plc的行車控制[1]

1、德州學院 機電工程系 2007屆 自動化專業(yè) 畢業(yè)論文（設計） PLC在行車控制系統(tǒng)中的應用摘要：行車起重系統(tǒng)主要應用在冶金、機械制造等重型企業(yè)，是一種既能垂直提升又能水平移動重物的機械組。行車的主要任務是把負載吊起并移動到預定的位置.本文是以電鍍車間的行車工藝流程為背景，研究基于PLC的自動控制系統(tǒng)，對系統(tǒng)的調速性能、穩(wěn)定性、精度、可靠性等方面作了研究。關鍵詞: 行車； 交流調速； PLC1 緒論1.1 研究行車起重控制系統(tǒng)的意義 行車起重控制系統(tǒng)主要應用于重型機械制造、冶金等行業(yè)。行車既不同于僅作垂直移動的電梯、升降機等，又不同于水平輸送谷物、煤炭等大量物料的傳送機，它是一種既能垂直提升又

2、能水平移動重物的機械組。行車控制系統(tǒng)是由左/右、前/后及上/下三個運動組成，它們分別由三個三相交流電動機拖動，通過正/反轉控制實現正/反方向的移動。這種行車的主要任務是把負載吊起并移動到預定的位置。為了確保負載能準確快速的到達目標位置，控制攜帶負載的平臺使負載在預定的位置無振蕩地停下來非常重要。目前行車控制方式大概有兩種:一種是手動控制，一種是自動控制。手動控制中就需要駕駛員能根據現場的要求控制行車平移、起升;自動控制是根據生產車間的工藝流程，利用程序實現行車的自動運行。行車系統(tǒng)控制精度完全取決于交流電機調速控制的精度，這就要求電機控制能夠平穩(wěn)的加速和減速。因此，研究行車起重控制系統(tǒng)中的交流調

3、速控制技術對行車的發(fā)展有著重要的意義 。1.2 交流調速發(fā)展概況 經過約30年的發(fā)展，目前，交流調速系統(tǒng)在性能上可和直流調速一樣，但它克服了直流調速系統(tǒng)現存的缺點，且發(fā)揮了擴大交流電機的容量、維護省力、造價低、堅固耐用、事故率低等優(yōu)點。所以，近些年來交流調速傳動在國內外引起了人們極大的重視且得到了飛躍發(fā)展。交流電動機與直流電動機相比，有結構簡單、牢固、成本低廉等許多優(yōu)點，缺點是調速困難1 ?，F在，借助于電力電子技術己經很好地解決了交電動機的調速問題，所以交流調速傳動已進入與直流調速傳動相媲美、相競爭并逐漸占據主導地位的時代。據日本早年統(tǒng)計，1975年銷售的交流調速裝置與直流調速裝置之比為1:

4、3，而到了1985年，反過來成為3:1，這種趨勢近10年來發(fā)展更快。因此可以相信本世紀，工業(yè)發(fā)達國家中，交流調速必將占據主導地位2。下面列舉近代交流調速控制技術發(fā)展的十個方面，它們相互之間既有聯(lián)系又有區(qū)別，形成了各自的控制特點，現正在不斷豐富、充實和發(fā)展中： (1)相位控制它主要應用于“直一交”變頻器和“交一直一交”變頻器中的整流控制器，同一般整流控制原理一樣，采用相位控制原則。 (2)VVVF控制為保持恒磁通變頻控制(或恒轉矩控制)原則，要求變壓變頻控制(即VVVF控制)，這是協(xié)調控制條件所要求的。通常把這種變頻裝置也稱為VVVF裝置。 (3)轉差頻率控制在調速過程中保持有限的轉差頻率值進行

5、控制，可以獲得高效調速方式。這種方式系統(tǒng)簡單，需要測速機檢測，是當前常用的高性能轉差頻率矢量控制的基礎。 (4)脈寬調制(PWM)控制脈寬調制型變頻器由于具有功率因數高和輸出波形好的特點，近年來發(fā)展較快。 (5)矢量變換控制矢量變換控制是一種新的控制理論和控制技術。其控制思想是設法模擬直流電機的控制特點對交流電機進行控制。它分有磁場定向式矢量控制和轉差頻率式矢量控制兩種模式，前者調速精度高，需要磁通檢測準確;后者只用測速機控制，系統(tǒng)簡單，調速精度不如前者，兩者均屬高性能交流調速系統(tǒng)。 (6)磁場控制近年來，從磁場的觀點控制交流電動機，同PWM控制一樣有所發(fā)展，它分有磁場軌跡法和異步電動機的磁場

6、加速法。 (7)微機控制微型計算機、微處理機用于交流調速的控制系統(tǒng)及單元，使交流調速系統(tǒng)除具有控制功能外，還向著多功能(包括監(jiān)視、顯示、保護、故障自診斷及自復原等)方向發(fā)展。 (8)現代控制理論的應用原來認為現代控制理論用于交流調速傳動是比較遙遠的事情，現在看來不僅成為現實，而且發(fā)展很快。 (9)直接轉矩控制這種系統(tǒng)結構簡單，對電機參數變化不敏感，實現轉矩、磁通閉環(huán)控制，可獲得良好的調速性能，是一種高動態(tài)的PWM控制系統(tǒng)。(10)多變量解藕控制利用現代控制理論設法將多變量、強藕合非線性系統(tǒng)解禍成兩個單變量系統(tǒng)，再借用古典控制理論設計調節(jié)器參數，最終抵消藕合支路實現解藕控制3。1.3 PLC的產

7、生和發(fā)展可編程控制器問世于1969年。20世紀60年代末期，當時美國的汽車制造工業(yè)非常發(fā)達競爭也十分激烈。各生產廠家為適應市場需求不斷更新汽車型號，這必然要求相應的加工生產線隨之改變，整個繼電器控制系統(tǒng)也就必須重新設計和配置。這樣不但造成設備的極大浪費，而且新系統(tǒng)的接線也十分費時。這種情況下，采用繼電器控制就顯出有過多的不足。正是從汽車制造業(yè)開始了對傳統(tǒng)繼電器控制的挑戰(zhàn)，1968年美國General Motors(GM)公司，為了適應產品品種的不斷更新、減少更換控制系統(tǒng)的費用與周期，要求制造商為其裝配線提供一種新型的通用程序控制器。1969年，美國數據設備公司（DEC）研制出世界上第一臺可編程

8、控制器，并成功的應用在GM公司的生產線上。其后日本、原聯(lián)邦德國等相續(xù)引入，使其迅速發(fā)展起來。但這一時期它主要用于順序控制，雖然也采用了計算機的設計思想，但當時只能進行邏輯運算，故稱為可編程邏輯控制器，簡稱PLC（programmable logic controller）4。 1.4 論文研究的內容(1)深入研究冶金行業(yè)起重系統(tǒng)的運行特性，以利于設計滿足冶金行業(yè)起重系統(tǒng)要求的交流電機調壓控制系統(tǒng); (2)研究交流電機調壓調速的原理以及其在交流電機的調速控制中的應用; (3) 研究設計基于PLC的行車起重電氣控制系統(tǒng)2 交流異步電機的調速控制系統(tǒng)設計當異步電動機電路參數不變時，在一定轉速下，電動

9、機的電磁轉矩Te與定子電壓U的平方成正比。因此，改變定子外加電壓就可以改變其機械特性的函數關系，從而改變電動機在一定輸出轉矩下的轉速。異步電動機調壓調速是一種比較簡單的調速方法，在20世紀50年代以前主要利用自禍變壓器(小容量時)或飽和電抗器串在三相電路中調速，其原理圖如圖2.1(a)和(b)所示。自禍變壓器TU的調壓原理不言自明。飽和電抗器LS是帶有直流勵磁繞組的交流電抗器，改變直流勵磁電流可以控制鐵芯的飽和程度，從而改變交流電抗值。鐵芯飽和時，交流電抗很小，因而定子電壓降低，實現了降壓調速5。異步電動機變壓調速的原理如圖2.1所示，其中TU表示自藕變壓器，LS表示飽和電抗器，VVC表示雙向

10、晶閘管交流調壓器。自禍變壓器和飽和電抗器的共同缺點是設備龐大笨重，近年來隨著電力電子技術的發(fā)展，多采用晶體管來實現交流調壓，如圖2.1(c)，采用三對反向并聯(lián)的晶閘管或三個雙向晶閘管分別串接在三相交流電源線路中，再接到電機定子繞組上，通過控制晶閘管的導通角，可以調節(jié)電動機的端電壓，這就是晶閘管交流調壓器。交流調壓器與可控整流器一樣都是利用相位控制，在工作原理上有其相似之處，只是在帶交流電機負載的波形分析、雙向晶閘管的觸發(fā)控制等方面有特殊的問題6。圖2.1 異步電動機變壓調速原理圖2.2 總體方案設計 交流電動機調速控制系統(tǒng)的基本任務是實現繞線電動機的起升、平移運動。在起升或平移運動時，能在兩個

11、運動方向上均達到三個獨立于載荷的慢速，即10%、20%和30%的速度，選擇全速(100%速度)就是使得電機沿斜坡加速到全速。同時，交流電動機調速系統(tǒng)應有安全監(jiān)測功能，在系統(tǒng)工作前，安全電路應監(jiān)測是否有相序錯誤，相位極度不平衡和三相供電的電壓過度降低等故障。提供電氣聯(lián)鎖，保證在發(fā)生供電故障、相序錯誤或主令在再次起動前沒有回零等情況時，電動機不能運行7。整個電動機調速系統(tǒng)的結構框圖如圖2.2所示電機主令控制邏 輯 控 制 電 路供 電 瞬 態(tài)保 護 電 路相位保護電路觸發(fā)模塊制動電機轉向轉子電阻控制反饋控制圖2.2 交流電機調速裝置結構圖 測定電機速度則通過檢測轉子頻率，外接的換向接觸器在零電流和

12、零電壓時切換，用于改變機構的運動方向。 設計此系統(tǒng)時，我們按照工況和實際經驗，對設備的工作情況加以說明:系統(tǒng)工作前安全電路即監(jiān)測是否有相序錯誤，相位極度不平衡和三相供電的電壓。過度降低等故障。提供電氣聯(lián)鎖，保證在發(fā)生供電故障、相序錯誤或主令在再次起動前沒有回零等情況時，電動機不能運行。加到電機的電壓是經過一個斜坡后加上的，以保證對電機和齒輪箱施加較小的機械沖擊力。這樣保證了恒定平穩(wěn)的地進行快速點動，促使他有效地使用慢速。在兩個運動方向上均達到三個獨立于載荷的慢速，即10%. 20%和30%的速度。選擇全速(100%速度)就是使得電機沿斜坡加速到全速。對于起升系統(tǒng)，兩個加速接觸器分別在25Hz

13、( 50%速度)和12.5Hz ( 75%速度)下動作，以平穩(wěn)加速到全速。加速過程中的峰值切換電流限制在滿載時電機電流的兩倍左右。接觸器也是零電流動作的8。2.3 起升運動和平移運動起升運動:當用主令控制器選擇四個擋位(10%, 20%, 30%, 100%)起升速度中的某一擋速度時，控制系統(tǒng)將使起升接觸器吸合。電機通電，短時之后，制動器釋放。選擇三個慢速的某一個慢速后，電機速度即被調整到所要求的速度上。如果選擇全速，則電機將平穩(wěn)地加速到全速。當將主令從全速拉回到某一個慢速擋上時，加速驅動的力矩將從電機上移除直到達到所需速度。如果在某一個擋位主令回零位，則制動器立即抱閘，在一秒左右后電機失去供

14、電9。平移運動:當用主令選擇平移速度的某一個擋時，只要起重機運行有阻力，控制器就會控制電機維持在這一選擇速度上。如果這樣的阻力移開不存在了，就是說相當于起重機上有額外風力而產生的力推動，則起重機允許被加速到超過額定擋位速度的10%左右，而此時則反向接觸器才吸合以增加阻力。電機的減速是在不超過滿載起動力矩的力矩下進行的，直到達到所要求的低速(略過一點)。如果此時有額外風力向前的推力在作用，則反向力矩被加入以維持要求的正常模式中運行。因為只有電機速度超過所需要的額定速度的10%時反向接觸器才動作，所以速度轉換，比如從30%設置到20%的速度設定，不會將反向接觸器接入。從20%設置到10%設定也是一

15、樣的。電機的電壓不是急速陡然加上去的，而是經過一個斜坡平滑加上去的。特別要注意，控制的速度與轉子反饋的頻率是一一對應的。在回零位時，由于設計考慮最大頻率轉差2%時反向接觸器動作，所以在標準正常情況下，電機被裝置控制關斷電源是在52HZ或4%速度時。特殊要求時，在10%,20%和30%的速度位置回零時，可以設計成不需反向接通的控制方式來制動10。2.4 重載下降和再生發(fā)電當選擇(通過主令)三個慢速中的某一個速度時，這個控制系統(tǒng)將使起升接觸器吸合，電機被通電。短時后，制動器釋放，如為重載，接觸器一直保持吸合，使電機產生所需要的反向力矩，維持選定的低速。 如果某一低速被選定了，則額外的反力矩就加到了

16、電機上，直到電機達到選定后的速度。如果在任何一個擋位主令回零位，額外力矩則被加上以使電機停止。一旦電機經過該電制動過程而停轉，則制動器抱閘，在此之后大約0.6秒，電機才被斷電。如果反向制動力矩持續(xù)超過1秒鐘時間，此時電機即使未停轉，制動器也將抱閘。當選擇滿速下降時，此控制系統(tǒng)促使下降接觸器吸合。電機接著通電，短時后制動器釋放，則電機在下降方向上全速轉動。載荷倒拉電機而下降11。2.5 輕載下降極輕的載荷下降過程，控制略有不同。這時起升接觸器也吸合，電機通電，短時后制動器釋放。但如果電機在1.5秒之內不轉動，則起升接觸器將被釋放，而后下降接觸器吸合。然后電機被反向驅動直到達到選定的速度。如果操作

17、中由于某種原因，載荷對起重機而言變成了重載，本系統(tǒng)將使電機自動轉換到反向制動力矩下降模式，這種做法主要是出于安全因素原因。因為除了輕載下降外，其它模式下起升接觸器首先被吸合。這就在任何情況下形成了一種安全操作載荷的模式12。我們充分考慮了電機和制動器的相互作用，據此正確設計了電機與制動器的控制順序，使載荷被非常精確定位。 整個電動機調速系統(tǒng)以交流電動機調速控制器為核心，該控制器有五塊電路板，分別是吸收緩沖板、移相電路板、繼電控制板、起升控制板(或平移控制板)、接插底板，吸收緩沖板提供電網浪涌電壓對電子電路造成影響的防護。移相電路板為可控硅的導通確定觸發(fā)延遲角，同時也包含有相位錯誤，相位失衡和低

18、電壓時進行保護的電路。繼電控制板包括有五個繼電器，控制外部接觸器的通斷。起升控制板控制著起升和下降運動的電機力矩方向，大部分的聯(lián)鎖和控制電路均在此板上(平移控制板實現電機平移的左右移動控制)。電氣系統(tǒng)通過凸輪控制器、交流電動機調速控制器、接觸器、可控硅等設備實現交流電動機的調速，電氣系統(tǒng)還通過電動機的過載限位和其它外部限位開關的正確安置，保證交流電動機調速控制器在任何故障時能自己使電機停轉，而不是通過機構上的制動器抱閘停機13。3 相關硬件的選擇3.1系統(tǒng)電器接線圖在行車的組合系統(tǒng)中需要很多的電器硬件，選擇合適的設備以實現整個系統(tǒng)的安全可靠的運行。其組合如圖3.13.2 相關硬件的選擇選擇合適

19、的設備以實現整個系統(tǒng)的安全可靠的運行。需要選擇的設備主要有電機、凸輪控制器、交流電動機調速控制器、轉子電阻器、換向接觸器、中間繼電器、可編程控制器等。 (1) 交流電動機調速控制器的選用 使用環(huán)境達到+600以下不需要考慮任何過容選擇措施。選擇容量時應將電機機構靜功率下的定子電流乘以1.4倍，以保證允許低速時的高電流。在沒有靜功率參數時，可以用電機定子電流乘以1.4倍來確定控制器的容量。圖3.1 電器接線圖 (2) 轉子電阻器的選用 K值首先應利用機械功率，或在無機械功率數據時使用電機額定功率計算出來。起重機常常被要求做吊運額定載荷的125%負荷靜載試驗。這種情況在調試時必須充分予以考慮。 當

20、選擇電阻箱的載流能力和箱數時，必須考慮以下因素: 1)環(huán)境溫度; 2)工作制度; 3)低速要求。標準電阻器配置:起升機構電機轉子三段電阻: R3+R2+R1=0.09K+0.11K+O.16K=0.36K運行平移機構R(只有一段常串電阻)=0.30K(3) 凸輪控制器的選用 凸輪控制器用于交流50Hz額定工作電壓380V的電路中，主要作起重機交流電動機的起動、調速和換向之用。選用時，可以根據用戶的需求選擇手輪式或手柄式，在電動機容量比較大時，需要選擇觸頭元件帶滅弧罩(鋼板制)的凸輪控制器14。(4) 中間繼電器的選用由于控制器內的控制電壓只有直流10V, 1mA。而主令不可能導通如此小的電流，

21、所以需中間繼電器。由于大多數使用情況是高粉塵，不清潔環(huán)境。所以交流主令的控制電壓常使用110V或220V交流電壓。（5）PLC的選用目前PLC種類繁多，功能和指令系統(tǒng)也都各不相同，但都是以微處理器為核心用做工業(yè)控制的專用計算機，所以其結構和工作原理都大致相同，硬件結構與微機相似。主要包括中央處理單元CPU、存儲器RAM和ROM輸入輸出接口電路、電源、I/O擴展接口、外部設備接口等。其內部也是采用總線結構來進行數據和指令的傳輸。其結構圖如圖2.4所示，為了保證系統(tǒng)的高效運行，采用了三菱的FX2N-80MR，三菱FX2N-80MR是FX系列中最先進的超級微型PLC，具有高速、高性能的特性：一條基本

22、指令的運算時間為0.08微秒，一條應用指令的運算時間為1.52100微秒。FX2N-80MR的輸入輸出點均為40點15。編譯器其它外設外設接口外設接口系統(tǒng)程序用戶程序其它外設I/O擴展接口I/O擴展接口微處理器CPU電源部件輸出部件接受現場信號驅動受控單元圖3.2 PLC基本結構圖4 可編程控制器PLC的控制設計4.1系統(tǒng)的總體結構行車控制系統(tǒng)由PLC、手操設置、中間繼電器、接一開關、擋鐵、交流接觸器和運行狀態(tài)指示組成，如圖4.1所示PLC交流調速控制器 交流接觸器 行車電機 中間繼電器 接近開關 檔鐵運行狀態(tài)指示手操設置4.1 行車控制系統(tǒng)結構圖PLC是控制系統(tǒng)的核心主要完成對定位信號的采集

23、以實現對行車的自動控制。定位信號的發(fā)送采用接近開關和擋鐵感應的方式，即在行車運行的鋼軌上，沿水平方向在每個停車位分別焊接一個擋鐵，當行車運行到擋鐵位置時，接近開關感應到擋鐵的存在向PLC發(fā)出定位信號;行車在做上下運動時，在吊籃的交接處焊接一塊擋鐵，當吊籃做上下運動時，接近開關感應到擋鐵的存在時，也會向PLC發(fā)出定位信號。手操設置是為了在行車運行發(fā)生故障時，需要將行車由自動換為手動方式，通過手動按鈕調整行車的運行。運行狀態(tài)指示實時顯示行車和各個吊籃的運行狀態(tài)。行車的左/右、前/后及上/下運動分別由三相交流電動機M1, M2, M3拖動。4.2 工藝流程本節(jié)研究的是基于PLC的行車控制系統(tǒng)主要針對

24、多鍍中電鍍生產線，如圖4.2，其鍍種有：暗鎳銅高鎳鉻，其工藝流程為：除油水洗酸洗水洗暗鎳水洗銅水洗亮鎳水洗鉻水洗熱水洗下架。根據生產現場的要求行車控制系統(tǒng)的設計分為兩種：一種是自動控制運行，一種是手動操作。自動運行是根據制定好的工藝流程通過PLC完成行車的自動運行，手動操作是由駕駛員通過主令控制器完成行車的起重、下降、平移等操作。電鍍車間工藝流程圖如圖4.2，行車架上裝有可升降的吊籃，工作時，除具有自動控制的大車前/后，左/右，上/下運動各由一臺電動機拖動，各個方向的運動均由相應的限位開關定位。工作時，現場操作人員在原位將要電鍍的工件裝入吊籃并發(fā)出信號，行車便提升，并逐段前進，按工藝要求在需要

25、停留的橫位停止，然后自動下降，停留一定時間后自動提升（各槽停留時間按工藝要求由PLC內部定時器設定）。如此完成電鍍工藝規(guī)定的每一道工序，直至生產線末端自動返回原位，卸下處理好的工件，重新裝料發(fā)生信號進入下一個循環(huán)，為了提高其通信功能滿足遠程控制需要，控制系統(tǒng)核心采用了三菱的FX2N-80MR型號的PLC。圖4.2 電鍍車間工藝流程圖4.3 控制系統(tǒng)的接線圖根據電鍍車間的工藝要求確定輸入點數為32，輸出點數為22，各輸入點和輸出點的接線圖如圖4.3所示4.4 軟件設計 4.4.1系統(tǒng)控制分析根據工藝和控制要求，本文設計出行車的PLC控制程序，該程序包括點動操作和自動控制兩段。自動控制程序部分本文

26、以電鍍車間的前三個工藝:除油、酸洗和水洗為例給出了系統(tǒng)流程圖，如圖4.4所示。圖中各開關(SB, SQ, SA)的狀態(tài)在打開時為“1”，閉合時為“0”。電鍍生產線是典型的順序控制，通常可用移除油槽限位水洗槽限位酸洗槽限位暗鎳槽限位鋼槽限位亮鎳槽限位鉻槽限位熱水槽限位熱水預選行車后限位行車前限位吊籃下限位吊籃上限位吊籃右限位吊籃左限位亮鎳預選銅預選暗鎳槽預選酸洗槽預選水洗槽預選除油槽預選鉻預選起動SB1停止自動手動HL1SQ6SQ5SQ4SQ3SQ2SQ1SB2SA2SA1SQ14SQ13SQ12SQ11SQ10SQ9SQ8SQ7SB4SB3SA8SA7SA6SA5SA4SA3SB7SB6SB5

27、SB8X001吊籃右吊籃左吊籃下吊籃上行車退行車進HL2HL3HL3HL3HL3HL3HL3HL3HL3HL3HL3HL3HL3KM1KM2KM3KM4KM5KM6KM7KM8KM9FX2N-80MRX002X003X004X005X006X007X008X009X010X011X012X013X014X015X016X017X018X019X032X031X030X029X028X027X026X025X024X023X022X021X020Y001Y003Y002Y004Y005Y006Y010Y009Y008Y007Y012Y013Y014Y015Y016Y017Y018Y019Y020

28、Y011Y022Y021吊籃左移吊籃右移吊籃下移吊籃上移行車前進行車后退下降制動上升制動前進制動停除油槽停銅槽停暗鎳槽停水洗槽停酸洗槽停熱水槽停鉻槽行車前進行車后退吊籃下移吊籃上移吊籃左移吊籃右移停亮鎳槽圖4.3 控制系統(tǒng)I/O接線圖位寄存器來實現控制要求。吊籃在各工位槽的停留時間分別由定時器T100T108設置，行車前進、吊籃上升、下降停車時的能耗制動時間分別由定時器T109T111根據現場調試設定。當“自動/點動”選擇開關SA9置于“自動”位時，整個工藝過程能自動進行,置于“點動”位時，行車前進、后退，吊籃上升、下降、左移、右移均能點動操作，便于設備調整檢修.在整個控制過程中，行車的運行是由三個電機拖動的，電機M1控制吊籃的左右移動，電機M2控制吊籃的上下移動，電機M3控制行車的前后運動。在自動過程中，電機的正反轉是由限位開關被壓下后，將信號反饋給可編程控制器來控制的。在工藝流程中，在選擇工件進入哪一道工序的時候是有選擇性，比如，如果工件不進除油槽可以先進水洗槽等。為了便于控制，工藝流程中采用順序控制，所以，吊籃首先上升，電機M2正轉，碰到上限位開關后，行車前進，電機M3正轉，遇到除油槽限位開關后，吊藍開始下降，電機M2反轉，遇到