一体化 电子信息毕业论文 变频器PLC在新型动臂吊车控制中的应用

编号：山西综合职业技术学院毕业论文题目：变频器、PLC在新型动臂吊车控制中的应用教学系机电信息系专业班级学生姓名指导教师姓名山西综合职业技术学院二〇〇九年五月十五日山西综合职业技术学院毕业论文（设计）任务书教学系机电系专业机电一体化班级毕业论文（设计）目的毕业论文是一种总结性的实践教学形式。通过毕业论文的完成与答辩，按照各专业培养目标规定的业务要求，对学生的基本能力进行较系统、严格的训练，全面提高学生的素质。毕业论文（设计）的内容与要求毕业论文应结合生产实际、专业技术的发展或学生的就业岗位来完成。要选择适宜的论文题目，通过查阅有关资料和到厂家现场收集资料，任职地进行调查、分析研究，酝酿并制定试验（设计）方案。实验要严谨，设计要精心。在论文（设计）完成过程中不盲目照搬、互相抄袭。完成全部或部分实验内容（或社会调查），并能达到预期的目标，独立完成毕业论文课题（论文实验、社会调查、论文写作等）。毕业生自主选题，既要结合本单位或本人从事的工作，又要有明确的实际背景和应用。毕业（设计）论文的内容可以是自己的工作项目，可以是某个科研项目，也可以是自选的设计内容，还可以使某个研究领域方向或研究成果的总结。毕业（设计）论文的选题应选择有价值的课题并注意是否有利于展开。自主选题时，毕业学生要注意如下几个问题：⑴选题方向与专业对口。⑵选题要考虑主客观条件，对自己有正确的客观估计，选出最适合自己的课题来。⑶选题时间宜适中，以便有充分的时间积累材料。⑷课题难易要适度。⑸课题大小要得当。论文内容一般包括：⒈封面，⒉摘要，⒊关键词，⒋目录，⒌符号说明，⒍论文正文，⒎参考文献，⒏附录，⒐致谢，⒑毕业论文独创性说明等。毕业论文（设计）具体安排⒈格式要求，文字格式一律参照《毕业论文（设计）的撰写规范》的要求。⒉毕业论文（设计）篇幅的要求；不少于5000字。开始日期年月日完成日期年月日指导老师（签名）系主任（签名）年月日摘要本文介绍应用欧姆龙PLC、变频器、触摸屏对新型动臂吊车控制系统进行设计，以及配件的组成、控制方式、参数设置。并对调试运行过程中出现的问题进行总结、分析、解决。分析了桥式吊车的控制要求，针对传统桥式吊车故障的原因，介绍了利用变频器结合PLC对其进行改造的可行性及实现方法。实践证明应用欧姆龙PLC、变频器、触摸屏很好的解决了新型动臂吊车的矢量控制，运行效果良好，取得了一定的社会效应和经济效益。关键词：欧姆龙变频器PLC触摸屏控制动臂吊车引言吊车广泛应用于国民生产的各个行业，对于新型吊车的研发、制造、控制理论研究也进入了一个新的高度、阶段。此新型吊车从设计原理上进行观念性地改进.由原先建筑设备静臂吊车的绞缆提升改为动臂的俯仰、提升同时动作，完成重载提升的功能,这项改进将明显降低设备的制造和运行成本，与传统吊车设备相比预计将达到近50%的节能效果。新型吊车的特点是节能、控制简便、灵活调速、精准定位、安全可靠性高等。为了实现上诉功能，尤其适应国家提出的可持续发展，节能降耗。而且新型吊车采用了触摸屏协助操作并显示、PLC控制、变频器执行的控制方法。笔者有幸参与大连佳云高层建筑机械有限公司研制国内首创的动臂吊车的开发过程，并负责电气设计、安装及调试工作。在这个项目中采用欧姆龙触摸屏、PLC、变频器。现将控制方式、过程介绍一下，力求能够抛砖引玉。1动臂吊车调速基本原理根据电机学理论，交流电动机的转速公式为：n=60f(1-s)/p上式中：f为定子的电源频率，p为极对数，s为转差率，n为转速。因此，交流电机可有以下几种调速方法：(1)改变电机极对数p，可以改变电机转速。这是交流双速梯采用的调速方法。(2)通过调整定子绕组电压大小来改变转差率s,以达到调速目的。这是交流调速梯采用的调速方法。(3)改变定子电源频率f也可达到调速目的，但f最大不能超过电机额定频率。(4)吊车作为恒转矩负载调速时为保持最大转矩不变，根据转矩公式M=CmФIcosφ式中Cm为电机常数，I为转子电流，Ф为电机气隙磁通，cosφ为转子功率因数。必须保持Ф恒定，又根据电压公式U=4.44fWkФ，式中U为定子电压，f为定子电压频率，W为定子绕组匝数，k为电机常数，必须保持U/f为常数，即变频器必须兼备变压变频两种功能简称为VVVF(VaryVoltageVaryFrequency)型变频器,这就是动臂吊车的基本控制原理。2系统组成2.1PLC可编程控制器PLC完成系统逻辑控制部分，负责处理各种信号的逻辑关系，从变频器及其它被控设备接收开关及模拟量信号，通过运算控制信号送给变频器及其它被控设备，形成双向联络关系，它是系统的核心。本系统采用欧姆龙CJ系列PLC进行控制。2.2触摸屏本案中触摸屏是作为显示和控制的终端设备，显示各被控设备的工作状态。选用欧姆龙的NS系列触摸屏。2.3变频器变频器实现电动机调速。欧姆龙3G3RV-B4450-ZV1通用变频器可实现平稳操作和精确控制，使电动机达到理想输出。并将无PG的U/f控制、无PG矢量控制、有PG的U/f控制、有PG矢量控制的四种控制方式融为一体，其中有PG矢量控制是最适合吊车控制要求的。容量选择最好是采用大一数量级选配，本例中吊车电动机采用37kW的异步电动机，即37kW的电动机选45kW的变频器,图1示出电气原理图。2.4行运算调节旋转编码器和PG卡旋转编码器和PG卡，实现闭环运行。为满足吊车的要求，变频器又要通过与电动机同轴连接的旋转编码器和PG卡，完成速度检测及反馈，形成闭环系统。旋转编码器与电动机同轴连接，对电动机进行测速。旋转编码器输出A、B两相脉冲，旋转编码器根据AB脉冲的相序，可判断电动机转动方向，并可根据A、B脉冲的频率测得电动机的转速。旋转编码器将此脉冲输出给PG卡，PG卡再将此反馈信号送给变频器内部，以便进。3改造后系统的基本情况3.1系统的组成在现代工业控制中，PLC由于具有可靠性高，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得到了广泛的应用，由于本系统主要是一些逻辑控制，所以以PLC作为控制核心，整个系统的输入26点，输出点27点，可选用三菱FX2N-64MR，该型号是PX系列中功能最强速度最快的PLC，它有32个输入点，32个输出点，内置用户存储器为8K步。对于桥式吊车抓斗的开合、提升、大车、小车电机分别用四台FRNIC5000G7型变频器拖动；对抓斗的开合电机、提升电机由原来45KW的绕线式电机改为30KW鼠笼型电机，大车小车的配用电机不变，但将转达子绕组引出线短路，去掉碳刷和滑环；为使工作安全和可靠，防止因停电、变频器跳闸或制动单元失灵而导致起吊物下砸出现危险，原有机械抱闸制动装置仍保留。3.2调速系统的工作情况桥吊中电机所带负载都为恒转矩负载，抓斗开合、大车、小车电机都运行在1、3象限，均为电动状态，抓斗提升电机可运行在1、3、4象限，采用变频调速，机械特变硬，当负载转矩变化时，电机转速基本不变。桥式吊车的速度调节可利用变频器的多级频率选择功能，将FWD、CM接通则正转，REV、CM接通则反转，将X1、CM，X2、CM，X3、CM三对端子分别接通，或其中两对或三对同时接通，可得7种频率，从而可方便地得到桥吊所要求的正反两个方向各6种速度。应现场工作人员的要求，为照顾操作习惯，桥吊的转速控制仍采用原来的主令控制器和凸轮控制器。利用主令控制器的五对触头，来得到变频器输出的6种转速。电机加减速的时间可以通过变频器的设定来进行改3.3PLC控制接线及程序设计整个系统有五台电动机、四台变频器，PLC的输入输出点数较多，各变频器与PLC的连接情况类似，为说明问题，在此仅以抓斗提升变频器与PLC的连接为例，说明其工作情况。系统中PLC的部分I/O分配。由于系统中五台电机（其中M3、M4是并联运行，两者控制情况完全一样）的运行情况主要由输入直接控制，所以系统的梯形图程序的设计可以根据各输入和电机的运行关系采用经验法设计，利用起保停电路直接由输入信号得到各电机和制动电磁铁的得电和失电情况，4系统设计4.1PLC绕线电机改造方案此种方案只需对原交流控制器进行编程即可，为了节省I/O点，改为有主令控制器控制电机的正反转、前后行走和钩子的升降。电机的提速与减速有两个按钮开关进行控制。本系统有20路输入、30点输出共50点，采用西门子S7-200(CPU为224)PLC，其扩展2块数字量模块EM222、1个EM223模块。(2)公用程序设置公用程序可以充分利用PLC的I/O点，减少外部接线，其程序主要是实现电机的正反转、与提减速，其间用辅助继电器输出为后面的程序调用作准备。该程序主要用比较的指令来实现电机的提减速，在按I0.1或I0.2时，使存储器VB100中存储的数字在1~5间顺序变化，控制串入转子电阻的数量来实现调速，其部分程序如下。LDI0.4EULDM11.0EDOLDLDM11.1EDOLDLDQ0.0EDLDB=VB100,0=M10.0LDB=VB100,5=M10.2LDNM10.2AI0.5EULDM11.0OM11.1LDNM10.0AI0.6EULDM11.0OM11.1LDB=VB100,1=M10.3LDB=VB100,2=M10.4LDB=VB100,3=M10.5LDB=VB100,4=M10.6LDB=VB100,5=M10.7LDB=VB100,0=Q0.1(3)电机控制程序电机控制程序只需将公用程序中的辅助继电器与电机相应的输出对应起来即可。由于程序比较简单，这里不再详述。4.2PLC变频器改造方案桥式起重机有大车2台、小车电机1台、主钩电机1台、副钩电机1台，共五台电机，由于大车2台电机是同步，因此在改造过程中共用一对号变频器进行控制，这样共需要4台变频器。结构图2所示。图2方案结构图(1)输入、输出点的确定及设备选型本系统共有输入点:14点，输出点:24点，共38点。(2)控制程序设计在设计程序时，可以继续采用方案一中的设计方法，将主令控制器的程序作为公用程序，节省部分输入点。在设计公用程序时根据不同型号的变频器速度输入的编号对进行编程。PLC输出除电源外，其它均采用小型继电器，程序通过控制小型继电器动作来实现电动机的正反转、升降、前后行走及速度调节。由于程序设计与方案一大致相同，其速度输出程序如下。LDNI0.1//停止按钮AQ0.0//电源启动LPSLDB=VB100,1//一档OB=VB100,2//2档OB=VB100,3//3档OB=VB100,4//4档OB=VB100,5//5档ALDLPSAI0.3=Q0.1//正转LPPAI0.4=Q0.2//反转LRDLDB=VB100,1OM10.0OM10.1ALD=Q0.3//变频速度输出选择1LRDLDB=VB100,2OM10.0ALD=Q0.4//变频速度输出选择2LRDLDB=VB100,4OM10.1OB=VB100,3ALD=Q0.5//变频速度输出选择3=M10.0LPPAB=VB100,5=M10.15原系统分析：桥式起重机(天车)是一种用来起吊、放下和搬运重物、并使重物在一定距离内水平移动的起重、搬运设备，在生产过程中有着重要应用。5吨桥式起重机，原设备电气驱动系统分为起重机升降、小车、大车三部份。其中起重机升降由一台13kW的绕线式异步电动机驱动，大车由两台4kW绕线式异步电动机、小车由一台2.5kW绕线式异步电动机驱动。在原传动控制中，采用转子串接电阻的调速方式.由于工作环境差,粉尘和有害气体对电机的集电环、电刷和接触器腐蚀性大，加上工作任务重,实际过载率高,由于冲击电流偏大,容易造成电动机触头烧损、电刷冒火、电动机及转子所串电阻烧损和断裂等故障,影响现场生产和安全,工人维修量和产生的维修费用也很高.并且原调速方式机械特性较差,调速不够平滑，所串电阻长期发热浪费能量。综上所述原设备存在的主要缺点如下：（1）拖动电动机容量大，起动时电流对电网冲击大，电能浪费严重。（2）起重机升降、小车、大车起动、停止速度过快，而且都是惯性负载，