plc的行车控制[1]

德州学院 机电工程系 2007届 自动化专业 毕业论文（设计） PLC在行车控制系统中的应用摘要：行车起重系统主要应用在冶金、机械制造等重型企业，是一种既能垂直提升又能水平移动重物的机械组。行车的主要任务是把负载吊起并移动到预定的位置.本文是以电镀车间的行车工艺流程为背景，研究基于PLC的自动控制系统，对系统的调速性能、稳定性、精度、可靠性等方面作了研究。关键词: 行车； 交流调速； PLC1 绪论1.1 研究行车起重控制系统的意义 行车起重控制系统主要应用于重型机械制造、冶金等行业。行车既不同于仅作垂直移动的电梯、升降机等，又不同于水平输送谷物、煤炭等大量物料的传送机，它是一种既能垂直提升又能水平移动重物的机械组。行车控制系统是由左/右、前/后及上/下三个运动组成，它们分别由三个三相交流电动机拖动，通过正/反转控制实现正/反方向的移动。这种行车的主要任务是把负载吊起并移动到预定的位置。为了确保负载能准确快速的到达目标位置，控制携带负载的平台使负载在预定的位置无振荡地停下来非常重要。目前行车控制方式大概有两种:一种是手动控制，一种是自动控制。手动控制中就需要驾驶员能根据现场的要求控制行车平移、起升;自动控制是根据生产车间的工艺流程，利用程序实现行车的自动运行。行车系统控制精度完全取决于交流电机调速控制的精度，这就要求电机控制能够平稳的加速和减速。因此，研究行车起重控制系统中的交流调速控制技术对行车的发展有着重要的意义 。1.2 交流调速发展概况 经过约30年的发展，目前，交流调速系统在性能上可和直流调速一样，但它克服了直流调速系统现存的缺点，且发挥了扩大交流电机的容量、维护省力、造价低、坚固耐用、事故率低等优点。所以，近些年来交流调速传动在国内外引起了人们极大的重视且得到了飞跃发展。交流电动机与直流电动机相比，有结构简单、牢固、成本低廉等许多优点，缺点是调速困难1 。现在，借助于电力电子技术己经很好地解决了交电动机的调速问题，所以交流调速传动已进入与直流调速传动相媲美、相竞争并逐渐占据主导地位的时代。据日本早年统计，1975年销售的交流调速装置与直流调速装置之比为1: 3，而到了1985年，反过来成为3:1，这种趋势近10年来发展更快。因此可以相信本世纪，工业发达国家中，交流调速必将占据主导地位2。下面列举近代交流调速控制技术发展的十个方面，它们相互之间既有联系又有区别，形成了各自的控制特点，现正在不断丰富、充实和发展中： (1)相位控制它主要应用于“直一交”变频器和“交一直一交”变频器中的整流控制器，同一般整流控制原理一样，采用相位控制原则。 (2)VVVF控制为保持恒磁通变频控制(或恒转矩控制)原则，要求变压变频控制(即VVVF控制)，这是协调控制条件所要求的。通常把这种变频装置也称为VVVF装置。 (3)转差频率控制在调速过程中保持有限的转差频率值进行控制，可以获得高效调速方式。这种方式系统简单，需要测速机检测，是当前常用的高性能转差频率矢量控制的基础。 (4)脉宽调制(PWM)控制脉宽调制型变频器由于具有功率因数高和输出波形好的特点，近年来发展较快。 (5)矢量变换控制矢量变换控制是一种新的控制理论和控制技术。其控制思想是设法模拟直流电机的控制特点对交流电机进行控制。它分有磁场定向式矢量控制和转差频率式矢量控制两种模式，前者调速精度高，需要磁通检测准确;后者只用测速机控制，系统简单，调速精度不如前者，两者均属高性能交流调速系统。 (6)磁场控制近年来，从磁场的观点控制交流电动机，同PWM控制一样有所发展，它分有磁场轨迹法和异步电动机的磁场加速法。 (7)微机控制微型计算机、微处理机用于交流调速的控制系统及单元，使交流调速系统除具有控制功能外，还向着多功能(包括监视、显示、保护、故障自诊断及自复原等)方向发展。 (8)现代控制理论的应用原来认为现代控制理论用于交流调速传动是比较遥远的事情，现在看来不仅成为现实，而且发展很快。 (9)直接转矩控制这种系统结构简单，对电机参数变化不敏感，实现转矩、磁通闭环控制，可获得良好的调速性能，是一种高动态的PWM控制系统。(10)多变量解藕控制利用现代控制理论设法将多变量、强藕合非线性系统解祸成两个单变量系统，再借用古典控制理论设计调节器参数，最终抵消藕合支路实现解藕控制3。1.3 PLC的产生和发展可编程控制器问世于1969年。20世纪60年代末期，当时美国的汽车制造工业非常发达竞争也十分激烈。各生产厂家为适应市场需求不断更新汽车型号，这必然要求相应的加工生产线随之改变，整个继电器控制系统也就必须重新设计和配置。这样不但造成设备的极大浪费，而且新系统的接线也十分费时。这种情况下，采用继电器控制就显出有过多的不足。正是从汽车制造业开始了对传统继电器控制的挑战，1968年美国General Motors(GM)公司，为了适应产品品种的不断更新、减少更换控制系统的费用与周期，要求制造商为其装配线提供一种新型的通用程序控制器。1969年，美国数据设备公司（DEC）研制出世界上第一台可编程控制器，并成功的应用在GM公司的生产线上。其后日本、原联邦德国等相续引入，使其迅速发展起来。但这一时期它主要用于顺序控制，虽然也采用了计算机的设计思想，但当时只能进行逻辑运算，故称为可编程逻辑控制器，简称PLC（programmable logic controller）4。 1.4 论文研究的内容(1)深入研究冶金行业起重系统的运行特性，以利于设计满足冶金行业起重系统要求的交流电机调压控制系统; (2)研究交流电机调压调速的原理以及其在交流电机的调速控制中的应用; (3) 研究设计基于PLC的行车起重电气控制系统2 交流异步电机的调速控制系统设计当异步电动机电路参数不变时，在一定转速下，电动机的电磁转矩Te与定子电压U的平方成正比。因此，改变定子外加电压就可以改变其机械特性的函数关系，从而改变电动机在一定输出转矩下的转速。异步电动机调压调速是一种比较简单的调速方法，在20世纪50年代以前主要利用自祸变压器(小容量时)或饱和电抗器串在三相电路中调速，其原理图如图2.1(a)和(b)所示。自祸变压器TU的调压原理不言自明。饱和电抗器LS是带有直流励磁绕组的交流电抗器，改变直流励磁电流可以控制铁芯的饱和程度，从而改变交流电抗值。铁芯饱和时，交流电抗很小，因而定子电压降低，实现了降压调速5。异步电动机变压调速的原理如图2.1所示，其中TU表示自藕变压器，LS表示饱和电抗器，VVC表示双向晶闸管交流调压器。自祸变压器和饱和电抗器的共同缺点是设备庞大笨重，近年来随着电力电子技术的发展，多采用晶体管来实现交流调压，如图2.1(c)，采用三对反向并联的晶闸管或三个双向晶闸管分别串接在三相交流电源线路中，再接到电机定子绕组上，通过控制晶闸管的导通角，可以调节电动机的端电压，这就是晶闸管交流调压器。交流调压器与可控整流器一样都是利用相位控制，在工作原理上有其相似之处，只是在带交流电机负载的波形分析、双向晶闸管的触发控制等方面有特殊的问题6。图2.1 异步电动机变压调速原理图2.2 总体方案设计 交流电动机调速控制系统的基本任务是实现绕线电动机的起升、平移运动。在起升或平移运动时，能在两个运动方向上均达到三个独立于载荷的慢速，即10%、20%和30%的速度，选择全速(100%速度)就是使得电机沿斜坡加速到全速。同时，交流电动机调速系统应有安全监测功能，在系统工作前，安全电路应监测是否有相序错误，相位极度不平衡和三相供电的电压过度降低等故障。提供电气联锁，保证在发生供电故障、相序错误或主令在再次起动前没有回零等情况时，电动机不能运行7。整个电动机调速系统的结构框图如图2.2所示电机主令控制逻 辑 控 制 电 路供 电 瞬 态保 护 电 路相位保护电路触发模块制动电机转向转子电阻控制反馈控制图2.2 交流电机调速装置结构图 测定电机速度则通过检测转子频率，外接的换向接触器在零电流和零电压时切换，用于改变机构的运动方向。 设计此系统时，我们按照工况和实际经验，对设备的工作情况加以说明:系统工作前安全电路即监测是否有相序错误，相位极度不平衡和三相供电的电压。过度降低等故障。提供电气联锁，保证在发生供电故障、相序错误或主令在再次起动前没有回零等情况时，电动机不能运行。加到电机的电压是经过一个斜坡后加上的，以保证对电机和齿轮箱施加较小的机械冲击力。这样保证了恒定平稳的地进行快速点动，促使他有效地使用慢速。在两个运动方向上均达到三个独立于载荷的慢速，即10%. 20%和30%的速度。选择全速(100%速度)就是使得电机沿斜坡加速到全速。对于起升系统，两个加速接触器分别在25Hz ( 50%速度)和12.5Hz ( 75%速度)下动作，以平稳加速到全速。加速过程中的峰值切换电流限制在满载时电机电流的两倍左右。接触器也是零电流动作的8。2.3 起升运动和平移运动起升运动:当用主令控制器选择四个挡位(10%, 20%, 30%, 100%)起升速度中的某一挡速度时，控制系统将使起升接触器吸合。电机通电，短时之后，制动器释放。选择三个慢速的某一个慢速后，电机速度即被调整到所要求的速度上。如果选择全速，则电机将平稳地加速到全速。当将主令从全速拉回到某一个慢速挡上时，加速驱动的力矩将从电机上移除直到达到所需速度。如果在某一个挡位主令回零位，则制动器立即抱闸，在一秒左右后电机失去供电9。平移运动:当用主令选择平移速度的某一个挡时，只要起重机运行有阻力，控制器就会控制电机维持在这一选择速度上。如果这样的阻力移开不存在了，就是说相当于起重机上有额外风力而产生的力推动，则起重机允许被加速到超过额定挡位速度的10%左右，而此时则反向接触器才吸合以增加阻力。电机的减速是在不超过满载起动力矩的力矩下进行的，直到达到所要求的低速(略过一点)。如果此时有额外风力向前的推力在作用，则反向力矩被加入以维持要求的正常模式中运行。因为只有电机速度超过所需要的额定速度的10%时反向接触器才动作，所以速度转换，比如从30%设置到20%的速度设定，不会将反向接触器接入。从20%设置到10%设定也是一样的。电机的电压不是急速陡然加上去的，而是经过一个斜坡平滑加上去的。特别要注意，控制的速度与转子反馈的频率是一一对应的。在回零位时，由于设计考虑最大频率转差2%时反向接触器动作，所以在标准正常情况下，电机被装置控制关断电源是在52HZ或4%速度时。特殊要求时，在10%,20%和30%的速度位置回零时，可以设计成不需反向接通的控制方式来制动10。2.4 重载下降和再生发电当选择(通过主令)三个慢速中的某一个速度时，这个控制系统将使起升接触器吸合，电机被通电。短时后，制动器释放，如为重载，接触器一直保持吸合，使电机产生所需要的反向力矩，维持选定的低速。 如果某一低速被选定了，则额外的反力矩就加到了电机上，直到电机达到选定后的速度。如果在任何一个挡位主令回零位，额外力矩则被加上以使电机停止。一旦电机经过该电制动过程而停转，则制动器抱闸，在此之后大约0.6秒，电机才被断电。如果反向制动力矩持续超过1秒钟时间，此时电机即使未停转，制动器也将抱闸。当选择满速下降时，此控制系统促使下降接触器吸合。电机接着通电，短时后制动器释放，则电机在下降方向上全速转动。载荷倒拉电机而下降11。2.5 轻载下降极轻的载荷下降过程，控制略有不同。这时起升接触器也吸合，电机通电，短时后制动器释放。但如果电机在1.5秒之内不转动，则起升接触器将被释放，而后下降接触器吸合。然后电机被反向驱动直到达到选定的速度。如果操作中由于某种原因，载荷对起重机而言变成了重载，本系统将使电机自动转换到反向制动力矩下降模式，这种做法主要是出于安全因素原因。因为除了轻载下降外，其它模式下起升接触器首先被吸合。这就在任何情况下形成了一种安全操作载荷的模式12。我们充分考虑了电机和制动器的相互作用，据此正确设计了电机与制动器的控制顺序，使载荷被非常精确定位。 整个电动机调速系统以交流电动机调速控制器为核心，该控制器有五块电路板，分别是吸收缓冲板、移相电路板、继电控制板、起升控制板(或平移控制板)、接插底板，吸收缓冲板提供电网浪涌电压对电子电路造成影响的防护。移相电路板为可控硅的导通确定触发延迟角，同时也包含有相位错误，相位失衡和低电压时进行保护的电路。继电控制板包括有五个继电器，控制外部接触器的通断。起升控制板控制着起升和下降运动的电机力矩方向，大部分的联锁和控制电路均在此板上(平移控制板实现电机平移的左右移动控制)。电气系统通过凸轮控制器、交流电动机调速控制器、接触器、可控硅等设备实现交流电动机的调速，电气系统还通过电动机的过载限位和其它外部限位开关的正确安置，保证交流电动机调速控制器在任何故障时能自己使电机停转，而不是通过机构上的制动器抱闸停机13。3 相关硬件的选择3.1系统电器接线图在行车的组合系统中需要很多的电器硬件，选择合适的设备以实现整个系统的安全可靠的运行。其组合如图3.13.2 相关硬件的选择选择合适的设备以实现整个系统的安全可靠的运行。需要选择的设备主要有电机、凸轮控制器、交流电动机调速控制器、转子电阻器、换向接触器、中间继电器、可编程控制器等。 (1) 交流电动机调速控制器的选用 使用环境达到+600以下不需要考虑任何过容选择措施。选择容量时应将电机机构静功率下的定子电流乘以1.4倍，以保证允许低速时的高电流。在没有静功率参数时，可以用电机定子电流乘以1.4倍来确定控制器的容量。图3.1 电器接线图 (2) 转子电阻器的选用 K值首先应利用机械功率，或在无机械功率数据时使用电机额定功率计算出来。起重机常常被要求做吊运额定载荷的125%负荷静载试验。这种情况在调试时必须充分予以考虑。 当选择电阻箱的载流能力和箱数时，必须考虑以下因素: 1)环境温度; 2)工作制度; 3)低速要求。标准电阻器配置:起升机构电机转子三段电阻: R3+R2+R1=0.09K+0.11K+O.16K=0.36K运行平移机构R(只有一段常串电阻)=0.30K(3) 凸轮控制器的选用 凸轮控制器用于交流50Hz额定工作电压380V的电路中，主要作起重机交流电动机的起动、调速和换向之用。选用时，可以根据用户的需求选择手轮式或手柄式，在电动机容量比较大时，需要选择触头元件带灭弧罩(钢板制)的凸轮控制器14。(4) 中间继电器的选用由于控制器内的控制电压只有直流10V, 1mA。而主令不可能导通如此小的电流，所以需中间继电器。由于大多数使用情况是高粉尘，不清洁环境。所以交流主令的控制电压常使用110V或220V交流电压。（5）PLC的选用目前PLC种类繁多，功能和指令系统也都各不相同，但都是以微处理器为核心用做工业控制的专用计算机，所以其结构和工作原理都大致相同，硬件结构与微机相似。主要包括中央处理单元CPU、存储器RAM和ROM输入输出接口电路、电源、I/O扩展接口、外部设备接口等。其内部也是采用总线结构来进行数据和指令的传输。其结构图如图2.4所示，为了保证系统的高效运行，采用了三菱的FX2N-80MR，三菱FX2N-80MR是FX系列中最先进的超级微型PLC，具有高速、高性能的特性：一条基本指令的运算时间为0.08微秒，一条应用指令的运算时间为1.52100微秒。FX2N-80MR的输入输出点均为40点15。编译器其它外设外设接口外设接口系统程序用户程序其它外设I/O扩展接口I/O扩展接口微处理器CPU电源部件输出部件接受现场信号驱动受控单元图3.2 PLC基本结构图4 可编程控制器PLC的控制设计4.1系统的总体结构行车控制系统由PLC、手操设置、中间继电器、接一开关、挡铁、交流接触器和运行状态指示组成，如图4.1所示PLC交流调速控制器 交流接触器 行车电机 中间继电器 接近开关 档铁运行状态指示手操设置4.1 行车控制系统结构图PLC是控制系统的核心主要完成对定位信号的采集以实现对行车的自动控制。定位信号的发送采用接近开关和挡铁感应的方式，即在行车运行的钢轨上，沿水平方向在每个停车位分别焊接一个挡铁，当行车运行到挡铁位置时，接近开关感应到挡铁的存在向PLC发出定位信号;行车在做上下运动时，在吊篮的交接处焊接一块挡铁，当吊篮做上下运动时，接近开关感应到挡铁的存在时，也会向PLC发出定位信号。手操设置是为了在行车运行发生故障时，需要将行车由自动换为手动方式，通过手动按钮调整行车的运行。运行状态指示实时显示行车和各个吊篮的运行状态。行车的左/右、前/后及上/下运动分别由三相交流电动机M1, M2, M3拖动。4.2 工艺流程本节研究的是基于PLC的行车控制系统主要针对多镀中电镀生产线，如图4.2，其镀种有：暗镍铜高镍铬，其工艺流程为：除油水洗酸洗水洗暗镍水洗铜水洗亮镍水洗铬水洗热水洗下架。根据生产现场的要求行车控制系统的设计分为两种：一种是自动控制运行，一种是手动操作。自动运行是根据制定好的工艺流程通过PLC完成行车的自动运行，手动操作是由驾驶员通过主令控制器完成行车的起重、下降、平移等操作。电镀车间工艺流程图如图4.2，行车架上装有可升降的吊篮，工作时，除具有自动控制的大车前/后，左/右，上/下运动各由一台电动机拖动，各个方向的运动均由相应的限位开关定位。工作时，现场操作人员在原位将要电镀的工件装入吊篮并发出信号，行车便提升，并逐段前进，按工艺要求在需要停留的横位停止，然后自动下降，停留一定时间后自动提升（各槽停留时间按工艺要求由PLC内部定时器设定）。如此完成电镀工艺规定的每一道工序，直至生产线末端自动返回原位，卸下处理好的工件，重新装料发生信号进入下一个循环，为了提高其通信功能满足远程控制需要，控制系统核心采用了三菱的FX2N-80MR型号的PLC。图4.2 电镀车间工艺流程图4.3 控制系统的接线图根据电镀车间的工艺要求确定输入点数为32，输出点数为22，各输入点和输出点的接线图如图4.3所示4.4 软件设计 4.4.1系统控制分析根据工艺和控制要求，本文设计出行车的PLC控制程序，该程序包括点动操作和自动控制两段。自动控制程序部分本文以电镀车间的前三个工艺:除油、酸洗和水洗为例给出了系统流程图，如图4.4所示。图中各开关(SB, SQ, SA)的状态在打开时为“1”，闭合时为“0”。电镀生产线是典型的顺序控制，通常可用移除油槽限位水洗槽限位酸洗槽限位暗镍槽限位钢槽限位亮镍槽限位铬槽限位热水槽限位热水预选行车后限位行车前限位吊篮下限位吊篮上限位吊篮右限位吊篮左限位亮镍预选铜预选暗镍槽预选酸洗槽预选水洗槽预选除油槽预选铬预选起动SB1停止自动手动HL1SQ6SQ5SQ4SQ3SQ2SQ1SB2SA2SA1SQ14SQ13SQ12SQ11SQ10SQ9SQ8SQ7SB4SB3SA8SA7SA6SA5SA4SA3SB7SB6SB5SB8X001吊篮右吊篮左吊篮下吊篮上行车退行车进HL2HL3HL3HL3HL3HL3HL3HL3HL3HL3HL3HL3HL3KM1KM2KM3KM4KM5KM6KM7KM8KM9FX2N-80MRX002X003X004X005X006X007X008X009X010X011X012X013X014X015X016X017X018X019X032X031X030X029X028X027X026X025X024X023X022X021X020Y001Y003Y002Y004Y005Y006Y010Y009Y008Y007Y012Y013Y014Y015Y016Y017Y018Y019Y020Y011Y022Y021吊篮左移吊篮右移吊篮下移吊篮上移行车前进行车后退下降制动上升制动前进制动停除油槽停铜槽停暗镍槽停水洗槽停酸洗槽停热水槽停铬槽行车前进行车后退吊篮下移吊篮上移吊篮左移吊篮右移停亮镍槽图4.3 控制系统I/O接线图位寄存器来实现控制要求。吊篮在各工位槽的停留时间分别由定时器T100T108设置，行车前进、吊篮上升、下降停车时的能耗制动时间分别由定时器T109T111根据现场调试设定。当“自动/点动”选择开关SA9置于“自动”位时，整个工艺过程能自动进行,置于“点动”位时，行车前进、后退，吊篮上升、下降、左移、右移均能点动操作，便于设备调整检修.在整个控制过程中，行车的运行是由三个电机拖动的，电机M1控制吊篮的左右移动，电机M2控制吊篮的上下移动，电机M3控制行车的前后运动。在自动过程中，电机的正反转是由限位开关被压下后，将信号反馈给可编程控制器来控制的。在工艺流程中，在选择工件进入哪一道工序的时候是有选择性，比如，如果工件不进除油槽可以先进水洗槽等。为了便于控制，工艺流程中采用顺序控制，所以，吊篮首先上升，电机M2正转，碰到上限位开关后，行车前进，电机M3正转，遇到除油槽限位开关后，吊蓝开始下降，电机M2反转，遇到下限位开关，吊篮停于除油槽开始延时，延时10秒后吊篮上升，电机M2正转，重复以上几步工艺，吊篮依次进水洗槽、酸洗槽。在自动控制过程中，电机M1没有用到。把SA9置手动位置时，按下哪一个开关哪一个电机会相应的正反转，手动操作工艺比较简单，所以，设计以PLC的自动控制为主要研究目标。4.4.2控制系统流程图在行车控制系统中，实行的顺序控制，只有在初始条件满足的情况下才会有下一步程序的输出，在电镀车间的工艺控制中需要的条件比较多，电镀工艺也比较复杂，从控制编程的角度看只是一个重复的编程控制过程，行车控制流程图如图4.4所示 原位NYNYYN读入SB1的状态吊篮上升SQ11=0？吊篮停，行车前进SA1=0？SQ12=0？吊篮停，工件浸除油槽延时T100吊篮上升SQ11=0？吊篮停，行车前进SA2=0？N行车停除油槽，吊篮下降SQ11=0？吊篮停，行车前进SA3=0？行车停酸洗槽，吊篮下降SQ12=0？吊篮停，工件浸酸洗槽延时T100吊篮上升SQ11=0？吊篮停，行车前进行车停水洗槽，吊篮下降SQ12=0？N吊篮停，工件浸水洗槽延时T100吊篮上升YNYNNYSB1=0？YYNY下一道工序N图4.4 行车控制系统流程图控制系统的状态转移图如图4.5所示：M8002SOSQ9SB1SQ13SQ12S33ENDSQ11S20SA1 S21SQ12S22T1S23SQ11S24SA2S25S26T1S27SQ11S28SA3S29SQ12S30T1S31SQ11S32Y002Y019Y004Y017Y003Y020Y009Y002T1K100Y017Y004Y019Y002Y010Y020Y003Y017Y004Y019T1K100T1K100Y019Y002Y011Y020Y003SQ12图4.5 控制系统状态转移图4.4.3行车控制系统梯形图根据行车控制流程图和PLC的I/O接口图绘出行车控制系统的梯形图如图4.6 SET S20S0 SET S21 SET S22 SET S25 SET S24 SET S23X011X014X016SB1S20Y019X013S21Y004Y017Y002S22Y003Y020S23Y009X014T1K100X013Y019Y002S24T1S23X017