基于PLC的电动葫芦起重机控制系统设计

基于PLC的电动葫芦起重机控制系统设计 摘要 随着科技进步与经济发展，电能的应用越来越广泛，电气对电能的生产、运输、分配与应用起着控制、调节、检测与保护的作用。而PLC的引入使得电器控制变得简单方便，只能可靠。 电动葫芦起重机又称电动提升机，是一种轻小型起重设各，广泛应用于重物的提升、下降、平移搬运，可以减轻劳动强度，提高生产效率，改善劳动条件的必各机械，如在工厂、矿山、车站、港口、建筑卜地、水电站、仓库等生产部门中得到应用。它具有自重轻、构造紧凑、体积小、维修方便、经久耐用等特点。主要结构是减速器、起升电机、运行电机、断火器、电缆滑线、卷筒装置、吊钩装置、联轴器、软缆电流引入器等集动力与制动于一体。它的执行机构主要由提升机构和水平移动装置组成，机构由锥型电动机、减速器、钢丝卷筒等组成。提升电动机通过减速箱拖动钢丝卷筒，电动机正转或者反转，拖动卷筒，可以使吊在钢丝绳上的吊钩上升或下降，实现提升和下放对象，水平移动装置由电动机，减速箱，导轮，“工”字梁等组成。平移电动葫芦可以在上字梁上来回移动，用机械撞块限制前后两个方向的移动行程。 本文主要是关于电动葫芦起重机控制系统的的设计。通过对电动葫芦的控制设计以及PLC控制系统的工作原理的、系统设计、编程、及上机调试工作的实践，了解机器控制系统的一般设计思路，熟悉和掌握外围电路系统和软件设计的方法，并掌握利用PC对PLC工作状况进行监控的方法。 关键字：电动葫芦，PLC，变频器，无极调速 ABSTRACT Along with the science and technology progress and economic development. Electric power application is more and more widely . Electrical production, transportation, distribution and application of electricity plays a control role, adjust, test and protection. And the introduction of the PLC make electric control becomes easy and convenient, intelligent and reliable. Also called electric hoist, electric hoist is a small-sized lifting equipment, widely used in weight lifting, lowering, translational carrying, can reduce labor intensity, improve production efficiency, improve the working conditions necessary machinery,. Such as in factories, mines, railway stations, ports, construction, hydropower station, warehouse, etc applied in the production department. It has light weight, compact structure, small volume, convenient maintenance, durability, etc. Main structure is the reducer, lifting motor, motor operation and firearms, cable wire, roll device, hook device, couplings, flexible cable current introduction of device, etc. Integrating force and braking force. Its executive body is mainly composed of hoisting mechanism and horizontal moving device, institutions from cone type motor, speed reducer, the wire reel, etc. Hoist motor through a gearbox drag the wire reel, motor are turning or reverse, drag the reel, can make the hanging on the rope hook up or down, and realize the object of raising and lowering, level of mobile device consists of motor, reducer, the roller, the word "work" beam, etc. Translation can move back and forth on the h beam of the electric hoist, with mechanical collision block limits move in two directions before and after the trip. This article is mainly about the design of the electric hoist control. Through control of the electric hoist design and work principle of PLC control system analysis, system design, programming, and debugging work practice, Know machine control system's general design idea, familiar with and master the peripheral circuit and software design method, and master the method of using PC to monitor PLC working conditions. Keywords:  Electric hoist, PLC  目录 1 绪论 1.1电动葫芦起重机的系统设计研究的意义 1.2电动葫芦课题背景 1.3 电动葫芦起重机的发展趋势 2 PLC的应用 2.1 PLC的构成 2.2 CPU的构成 2.3 I/O模块 2.4 电源模块 2.5 PLC系统的其他设备 2.6 PLC的通信联网 2.7 PLC的应用现状 3 系统方案设计 3.1 系统总体控制方案 3.1.1 继电器-接触器的控制 3.1.2 PLC的控制 3.1.3 PLC控制与继电器-接触器控制相结合 3.2控制模块（PLC）的选型及其相关介绍 3.2.1 PLC的选型 3.2.2 PLC的相关介绍    3.3 电动机的选型 3.3.1电动机的类型 3.3.2 电动机容量的确定 3.4 电缆的选型 4系统硬件电路设计 4.1 主电路设计 4.2 控制电路设计 5系统软件设计 5.1 程序流程图设计 5.2 程序设计    6 结论 7 致谢 参考文献 1 绪论 1.1电动葫芦起重机的系统设计研究的意义 电动葫芦起重机是集电动机，减速机和钢丝绳卷筒(或环涟)为一体的小型起重设备，大多数还带有行走小车，配合单梁桥式或门式起重机，组成一个完整的起重机械。电动葫芦的主体，是钢丝绳卷筒居中，一端是电动机，通过中间的转动轴，将动力传递到另一端的减速机，减速机带动卷筒(或环链)钢丝绳起重。现在电动葫芦的电动机多采用锥形转子电动机，这种电动机能够在断电时自行制动。传统的电动葫芦控制系统都采用继电器一接触器等元件组成的硬件逻辑控制电路，不但接线复杂，而且经常出现故障，可靠性较差，所以要对其系统进行升级改造。 电动葫芦近几年的发展十分缓慢。从上个世纪60到70年代初，我国从前苏联引入了TV型钢丝绳电动葫芦，在70年代初我国自行设计了CD1型钢丝绳电动葫芦，迄今为止CD1型在国内生产制造、使用已有30多年。在这之间，有一些厂家引入国外先进的生产制造技术，但均未获得广泛的推广应用。 其中电动葫芦控制系统技术水平在国内发展迟缓，其原因是多方面的:(1)国内电动葫芦企业生产、制造水平及配套的机械、电气及标准件技术基础较低;(2)近20年来，国内经济体制由经济转向市场经济，许多国营企业在转制初期不可能将大量的资金投入到产品开发上;C3) CD1型钢丝绳电动葫芦H前仍有一定的市场占有率。 近年来，国外的电动葫芦制造技术水平快速发展。随着我国加入WTO，外资企业纷纷抢占中国市场，国外产品对国内的冲击将越来越严重。价格和档次低的国内产品，已不再有足够大的市场，用户越来越重视产品的性价比。因此，国内电动葫芦如不及时地调整国内、国际市场的要求进行产品更新换代，将很快被淘汰。 1.2电动葫芦课题背景 在生产实践中，我们越来越依赖流水作业。对于轻工业，流水线发展非常迅速，一般的可以用传送带来完成。但对于重工业生产，大批量物资需要生产、搬运，利用传送带传送工件不太实用。为了提高劳动效率、改善劳动条件，轻型起重设备电动葫芦起重机用途广泛，深受欢迎。已是将电动机、减速器、卷筒、制动器和运行小车等紧凑地合为一体的起重机械，其有轻巧、灵活、成本较低、并且安全可靠，加上零部件通用程度大，互换性强，起重能力高，维护方便等特点，它被广泛应用于工厂、矿山、港口、仓库、货场、商店等场所的搬移、起吊和装卸。 电动葫芦起重机是集电动机，减速机和钢丝绳卷筒(或环链)为一体的小型起重设备，大多数还带有行走小车，配合单梁桥式或门式起重机，组成一个完整的起重机械。电动葫芦的主体，是钢丝绳卷筒居中，一端是电动机，通过中间的转动轴，将动力传递到另一端的减速机，减速机带动卷筒(或环链)钢丝绳起重。现在电动葫芦起重机的电动机多采用锥形转子电动机，这种电动机能够在断电时自行制动。传统的电动葫芦控制系统都采用继电器一接触器等元件组成的硬件逻辑控制电路。 上世纪80年代在国外，特别是德国、芬兰、日本、英国、法国及保加利亚等国家的厂家，不仅相继研制生产出性能先进的电动单梁、悬挂和电动葫芦桥式起重机，还派生出先进适用的葫芦门式起重机、葫芦式抓斗起重机、葫芦吊钩抓斗两用起重机、葫芦吊钩抓斗电磁三用起重机、葫芦式旋臂起重机、葫芦式壁行起重机、葫芦桥式堆垛起重机及立体仓库用葫芦式巷逍堆垛起重机。葫芦式起重机品种、类型、规格的不断扩展及在起熏运输设备中所占比重的增加，将使各种类型的葫芦式起重机形成一种独立而重的起重运输设各体系。 世界工程起重机行业在最近的二十年发生了巨大的变化。RT(越野轮胎起重机)和AT(全地而起重机)产品的快速发展，在经济发展的趋势和市场檄烈的竞争下，导致一世界市场的进一步整合。目前，世界工程起重机年度销售已达约75亿美元。主要生产国为美国、日本、德国、法国、意大利等，世界顶级公司有10多家，世界市场主要集中在北美、日本/亚洲和欧洲。美国既是生产工程起重机的主要国家，又是最大的世界市场之一。由于起重机行业在日本、德国的崛起以及RT和AT产品的迅速发展，美国制造商已经在60年代到70年代的世界市场占据了主导地位受到削弱，形成鼎足之势的美国、日本和德国。近年来，美国经济好转，市场活跃，外国公司参与竟争。美国制造商强度也增加，特雷克斯起重机公司的崛起就是一个例子。特雷克斯起重机公司前身是美国科林起重机厂，自1995年以来，通过一系列的合井和收购(并购)活动，己经发展成为一个世界顶尖的公司，年销售额从1992年的1992美元到1998年的7.71亿美元，预计将在1999年超过10亿美元。 日本从70年代成为一个建筑起重机生产国家，产品质量和数量迅速增加，已出口到欧洲和美国市场，年度生产居世界第一。自1992年以来，由于日元升值，国内基础设施投资下降和亚洲金融危机，每年的产量在下降，年总产值从1991年约5100亿日元下降到1997年的3100亿日元左右1998年又比1997年下降1/3以上。1998年日本工程起重机总产量为25560台，其中，RT产品2087台，汽车起重机820台，履带起重机692台，随车起重机15032台，其他两类机种共7029台。RT产品年总产值达550亿日元，为各机种之首，其次为履带起重机，约400亿日元。日本5t以上的轮式起重机市场总销售量达6700台，目前日本市场年需求量为3000台。欧洲市场是潜力很大的市场。欧洲各工业国既是工程起重机的出口国，也是重要的进口国，德国是欧洲最大的市场，其次是英国、法国、意大利和其他国家。在德国产品的市场份额，利勃海尔占53%，格鲁夫(16%),德马泰克14%,多田野和特雷克斯分别占了10%和5%。国际联合工程起重机行业欲激荡，在联合风和起重机制造行业相似，在汽车工业、通用汽车、福特、雷诺、宝马、奔驰、大众和其他大公司的道路上联合，世界市场在这两个行业正在成为集成。想在成熟的世界市场取得增长和市场份额，快捷方式是收购竞争对手，其长期目标是争夺世界市场的主导地位。在起重机行业，进入世界市场意味着进入北美和日本/亚洲和欧洲市场。世界顶尖企业在世界市场拥有强大的影响力，但迄今还没有一个公司在三个市场处于主导地位。有四家公司已经建立了一个基地两大市场:格鲁夫和特雷克斯在北美和欧洲，许多领域在亚洲和欧洲，住友建机在亚洲和北美。 国内电动葫芦起重机以模仿形式生产和发展开始于1950年代。1949年7月,上海通用机械厂试制成功第一个复制德国德马格公司K型1.5t和3t一般使用钢丝绳电动葫芦，并开始小批量生产,但工厂切换到汽轮机是在1954年。1953年天津起重设备厂(原天津第七机械厂)复制前苏联在40年代的结核病式起重机试制1t和2t一般使用钢丝绳电动葫芦,定型为TV型电动葫芦。1954年,发明了一种3t和5t起重机,在1957年完成了0.25吨到5t修改设计和生产的一系列产品,而现在TV已经作为中国第一代的葫芦。以葫芦为起升机构的电动单梁，国内以天津起重设备厂为最早仿造原苏联40年代HK型桁架式单梁起重机，1954年开始试制，1956年批量生产，1957年由天津起重设备厂与北京起重机器厂联合对生产图纸进行了第一次修改，定型为A571型（1957年第一次整顿），为我国第一代电动单梁起重机，一直生产到1987年才被淘汰而停产（1987年1月起不准再生产）。以葫芦为起升机构的电动单梁悬挂起重机，国内仍以天津起重设备厂为最早仿造原苏联40年代∏K型桁架式单梁起重机，并进行了系列生产，为我国第一代电动单梁悬挂起重机，起重链条，也一直生产到1987年才被淘汰而停产（1987年1月起不准再生产）。 于1963年在天津的防爆电动葫芦起重设备厂开始生产设计,并先后出现了防爆电动单梁悬挂起重机系列产品。它于1964年由天津起重机起重设备厂设备厂、上海、重庆、定西起重机厂工厂,西安市起重机厂起重运输机械,起重机厂在沈阳和北京研究所联合设计、制备和开始生产CD,MD系列提升机,CD,MD型绞车为中国第二代葫芦,手扳葫芦,是目前的主流产品。 A571型电动单聊起重机和∏K型电动单梁悬挂起重机与CD、MD型葫芦配套使用，由于结构和性能等原因存在不少问题。1974年由天津起重设备厂对A571型电动单梁起重机和K电动单梁悬挂起重机进行了更新，自行设计生产了配用CD、MD型葫芦的DL型电动单梁起重机和DX型电动单梁悬挂起重机。1976年在DL型和DX型产品基础上经天津起重设备厂、开源起重机厂、重庆起重机厂、长沙起重机厂、洛阳起重机厂和北京起重运输机械研究所联合设计试制与生产，1977年定型为LD型电动单梁起重机和LX型电动单梁悬挂起重机，成为我国第二代电动单梁起重机和悬挂起重机产品，一直生产至今仍为国内主导产品。上世纪70年代我国又相继开发了LB型防爆电动单梁起重机、LXB型防爆电动单梁悬挂起重机以及LH型电动葫芦双梁起重机系列产品等。国产CD1/MD1电动葫芦串联结构的改进是在1975年，主要配置有：锥形电机、直齿调质齿轮、铸铁卷筒、铸造外壳、锥形盘式制动器、上挂运行小车；国产HC、QH、ZH型串联结构的改进是在1990年，配置和75年的是一样的；国产AS型电动葫芦引进串联结构是在1983年，配置有：锥形电机、直齿调质齿轮、铸铁卷筒、焊接框架外壳、锥形盘式制动器、上挂或侧挂运行小车。 LH型电动葫芦双梁起重机则是在70年代以武汉起重机厂为代表，自行开发设计的HC性电动葫芦作为起升机构的我国第一代电动葫芦双梁起重机。从上世纪70年代末到80年代初，葫芦式起重机已进入到一个引进开发的新阶段。天津起重设备厂引进了德国STAHL公司的AS型全系列钢丝绳电动葫芦技术；南京厂、北京起重设备厂和山海关起重设备厂三家联合引进了德国DEMAG公司的环链葫芦技术；进入80年代中期，以南京起重机械长为主联合设计开发了H型钢丝绳电动葫芦，重庆起重机厂为主联合设计开发了葫芦门式起重机系列产品,河北奔腾起重。引进的AS型葫芦技术具有80年代世界先进水平，我国的第三代葫芦必将以AS型为代表。 相比之下，鉴于电动葫芦控制系统的重要性，其国内控制系统技术研究方面无论从资金、人力、政策上投入的还远远不够。可能是由于国内相关研究起步较晚，学术研究数量与国外相比相差很远，专利申请更不乐观，产品性能与国外也有一定差距。为了改变这一局面，我们的高等院校和科研单位以及企业都应该自强不息，搞出自己的产品，彻底打破国外的垄断，为民族企业和走向国际化做出相应的贡献。 1.3 电动葫芦起重机的发展趋势 以葫芦为起升机构的电动单梁悬挂起重机，国内仍以天津起重设备厂为最早仿造原苏联40年代∏K型桁架式单梁起重机，并进行了系列生产，为我国第一代电动单梁悬挂起重机,起重链条，也一直生产到1987年才被淘汰而停产（1987年1月起不准再生产）。 1963年开始天津起重设备厂设计生产了防爆型电动葫芦，并相继出现了防爆电动单梁和悬挂起重机系列产品。1964年又开始由天津起重设备厂、上海起重设备厂、重庆起重机厂、定西起重机厂、西安起重机厂、沈阳起重机厂和北京起重运输机械研究所联合设计、试制并开始生产CD、MD型系列葫芦，CD、MD型葫芦为我国第二代葫芦,手扳葫芦，是目前的主流产品。 A571型电动单聊起重机和∏K型电动单梁悬挂起重机与CD、MD型葫芦配套使用，由于结构和性能等原因存在不少问题。1974年由天津起重设备厂对A571型电动单梁起重机和K电动单梁悬挂起重机进行了更新，自行设计生产了配用CD、MD型葫芦的DL型电动单梁起重机和DX型电动单梁悬挂起重机。1976年在DL型和DX型产品基础上经天津起重设备厂、开源起重机厂、重庆起重机厂、长沙起重机厂、洛阳起重机厂和北京起重运输机械研究所联合设计试制与生产，1977年定型为LD型电动单梁起重机和LX型电动单梁悬挂起重机，成为我国第二代电动单梁起重机和悬挂起重机产品，一直生产至今仍为国内主导产品。上世纪70年代我国又相继开发了LB型防爆电动单梁起重机、LXB型防爆电动单梁悬挂起重机以及LH型电动葫芦双梁起重机系列产品等。国产CD1/MD1电动葫芦串联结构的改进是在1975年，主要配置有：锥形电机、直齿调质齿轮、铸铁卷筒、铸造外壳、锥形盘式制动器、上挂运行小车；国产HC、QH、ZH型串联结构的改进是在1990年，配置和75年的是一样的；国产AS型电动葫芦引进串联结构是在1983年，配置有：锥形电机、直齿调质齿轮、铸铁卷筒、焊接框架外壳、锥形盘式制动器、上挂或侧挂运行小车。 从上世纪70年代末到80年代初，葫芦式起重机已进入到一个引进开发的新阶段。天津起重设备厂引进了德国STAHL公司的AS型全系列钢丝绳电动葫芦技术；南京厂、北京起重设备厂和山海关起重设备厂三家联合引进了德国DEMAG公司的环链葫芦技术；进入80年代中期，以南京起重机械长为主联合设计开发了H型钢丝绳电动葫芦，重庆起重机厂为主联合设计开发了葫芦门式起重机系列产品,河北奔腾起重。引进的AS型葫芦技术具有80年代世界先进水平，我国的第三代葫芦必将以AS型为代表。 国外电动葫芦是由芬兰KONE公司、日本Meiden公司、德国SWF公司在2000年到2001年才改进的。主要配置有：拄鼠笼型圆柱电机、斜齿硬齿面齿轮、钢管卷2000焦并联结构、电机置于卷筒内部筒、杆式框架组装式外壳、平面盘式制动器、平2000焦衡重式侧挂运行小车、水平轮导向。 2 PLC的应用 2.1 PLC的构成 从结构上分，PLC分为固定式和组合式（模块式）两种。固定式PLC包括CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。模块式PLC包括CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架，这些模块可以按照一定规则组合配置。 2.2 CPU的构成 CPU是PLC的核心，起神经中枢的作用，每套PLC至少有一个CPU，它按PLC的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。进入运行后，从用户程序存贮器中逐条读取指令，经分析后再按指令规定的任务产生相应的控制信号，去指挥有关的控制电路。CPU主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态总线构成，CPU单元还包括外围芯片、总线接口及有关电路。内存主要用于存储程序及数据，是PLC不可缺少的组成单元。在使用者看来，不必要详细分析CPU的内部电路，但对各部分的工作机制还是应有足够的理解。CPU的控制器控制CPU工作，由它读取指令、解释指令及执行指令。但工作节奏由震荡信号控制。运算器用于进行数字或逻辑运算，在控制器指挥下工作。寄存器参与运算，并存储运算的中间结果，它也是在控制器指挥下工作。 CPU速度和内存容量是PLC的重要参数，它们决定着PLC的工作速度，IO数量及软件容量等，因此限制着控制规模。 2.3  I/O模块 PLC与电气回路的接口，是通过输入输出部分（I/O）完成的。I/O模块集成了PLC的I/O电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。输入模块将电信号变换成数字信号进入PLC系统，输出模块相反。I/O分为开关量输入（DI），开关量输出（DO），模拟量输入（AI），模拟量输出（AO）等模块。　 常用的I/O分类如下：开关量：按电压水平分，有220VAC、110VAC、24VDC，按隔离方式分，有继电器隔离和晶体管隔离。模拟量：按信号类型分，有电流型（4-20mA,0-20mA）、电压型（0-10V,0-5V,-10-10V）等，按精度分，有12bit,14bit,16bit等。除了上述通用IO外，还有特殊IO模块，如热电阻、热电偶、脉冲等模块。按I/O点数确定模块规格及数量，I/O模块可多可少，但其最大数受CPU所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或机架槽数限制。 2.4电源模块  路提供电源用于为PLC各模块的集成电路提供工作电源。同时，有的还为输入电24V的工作电源。电源输入类型有：交流电源（220VAC或110VAC），直流电源（常用的为24VDC）。 底板或机架大多数模块PLC式PLC使用底板或机架，其作用是：电气上，实现各模块间的联系，使CPU能访问底板上的所有模块，机械上，实现各模块间的连接，使各模块构成一个整体。 2.5 PLC系统的其它设备 编程设备：编程器是PLC开发应用、监测运行、检查维护不可缺少的器件，用于编程、对系统作一些设定、监控PLC及PLC所控制的系统的工作状况，但它不直接参与现场控制运行。小编程器PLC一般有手持型编程器，目前一般由计算机（运行编程软件）充当编程器。也就是我们系统的上位机。 人机界面：最简单的人机界面是指示灯和按钮，目前液晶屏（或触摸屏）式的一体式操作员终端应用越来越广泛，由计算机（运行组态软件）充当人机界面非常普及。 2.6 PLC的通信联网 依靠先进的工业网络技术可以迅速有效地收集、传送生产和管理数据。因此，网络在自动化系统集成工程中的重要性越来越显著，甚至有人提出"网络就是控制器"的观点说法。PLC具有通信联网的功能，它使PLC与PLC 之间、PLC与上位计算机以及其他智能设备之间能够交换信息，形成一个统一的整体，实现分散集中控制。多数PLC具有RS-232接口，还有一些内置有支持各自通信的接口。PLC的通信现在主要采用通过多点接口（MPI）的数据通讯、PROFIBUS 或工业以太网进行联网。 2.7 PLC 的应用现状 自20 世纪60 年代中期以来PLC 产品在电力、冶金、化工等行业发挥了重大作用, 尤其近20 年来计算机和信息技术的飞速发展, 不断成倍扩大的功能和成倍降低的价格, 使PLC、通讯联网技术、过程控制软件都获得了长足进步, 也使PLC 的广泛应用成为可能。下面通过两组数据(引自工控网) 说明PLC 的应用现状。 PLC 在冶金行业的市场将持续增加2003 年中国的工业出现了快速增长, 工业产值同比增长在12% 以上, 而且中国的最大钢铁出口对象—美国在2003 年下半年取消了钢铁附加税自20 世纪60 年代中期以来PLC 产品在电力、冶金、化工等行业发挥了重大作用, 尤其近20 年来计算机和信息技术的飞速发展, 不断成倍扩大的功能和成倍降低的价格, 使PLC、通讯联网技术、过程控制软件都获得了长足进步, 也使PLC 的广泛应用成为可能。下面通过两组数据(引自工控网) 说明PLC 的应用现状。 PLC 在冶金行业的市场将持续增加2003 年中国的工业出现了快速增长, 工业产值同比增长在12% 以上, 而且中国的最大钢铁出口对象—美国在2003 年下半年取消了钢铁附加税钢材对其出口也将迅速回升。这些有利因素刺激了中国冶金行业的投资。据调查, 中国冶金行业对设备的投资同比增长接近50%。冶金设备的大量增长带动了PLC 在该行业的增长, 2003 年PLC 在冶金行业的市场达到216 亿元, 2004 年有望达到3 亿元。 PLC 在纺织行业的应用分析。在中国, PLC 在纺织机械上的运用已经有17 年的历史了, 从最早的进口合成纤维生产设备到目前的中小型纺机, PLC 无处不在。占各类纺织机械60% 以上的织机平均每台带有一个小型的PLC, 主要用于检测、报警、速度控制和机器启停控制。纺机的比例在纺织机械中不到5% , 却用到更多的PLC, 单台纺纱机最多用到17 台PLC, 主要是60 个IO 点以下的微型产品。梳棉机也用微小型PLC 控制。其它各类纺织机械基本上都采用PLC 控制, 只有一些相对简单的设备采用单片机或者其它控制方式。纺织机械的辅助设备也主要由PLC 控制, 如循环水系统、空调系统、蒸气系统、废水处理系统、包装线等。实际上PLC 在中国的应用已分布到各行各业, 根据工控网的调查, 2003 年中国控制类产品市场PLC的占有率已超过50% , 而且保持着10%～ 15% 的发展速度。 3 系统方案设计 对题目进行分析后，总结出电动葫芦起重机控制系统由以下各部分组成： 控制模块：PLC（S7-200）; 调速模块：变频器（MM440）; 执行机构：三相电机（2台）。 以及若干按钮、电缆等其它元件构成。 3.1 系统总体控制方案的选择 对于电气控制系统，其控制方案有很多种，如早期的继电器控制系统，还有现在的可编程控制器-PLC控制系统等，下面对其一一分析比较，并最终确立本系统所选用的控制方案。 3.1.1继电器-接触器的控制 电气控制课程是电专业的基础必修课，是继电接触器控制系统来实现的。它包含控制线路、主电路、照明电路及辅助电路组成，该系统是由接触器-继电器、主令电器和保护电器等元件组成，按照一定的控制逻辑接线组成的控制系统。其工作原理就是采用硬接线逻辑，利用继电器触点的串联或并联，及延时继电器的滞后动作等组成控制逻辑，从而实现对电动机或其他机械设备的起动、停止，反向、调速及多台设备的我顺序控制和自保护功能。 传统的继电器-接触器控制系统是由输入设备（按钮、开关等）、控制线路（由各类继电器、接触器、导线连接而成，执行各种逻辑功能的线路）和输出设备（接触器线圈、指示灯等）三部分组成。这是一种由物理器件连接而成的控制系统。 继电器控制线路成本低廉，控制方式直观、操作简单、维护调整方便，现场人员容易掌握使用等优点，它被广泛用于工矿企业的生产控制系统。但它体积较大，控制速度慢，改变控制功能必须通过改变接线来完成，比较麻烦和困难。适合简单控制。 3.1.2 PLC的控制 一直以来都是继电器-接触器来控制，20世纪60年代PLC诞生，它是一种新型的自动化控制装置，所以PLC控制是由继电器接触器控制发展而来的。目前随着PLC技术的发展和应用，PLC控制系统逐渐取代继电器接触器控制系统，在实际工作中，如何选择使用哪种方法，我们就要弄清楚这个产品要实现的功能，另外还有价格问题，如果是功能相对简单的就没有必要使用PLC了，还是用继电器－接触器控制。 可编程控制器PLC是微机技术与传统的继电接触控制技术想结合的产物，它克服了继电接触控制系统中的机械触点的接线复杂、可靠性低、功耗高、通用性和灵活性差得缺点，充分利用了微处理器的优点，又照顾到现场电气操作维修人员的技能和习惯，特别是PLC的程序编制，不需要专门的计算机编程语言知识，而是采用了一套以继电器梯形图为基础的简单指令形式，使用户程序编制形象、直观、方便易学；调试与查错也都很方便。用户在购到所需的PLC后，只需要按照说明说的提示，做少量的接线盒简易的用户程序编制工作，就可灵活方便地将PLC应用于生产实践。 采用PLC控制,电动绞车运动过程如下： 当按下启动按钮,电动葫芦从原点开始下降,下降到底,直到碰到下限位开关停止。同时打开定时器,定时器电动葫芦,上升到顶部,碰到上限开关,停止上升。此时,电动葫芦右移,直到遇到正确的限位开关,这时右移停止。电动葫芦下降碰到下限开关而停止。结束时的开关在计时器同时定时,电动葫芦上升,上升到顶部直到遇到上限位开关,而停止上升。在这一点上,电动葫芦左移、左移遇到左起源限位开关,左移停止。电动葫芦一个运动周期完成。 图3.1  电动葫芦的动作过程 继电器－接触器控制是电专业必须科目，是基础科目。是学习ＰＬＣ的前奏，学PLC可编程控制不能脱离继电器－接触器控制，两者紧密相关。初次接触电气控制此学科，必须先从低压电气入手，掌握各元件的性能结构、用途，并能正常使用与维护，有了这些基础根据需要构成线路，从而带动电动机运转，实现工业的需要。 3.1.3 PLC控制与继电器-接触器控制相结合 由于PLC控制方案与继电器－接触器控制方案存在区别：控制中采用的逻辑部件不同，继电器－接触器控制全部用硬触点和“硬”线连接；PLC内部大部分采用“软”触点和“软”线控制；控制系统的结构和体积不同，继电器－接触器控制系统使用的电气元件多，体积大且故障率大，PLC控制系统结构紧凑，使用的电气元件少，体积小。 控制中电器的触点不同，继电器－接触器控制中全部以机械式的硬触点，动作慢，弧光放电严重，寿命短，而且使用次数有限；PLC内部全部为“软”触点，动作快、寿命长，使用次数无线。 灵活性不同，继电器－接触器控制方案的改变，需拆线，重新再接线，乃至更换元器件，比较麻烦；PLC控制方案的改变，一般不需要修改硬件，只需要修改程序即可，及其方便。 难度程度不同，继电器－接触器元件使用简单易懂，PLC指令多，复杂。所以，在三种控制方案中，综合考虑各方面因素，应该选择一种综合性控制方案：PLC控制与继电器-接触器控制相结合的方案。这种方案既结合了两者的优点，又避免了两者的缺点，是最佳方式。 3.2 控制模块（PLC）的选型及其相关介绍 3.2.1 PLC的选型 PLC（可编程控制器）广泛应用于目前的工业控制领域，在可编程控制器出现之前，一般要使用成百上千的继电器以及计数器再能组成有相同功能的自动化系统，而现在，经过简单的可编程控制器模块基本上已经代替了这些大型装置。可编程控制器的系统程序一般在出厂前已经初始化完毕，用户可以根据自己的需要自行编辑相应的用户程序来满足不同的自动化生产要求。 现在，PLC的种类繁多功能强大，因此用户们选择的余地也比较多，同样的选择一款合适的PLC控制器也是对整个自动化系统相当重要。 本设计的电动葫芦起重机采用西门子S7-200系列可编程控制器，且选择CPU型号为CPU224。 3.2.2 PLC的相关介绍 PLC的定义：可编程控制器（PLC）是一种数字用算的操作的电子系统，转为工业算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作命令，并通过数字式和模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关外围设备，都极易于与工业系统连成一个整体、易于扩充其功能的原则设计。 PLC的分类，可按结构分类:1） 3.3 电动机的选型 3.3.1电动机的类型 电动葫芦属于小型起重机械，通常选用交流异步电动机，常用的电机型号为YZR、YZ、YEJ、ZD等。参考业内对于电动葫芦起升机构所选用的电动机类型，在本设计中将采用ZD型锥形转子异步电动机。这种电动机由锥形定子，锥形转子，制动弹簧和装在风扇及端盖上的制动环组成。当电动机通电后，除产生使转子旋转的电磁力外，气隙磁场还在转子锥形面产生轴向力，使转子产生轴向位移，压缩弹簧并使锥形制动环与后盖分离，电机正常运转。断电后，轴向磁力消失，转子在制动弹簧压力下轴向复位，使锥形制动环与后盖制动体接触，产生摩擦制动力矩，使转子停止。 3.3.2 电动机容量的确定 电动机容量的确定原则是在规定的工作方式下，电动机温升不超过容许值，保证有足够的启动转矩和过载能力。 1） 电动机初选型号    首先应该计算稳态平均功率，对于不同的工作机构，可根据载荷和速度，按下式求出稳态的平均功率。对于起升机构： 式中 ——起升机构电动机的稳态平均功率 ； ——稳态负载平均系数， ； ——额定起升载荷， ； ——起升速度， ； ——机械总效率，取 。 即  所以，初选ZD31-4型号的电动机，额定功率 。 2） 电动机的过载校核 起升机构电动机的过载校核公式为： 式中 ——基准接电持续率时的电动机额定功率 ； ——额定起升载荷， ； ——起升速度， ； ——机械总效率，取 ； ——基准接电持续率时，电动机转矩允许的过载倍数，取 ； ——考虑电压降、最大转矩存在误差等因素的系数，取 。 即  初选的电动机不能满足要求，所以电动机选用ZD32-4型，额定功率 。 3） 电动机的发热校核 设电动葫芦的使用年限为8年，每年工作300天，每天八小时工作制，两班倒，则电动葫芦的预期寿命 。 对电动机进行发热校核时，首先按下式计算电动机所需的接电持续率 ： 式中 ——电动机所需的接电持续率； ——计算得到的稳态平均功率， ； ——基准接电持续率时的电动机额定功率， ； ——一个工作循环的时间， ； ——一个工作循环中电动机实际工作的时间， 。 即  ，故满足要求。 4） 制动力矩的验算 起升时作用在电动机轴上的转矩为： 下降时，作用在电动机轴上的转矩为： 式中 ——额定起升载荷， ； ——卷筒绕直径， ； ——滑轮组倍率， ； ——传动比，电动机额定转速和卷筒转速之比， ； ——上升时机械总效率，取 ； ——下降时机械总效率，取 。 即  ； 。 制动力矩需满足下式： 式中 ——制动器的制动力矩， ； ——制动安全系数，取 。 即  ，故满足要求。 4 系统硬件电路设计 4.1 主电路设计 4.2 控制电路设计 5 结论 根据传统的电动葫芦起重机控制系统都采用继电器—接触器等元件组成的硬件逻辑控制电路，不但接线复杂，而且经常出现故障，可靠性较差等缺点。设计了一种基于PLC控制与继电器-接触器控制相结合的电动葫芦起重机，大大减少继电器等硬件逻辑单元的数量，操作起来既安全又方便。而且大大提高了电动葫芦起重机电气控制系统的稳定性可可靠性，从而提高钻床的品质和生产效率。另外，通过电机的升降和平移的电路设计，让大学所学知识有了很好的发挥作用空间。由于时间和本人水平有限，本文的许多工作还需要继续深入展开。本文有些研究在模拟环境下进行的，并且简化了许多功放模型，因此应用到硬件实现时还需要认真考虑实际情况与理论之间的差异。论文中还存在很多不足之处，恳请各位不吝指正。 参 考 文 献 [1] 成大先.机械设计手册[M].北京:化学工业出版社,2004. 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