断的全控器件在器件的控制模式上从电流型控制模式及发展到电压型控制模式不仅大大降低了门极(栅极)的控制功率而且大大提高了器件导通与关断的转换速度从而使器件的工作频率不断提高。在器件结构上从分立器件发展到由分立器辽宁科技大学本科生毕业设计第页件组合成功率变换电路的初级模块继而将功率变换电路与触发控制电路、缓冲电路、检测电路等组合在一起的复杂模块。()整流电路一般的三相变频器的整流电路由三相全波整流桥组成。它的主要作用是对工频的外部电源进行整流并给逆变电路和控制电路提供所需要的直流电源。整流电路按其控制方式可以是直流电压源也可以是直流电流源。直流中间电路的作用是对整流电路的输出进行平滑以保证逆变电路和控制电源能够得到质量较高的直流电源。此外由于电动机制动的需要在直流中间电路中有时还包括制动电阻以及其它辅助电路。()逆变电路它是利用六个半导体开关器件组成的三相桥式逆变电路是变频器主要的部分之一。逆变电路有规律的控制逆变器中的主开关元器件的通与断得到任意频率的三相交流电输出。由于逆变器的负载为异步电动机属于感性负载无论电动机处于电动机是发电制动状态变频器功率因素总不会为。因此在直流环节和电动机之间总会有无功功率的交换这种无功能量就靠这之间直流环节的储能元件来缓冲。它的主要作用是在控制电路的控制下将平滑电路输出的直流电源转换为频率和电压都任意可调的交流电源。逆变电路的输出就是变频器的输出它被用来实现对异步电动机的调速控制。变频器的控制电路构成包括主控制电路、信号检测电路、门极驱动电路、外部接口电路(如图所示)以及保护电路等几个部分是变频器的核心部分。控制电路的优劣决定了变频器性能的优劣。控制电路的主要作用是完成对逆变器开关控制、对整流器的电压控制以及完成各种保护功能。辽宁科技大学本科生毕业设计第页图变频器的外部接口电路辽宁科技大学本科生毕业设计第页变频调速桥式起重机系统总体方案设计和部件选型桥式起重机系统简介及起重机基本数据桥式起重机的构造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用作物料搬运设备为此要求它高效灵活安全可靠。本课题研究的起重机是电动双梁桥式起重机该起重机由起重小车、桥架金属结构、桥架运行机构以及电气控制设备等四个部分组成。机构主要指主起升机构、副起升机构、小车运行机构、大车运行机构。在电气控制系统中其供电一般是通过电缆卷筒将电源输送到中心电器上起重机机为低压供电系统电气控制部分集中在操作室和电气房内安全保护装置装在在适当的位置上。各机构组成和特点起升机构是用来实现货物的升降它通常由驱动装置、钢丝绳卷绕系统和取物装置三部分组成。此外根据工作需要还可以装设各种辅助装置如高度限位器超载限位器等。运行机构的作用是使起重机运行部分作来回运动以达到在水平面内运移货物的目的。以下是本课题桥式起重机基本参数:该机的起重量为t其跨度(L)为m小车起升速度为mmin大车起升速度为mmin小车运行速度为mmin大车运行速度为mmin。本系统总体方案设计控制系统由继电器控制改为PLC控制四大机构调速均采用变频调速。由于各机构的特点不同对调速要求也不相同。桥式起重机变频调速系统主要由上位机(工业触摸屏系统)、下位机(PLC控制系统)、变频调速系统组成。系统结构图如图。辽宁科技大学本科生毕业设计第页工业触摸屏PLCPGPG变变变变卡卡频频频频器器器器大车小车副钩旋转主钩旋转两台编码编码电机电机电机电机器器两台制动制动制动制动器器器器图桥式起重机变频调速系统组成(起升机构主起升和副起升两台电机各使用一个变频器。变频器的选择应以选择变频器的额定电流为基准一般以电动机的额定电流、负载率、变频器运行的效率为依据通过计算变频器的额定电流一般为电动机额定电流的倍以上。控制方式选用带PG的矢量控制方式。PLC接受电机的旋转编码器经数模转换卡送达的反馈信号避免吊钩的下滑。(运行机构大车运行机构两台电机用一个变频器,考虑到运行机构的工作频率较少为节省成本在调速中运行机构共用一台变频器变频器的选择一般以电动机的额定功率作为选择的依据,通常选额定功率大一级的变频器。控制方式选用vf的变频控制方式。系统的部件设计电机的选用一、变频调速对电机的要求辽宁科技大学本科生毕业设计第页采用变频调速时由于变频器输出波形中高次谐波的影响以及电机转速范围的扩大产生了一些与在工频电源下传动时不同的特征。主要反映在功率因数、效率、输出力矩、电机温升、噪音及振动等方面。随着高开关频率的IGBT等电力电子器件的使用、PWM调制、矢量控制、增强型Vf控制方法的应用、使变频器输出波形、谐波成份、功率因数及使用效率得到了很大的改善有效地提高了变频控制电机的低速区转矩。同时由于变频控制软件的优化使用使电机可以避开共振点解决了系统在大调速区间内可能发生的共振问题。二、变频起重机系统中电机的选型起重机起升和运行机构的调速比一般不大于:且为断续工作制通常接电持续率在以下负载多为大惯量系统。严格意义上的变频电机转动惯量较小响应较快可工作在比额定转速高出很多的工况条件下这些特性均非起重机的特定要求。普通电机与变频电机在不连续工作状态下特性基本一致,在连续工作时考虑到冷却效果限制了普通电机转矩应用值普通电机仅在连续工作时的变频驱动特性比变频电机稍差。三、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P电机容量为P,(PjPa),()ms式中:,为电机平均起动起动转矩倍数。ms若使电机在额定转速下接近满载运行且能承受电网电压的波动并通过倍试验,载荷则要求电机的过载力矩倍数大于倍或适当增加加速时间减少加速功率。N对每小时作多个循环的起重机来讲运行机构的加速时间可在,s调整有利于机构的平稳运行。起重机起升机构的负荷特点是起动时间短(,s)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,。其电机容量P为P,Cgv(,)(kW)()pCggv式中:为起重机额定提升负载kg为额定起升速度ms为重力加速度=p,ms为机构总效率。辽宁科技大学本科生毕业设计第页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,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。通过利用上述公式的计算选用改造后的桥式起重机各执行机构的电机参数如表。表桥式起重机各执行机构的电机参数电机型号电机功率kW主起升机构YZRM副起升机构YZRL大车运行机构YZRM*小车运行机构YZR各机构电机启动调速方式说明如下:起升机构:起升、开闭机构的两台电机分别采用各自独立的变频调速器。其控制方式为带PG矢量控制方式。它具有稳定性好对急加、减速负载变化有较好的响应特性。运行机构:行走机构变频器采用VF控制方式驱动这样做一方面简化了电路另一方面又可降低成本。只是上述机构在运行中不能同时作业。变频器的选用(变频器选型起重机各机构负载为恒转矩负载普遍选用带低速转矩提升功能的电压型变频器如日本的安川三菱富士德国的西门子及丹麦的丹佛斯等。其中本系统选用西门子变频器西门子变频器具有较合理的价格完整的理论计算书及辅件推荐值有利于用户合理选用。(变频器容量选择()起升机构起升机构平均起动转距一般来说可为额定力矩值的,倍。考虑到电源电压波动因素及需通过超载试验要求等因素其最大转距必须有,倍的负载力矩值辽宁科技大学本科生毕业设计第页以确保其安全使用的要求。等额变频器仅能提供小于超载力矩值为此可通过提高变频器容量(Yz型电机)或同时提高变频器和电机容量(Y型电机)来获得力矩值。此时变频器容量为CgvKKp(kVA)(),,PPCN,cos,,,cos,MM式中:为电机的功率因数P为起升额定负载所需功率kW为cos,,cos,,M电机效率变频器容量kVA系数。KK,P,,CNM起升机构变频器容量依据负载功率计算并考虑倍的安全力矩。若用在电机额定功率选定的基础上提高一挡的方法选择变频器的容量则可能会造成不必要的放容损失。在变频器功率选定的基础上再作电流验证公式如下:()I,ICNM式中:为变频器额定电流A为电机额定电流AIICNM()运行机构s内有小于s的加速时间的并且起动电流不超过变频器额定位的当运行电机在倍时变频器容量可按下式计算:TNiKKP,{},(PP)()CNjMGDN,,,,,coscosMMtAK,~KGD式中:为电流波形补偿系数PWM方式为负载转距NmTj,N为总转动惯量对电机轴的折算值kgmt加速时间s电机额定转速rminA当运行电机在s内电机有大于s加速时间时变频器容量按下式取值KP,(PP)(kVA)()CNjM,,cosM电流验证:以上公式均以负载功率作为变频器容量计算的基本参数不同的额定电流。故最终尚辽宁科技大学本科生毕业设计第页需验证电机和变频器额定电流即通过利用上述公式的计算改造后的桥式I,ICNM起重机各执行机构的变频器如表所示。表桥式起重机各执行机构的变频器型号变频器型号额定功率,kW电流,A主起升机构SEED副起升机构SEED大车运行机构SEAD小车运行机构SEAD()变频器主要参数设置首先将所用电机铭牌数据输入PP大车变频器应输入几个电机的总电流及总功率并且大车变频器带有几个电机时应运行于线性频率电压特性速度变化采用固定频率的迭加同时利用变频器的制动器接通、断开功能由RL输出继电器触点控制机械制动器使行走机构在电机停止时不会由于外力而随意移动。如表参数号参数值说明:辽宁科技大学本科生毕业设计第页表参数号参数值说明参数号参数值说明P加减时间秒P减速时间秒档速度P附加数字给定P开关量输入控制PP固定频率开关P固定频率开关固定频率开关P故障复位PP运行右转P运行左转固定频率P固定频率PP固定频率P故障外部制动控制Pvf特性(大车多电机)PPFCC特性(小车单电机)辽宁科技大学本科生毕业设计第页可编程序控制器在桥式起重机变频控制系统中的应用PLC概述及其系统组成PLC概述可编程程序控制器(ProgrammableController)其早期主要应用于开关量的控制现代的可编程控制器是以微处理器为基础高度集成的新型工业控制装置是计算机技术与工业控制技术相结合的产品。可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统专为工业环境而设计。它采用了可编程序的存储器用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令并通过数字式和模拟式的输入和输出控制各种类型机械的生产过程。而有关的外围设备都应按易于与工业系统联成一个整体易于扩充其功能的原则设计。PLC自问世以来经过多年的发展随着大规模和超大规模集成电路等微电子技术的发展以位和位微处理器构成的微机PLC得到了惊人的发展使PLC在概念、设计、性能价格以及应用等方面都有了新的突破。不仅控制功能增强功耗、体积减少而且远程UO和通信网络、数据成本下降可靠性提高编程和故障检测更为灵活方便处理以及图像显示也有了长足的发展所有这些已经使PLC应用于连续生产的过程控制系使之成为最受欢迎的工业控制类产品。它较好的解决了工业控制领域中普遍关心的可靠、安全、灵活、方便、经济等问题。PLC的系统组成与各部分的作用PLC是一种通用的工业控制装置其组成与一般的微机系统基本相同。按结构形式的不同PLC可分为整体式和组合式。整体式PLC是将中央处理器(CPU)、存储器、输入单元、输出单元、电源、通信接口等组装成一体构成主机。另外还有独立的IO扩展单元与主机配合使用。主机中CPU是PLC的核心IO单元是连接CPU与现场设备之间的接口电路通信接口用于PLC与编程器和上位机等外部设备的连接。组合式PLC将CPU单元、输入单元、输出单元、智能IO单元、通信单元等分别做成相应的电路板或模块各模块插在底板上模块之间通过底板上的总线相连装有CPU单元的底板称为CPU底板其它称为扩展底板。CPU底板与扩展底板之间通过电辽宁科技大学本科生毕业设计第页缆连接距离一般不超过m无论哪种结构类型的PLC都可以根据需要进行配合与组合。它主要是由CPU、电源、存储器和专门设计的输入输出接口电路等组成。本系统中可编程序控制器的选取及其特点PLC系统选型一SIEMENSS目前PLC使用性能较好的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IO点数以及工艺要求、扫描速度、自诊断功能等方面的考虑采用SIEMENS公司的S系列PLC。SIMATICS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的组成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。SiemensS系列PLC特性(S一系列PLC介绍S系列PLC功能强、速度快、扩展灵活具有模块化、紧凑的结构。使用范围可覆盖从替代继电器的简单控制到复杂的自动控制应用领域极为广泛覆盖所有与自动检测、自动化控制有关的工业及民用领域包括电力设施、民用设施、机械、机床等领域。S系列具有极高的可靠性、极丰富的指令集、易于掌握、操作便捷、内置丰富的集成功能、实时特性良好的通信能力丰富的扩展模块。(SiemensS一主要功能模块介绍()CPU模块S的CPU模块包括一个中央处理单元、电源以及数字IO点这些都被集成在一个紧凑、独立的设备中。CPU负责执行程序输入部分从现场设备中采集信号输出部分则输出控制信号驱动外部负载。从CPU模块的功能来看CPU模块为CPU*辽宁科技大学本科生毕业设计第页它具有如下五种不同的结构配置的CPU单元。CPU它有输入输出IO共计点。无扩展能力程序和数据存储容量较小有一定的高速计数处理能力非常适合于少点数的控制系统。CPU它有输入输出IO共计点。和CPU相比它可以进行一定的模拟量控制和个模块的扩展因此是应用更广泛的全功能控制器。CPU它有输入输出IO共计点。和前两者相比存储容量扩大了一倍它可以有个扩展模块有内置时钟它有更强的模拟量和高速计数的处理能力,是使用得最多S产品。CPU它有输入输出IO共计点和CPU相比增加了通信口的数量通信能力大大增强。它可用于点数较多、要求较高的小型或中型控制系统。CPUXM它在用户程序存储容量和数据存储容量上进行了扩展其他指标CPU相同。和()IO扩展模块当CPU的I点数不够用或需要进行特殊功能的控制时就要进行IO扩展IO扩展包括IO点数的扩展和功能模块的扩展。典型的数字量IO扩展模块有:输入扩展模EM有两种:点DC,点AC输入输出扩展模块EM有三种:点DC晶体管输出点AC输出、点继电器输出。输入输出混合扩展模块EM有六种:分别为点(点、点)DC输入点(点、点)DC输出、点(点、点)DC输入点(点、点)继电器输出。()功能扩展模块当需要完成某些特殊功能的控制任务时CPU主机可以扩展特殊功能模块如要求进行PROFIBUSDP现场总线连接时就需要EMPROFIBUSDP模块在这里主要介绍模拟量输出模块EM和模拟量输入模块EM。EM模块提供了有输出模拟量通道具有位的分辨率且具有多输入输出信号范围。其内部集成了DA转换器、放大器等多种功能的电路可用于复杂的控制场合。它能够不用外部放大器而与传感器直接相连可根据输出模拟量的大小通过其外置的DIP开关选择不同的档位及分辨率且模拟量的输出可作为测量传感器的恒流源辽宁科技大学本科生毕业设计第页使用。EM模拟量输入扩展模块提供了位模拟量输入的功能。其内部集成了AD转换器、放大器等多种功能的电路有很强的抗干扰性可用于复杂的控制场合它能够不用放大器而与传感器直接相连有输入模拟量通道具有位的分辨率且具有多种输入、输出信号范围。SiemensSPLC的工作原理各种PLC具体工作原理大同小异都采用扫描工作方式SiemensS一PLC的工作过程:PLC上电后首先进行初始化然后进入循环工作过程。一次循环过程可归纳为公共处理、程序执行、扫描周期计算处理、IO刷新和外设端口服务五个工作阶段一次循环所用的时间称为一个工作周期(或扫描周期)其长短与用户程序的长短以及PLC机本身性能有关其数据级ms级典型值为几十ms。各阶段完成的任务如下:监视定时器进行硬件检查、用户内存检查等。检查正常后()公共处理:复位方可进行下面的操作。如果有异常情况则根据错误的严重程度发出报警或停止PLC运行。()程序执行:在程序执行阶段CPU按先左后右先上后下的顺序对每条指令进行解释、执行CPU从输入映像寄存器和元件映像寄存器根据用户程序给出的逻辑关系进行逻辑运算运算结果再写入元件映像寄存器中。()扫描周期计算处理:若设定扫描周期为固定值则进入等待循环直到该固定值到再往下进行。若设定扫描周期为不定的则进行扫描周期的计算。()IO刷新:在此阶段进行I刷新。输入刷新时CPU从输入电路中读出各输入点状态并将此状态写入输入映像寄存器中输出刷新时将输出继电器的元件影响寄存器的状态传送到输出锁存电路再经输出电路隔离和功率放大驱动外部负载。()外设端口服务:完成与外设端口连接的外围设备部编程器或通信适配器的通信处理。CPU从输入电路的输出端读出各路状态并将其写入输入映像寄存器。辽宁科技大学本科生毕业设计第页变频调速起重机控制系统设计系统控制的要求对桥式起重机变频调速控制系统的基本要求:()主、副机构升降速度调节()运行机构运行速度调节()保护功能:主副机构上升限位、下降限位、大车限位、小车限位、主副机构及大小车电机的保护等。控制系统的IO点及地址分配根据控制系统的要求控制系统应具备的输入输出点数名称、代码及地址编号如表所示。表控制系统的输入输出点数名称、代码及地址编号名称代码地址编码输入信号QAI起动输入点TAI停止输入点CKI主钩超重输入点CKI副钩超重输入点BRLI主钩变频故障输入点BRLI副钩变频故障输入点BRLI小车变频故障输入点BRLI大车变频故障输入点KRI大车故障输入点KRI主钩故障输入点KRI副钩故障输入点KRI小车故障输入点AKI安全开关输入点KMOI主接触器应答输入点I主钩起升档输入点I主钩下降档输入点I主钩二档输入点I主钩三档输入点I主钩四档输入点辽宁科技大学本科生毕业设计第页续表控制系统的输入输出点数名称、代码及地址编号I主钩五档输入点XKI主钩上升限位输入点XKI主钩下降限位输入点I副钩起升档输入点I副钩下降档输入点I副钩二档输入点I副钩三档输入点I副钩四档输入点I副钩五档输入点XKI副钩上升限位输入点XKI副钩下降限位输入点I大车左行档输入点I大车右行档输入点I大车二档输入点I大车三档输入点I大车四档输入点I大车五档输入点XKI大车左行限位输入点XKI大车右行限位输入点I小车前行档输入点I小车后行档输入点I小车二档输入点I小车三档输入点I小车四档输入点I小车五档输入点XKI小车前行限位输入点XKI小车后行限位输入点QFI总空开合闸输入点输出信号KQ主继电器KQ主钩风机继电器KQ副钩风机继电器KQ大车风机继电器KQ小车风机继电器SEQ允许起动指示灯SEQ机构限位指示灯SEQ综合故障指示灯Q主钩上升输出点辽宁科技大学本科生毕业设计第页续表控制系统的输入输出点数名称、代码及地址编号Q主钩下降输出点Q主钩自由停车命令Q大车OFFQ大车左行输出点Q大车右行输出点Q大车自由停车命令Q小车前行输出点Q小车后行输出点Q小车自由停车命令Q小车OFFPLC配置根据以上系统开关量输入点开关量输出点模拟量输入点模拟量输出点的个数系统同时要求有八路模拟量输入作为反馈信号有四路模拟量输出作为变频器的控制端输入同时要求DIDO点数具有>的冗余所以CPU模块选用CPU模块数字量输入模块采用两块EM模块模拟量输入模块采用两块EM模块、模拟量输出模块采用两块EM模块。PLC系统与配置如图。图PLC系统与配置电气控制系统原理图电气控制系统原理图主要包括主电路和PLC外围接线图。主电路图如图所示为电控系统的主电路图共有五台电机其中大车运行机构有两台电机同时带有风机冷却装置。PLC外围接线电路辽宁科技大学本科生毕业设计第页如图所示为SiemensSCPU模块接线图。图中所示的IO接线信号分别与图中的IO名称相对应。数字量输入模块EM模块模拟量输入模块EM模块、模拟量输出模块EM模块的接线图与此相同。辽宁科技大学本科生毕业设计第页桥式起重机变频调速系统软件设计PLC程序设计PLC编程软件概述S的编程语言是STEPmicrowin它是用于S系列PLC进行编程、调试的全新软件它是在国际标准IEC的基础上建立的可以用LAD,FBD和STL来编程。这是一种可以运行于通用微机中在WINDOWS环境下进行编程的语言。将它通过计算机的串口和一根PCMPI转接电缆与PLC的MPI口相连即可进行相互间的通信。通过STEPmicrowin编程软件不仅可以非常方便的使用梯形图和语句表等形式进行离线编程经过编译后通过转接电缆直接下载入PLC的内存中执行而且在调试运行时还可以在线监视程序中各个输入输出或状态点的通断状况甚至进行在线修改程序中的变量给调试工作也带来极大的方便。程序设计在本系统中PLC程序设计的主要任务是接受外部开关信号〔按钮、继电器)的输入判断当前的系统状态以及输出信号去控制接触器、继电器等器件以完成相应的控制任务。除此之外另一个任务就是接受上位机的控制命令以进行自动采样。PLC的软件设计部分我们采用模块化的方法PLC程序设计共有四个模块:()按钮处理模块()通信模块()PID控制模块()故障报警模块其中按钮模块主要处理各电机和电磁阀的启停控制。按钮处理模块的梯形图见附录梯形图由于用MicroMaster变频器对起重机电机进行调速所以本系统中对起重机的调速实际上就是对其MicroMaster变频器的控制。STEPMicroWin软件工具包提供了USS通信协议从减少软件的工作量和提高可靠性出发采用USS协议来完成PLC与变频器的通信。与变频器的通信对PLC的CPU扫描是异步的完成一个变频其通信事务通常需要几次CPU扫描。这取决于连续的变频器数目波特率以及CPU的扫描时间。USS通信指令用于PLC与变频器等驱动设备的通信及控制。将通信USS通信指令置于用户程序中经编译后自动地将一个或多个子程序和个中断程序添加到用户程序中。另外需要将一个V存储地址分配给USS全局变量表的第一个存储单元从这个地址开始以后连续的个字节的V存储器将被USS指令使用不能用作他用。当使用USS指令进行通辽宁科技大学本科生毕业设计第页信是只能使用通信口而且口不能用作它用包括与编程设备的通信或自由通信。使用USS协议的编程顺序如下:()通过调用USSINIT指令以改变USS通信参数如启用或禁止USS协议、设定波即可与之通信)。标志为激活的任何变频器都自特率指示哪些地址的变频器是激活的(动地在后台进行轮询控制汇集状态并防止变频器的串行链路超时。()把V存储器地址分配给USS协议。辽宁科技大学本科生毕业设计第页()通过调用DRVCTRL指令来控制指定的变频器如启停控制方向设定速度查询变频器返回的状态字等。辽宁科技大学本科生毕业设计第页()同时调用READPM或WRITEPM指令来读取或写变频器参数以便于设置变频器参数程序中所用的波特率和地址相匹配。桥式起重机主副起升机构速度的控制是一现很重要的技术指标本系统由通过旋转编码器测得电机速度由数模转换卡转换成数字量传递给变频器与设定速度进行比较采用常规的PID算法在控制效果上就能够达到较为理想的结果所以本系统起升机构控制方案为常规的数字PID算法并结合PLC中的PID控制模块来控制。编程见附录。为了实时通知操作员故障消息以便尽快地排除故障确保整个系统正常运行本控制系统具有良好的故障报警措施。所以在PLC程序中始终对相应的传感器输入信号进辽宁科技大学本科生毕业设计第页行扫描一旦有诸于变频器故障超重等故障应马上切断该设备并启动蜂鸣器进行报警。考虑到工业现场可能的干扰)我们在程序中采用延迟报警即只有当报警信号持续一定的时间(一般为几十毫秒到几百毫秒)才认为有故障)在启动设备时逐步开启报警。而在停止设备时逐步阻塞报警。上述两个措施可有效的防止误报警报警处理由画面元素和PLC变量直接对应无需编程。系统抗干扰措施可编程控制器的主要应用场合是工业现场工作环境中各种干扰对系统设备的正常运行存在着严重的影响。所以在本系统中也不例外有必要考虑PLC的抗干扰措施。抗干扰的主要措施有:()输入信号电缆、输出信号电缆和电力电缆都要分开敷设不能扎在一起。()必要时需选用带有屏蔽层的输入和输出信号电缆并注意一端接地。)多芯电缆中的备用芯线也要一端接地一则扩大屏蔽作用二则抑制芯线间的(信号串扰及外部干扰。()为避免干扰同一电平等级的信号才能用一条多芯电缆传输。所以对数字信号和模拟信号在仟何情况下都必须分开电缆进行传输。低电平信号线应与其它信号线分开。尽量缩短模拟量IO信号线的长度并采用双芯屏蔽线作为信号线。()PLC电柜应有独立的接地线接地电阻小于Ω。()引至PLC柜的电缆要尽量远离那些会产生电磁干扰的装置。()一般要将PLC装于专门的电柜中要注意PLC四周留有mm以上的净空间保证良好的通风环境在设备现场要充分考虑周围环境的影响尽量不要将PLC安装在多尘、有油烟、有导电灰尘、有腐蚀性气体、振动、热源或潮湿的地方。辽宁科技大学本科生毕业设计第页结论本文主要为桥式起重机设计一套变频调速控制系统同时实现起重机电机速度的可调节以节约能源和适应生产的需要。根据要求此系统要能达到现场的运行状况、运行数据都可以在司机控制室掌握用户在控制室可以通过人机界面来设置变频器的运行频率、启动和停止电机并且变频器的故障信息可以在人机界面上反映出来以用来提示用户。采用变频器实现起重机电机的调速运行结合PLC的强大功能、可靠性以及基于组态软件所开发出来的良好人机界面和通信能力实现在司机控制室对电机的远程控制运行参数调节。上位机选择触摸屏主要完成系统的组态、监控、参数设置和开关量置位。下位机采用PLC来实现各电机的启、停、电磁阀的开关数值的转换、速度的检测。本文重点解决了PLC程序设计的问题以及上下位机之间的通信问题。同时根据STEPMICROWIN软件工具包的结构化程序设计特点大量采用代码重用的方法大大减少了系统的开发和维护。辽宁科技大学本科生毕业设计第页致谢徐建英教授严谨踏实的研究作风渊博深厚的知识孜孜不倦的诲人我感到由衷的敬佩。在此期间老师多次询问我的课题进度提醒我该注意的问题并在我课题遇到困难时给予了我耐心的指导和帮助。我深深感谢徐教授对我学习和研究的悉心指导。感谢辽宁科技大学电信学院各位老师在这四年学习生涯中给予我的关心和帮助。其次要感谢所有参加答辩的老师感谢我的母校辽宁科技大学给我的培养和教育。辽宁科技大学本科生毕业设计第页参考文献李永乐交流电机数字控制系统M机械工业出版社,胡崇岳现代交流调速技术J机械工业出版社,,():张燕宾SPWM变频器调速应用技术北京M机械工业出版社,,陈伯时电力拖动自动控制系统M北京:机械工业出版社,,张小坤可编程控制器原理及应用M西安:西北工业大学出版社,,天津电气传动设计院研究所电气传动自动化技术手册M北京:机械工业出版社,,巩建平,张学现代可编程序控制器原理与应用M北京:科学出版社赵昌颖电力拖动基础M哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,,韩安荣通用变频器及应用J北京:机械工业出版社,():ErnstDummermuthProgrammablecontrollerPUnitedStatesofAmerica:Mar辽宁科技大学本科生毕业设计第页附录按钮处理模块的梯形图:辽宁科技大学本科生毕业设计第页辽宁科技大学本科生毕业设计第页PID控制模块编程如下:辽宁科技大学本科生毕业设计第页辽宁科技大学本科生毕业设计第页精品文档辽宁科技大学本科生毕业设计第页精品文档精品资料精品文档精品资料精品文档精品文档精品资料精品文档精品资料辽宁科技大学本科生毕业设计第页全市人均居住消费支出(元)、精品资料

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