电瓶叉车的举升和行走系统PLC自动控制

电瓶叉车的举升和行走系统PLC自动控制
第一章可编程控制器
1.1可编程控制器的介绍
1.1.1 定义
PLC可编程序控制器：PLC英文全称Programmable Logic Controller ,中文全称为可编程逻辑控制器，定义是:一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。

它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算,顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。

1.1.2 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。

1.1.3 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。

1.1.4 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。

开关量是指只有开和关（或1和0）两种状态的信号，模拟量是指连续变化的量。

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。

1.1.5 电源模块
PLC电源用于为PLC各模块的集成电路提供工作电源。

同时，有的还为输入电路提供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24VAC）
1.1.6 底板或机架
大多数模块式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。

1.1.7 PLC系统的其它设备
1、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。

2、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。

3、输入输出设备：用于永久性地存储用户数据，如EPROM、EEPROM写入器、条码阅读器，输入模拟量的电位器，打印机
1.1.8 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。

PLC的通信，还未实现互操作性，IEC规定了多种现场总线标准，。

对于一个自动化工程(特别是中大规模控制系统)来讲，选择网络非常重要的。

首先，网络必须是开放的，以方便不同设备的集成及未来系统规模的扩展；其次，
针对不同网络层次的传输性能要求，选择网络的形式，这必须在较深入地了
解该网络标准的协议、机制的前提下进行；再次综合考虑系统成本、设备兼
容性、现场环境适用性等具体问题，确定不同层次所使用的网络标准。

第二章课题说明
2.1基本介绍
2.1.1普通叉车基本介绍
叉车是指对成件托盘货物进行装卸、堆垛和短距离运输、重物搬运作业的各种轮式搬运车辆。

国际标准化组织ISO/TC110称为工业车辆。

属于物料搬运机械，广泛应用于车站、港口、机场、工厂、仓库等国民经济各部。

电动叉车是指以电来进行作业的叉车，大多数都是为蓄电池工作。

而蓄电池是电池中的一种，它的作用是能把有限的电能储存起来，在合适的地方使用。

它的工作原理就是把化学能转化为电能。

叉车结构中一般由四个轮组成，叉车支架支承大多数采用水平铰联车架。

当车架倾斜碰到挡块时成为四支点，四支点叉车横向稳定性好。

内燃叉车的主要组成有：
(1)发动机它是叉车的动力装置，是将热能转换为机械能的机械。

发动机产生的动力由曲轴输出
(2)传动装置包括离合器、变速器、主传动器、差速器、半轴等部分。

传动装置的作用是将发动机输出的动力传递给液压泵和驱动车轮，实现叉车的升降，倾斜和行驶。

(3)操纵装置包括转向机构和制动系统两部分。

基本作用是改变叉车的行使方向，降低运行速度或迅速停车，以保证装卸作业的安全需要。

(4)工作装置包括内外门架、叉架、货叉、提升链条、滚轮、滑轮等部分。

其作用是用来叉取、升降或堆码货物。

(5)液压系统包括油箱、液压泵、分配器、提升液压缸、倾斜液压缸。

用以实现货物的升降、倾斜等动作。

(6)电气系统包括电源部分和用电部分。

主要有蓄电池、发电机、起动电动机、点火装置、照明装置和喇叭等。

2.1.2电瓶叉车基本介绍
可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC），它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的
机械或生产过程。

可编程控制器（PLC）因为稳定可靠、结构简单、成本低廉、简单易学、功能强大和使用方便已经成为应用最广泛的通用工业控制装置，成为当代工业自动化的主要支柱之一。

随着我国经济的高速发展，微电子技术、计算机技术和自动控制技术也得到了迅速发展，电瓶叉车也已成为人类现代生产中广泛使用的短距离多用途的室内运输工具。

随着人们对电瓶叉车运行的安全性、操作便捷性等要求的提高，电瓶叉车得到了快速发展，其控制技术也由PLC代替原来的继电器控制。

电动叉车通常包括包括：四向叉车、手推电升堆垛车、三支点平衡重叉车、四支点平衡重叉车、前移叉车、三支点迷你叉车、手推电升堆垛车、弹药平衡重叉车、冷库专用电动叉车、电动防爆叉车、步行平衡重叉车、电动油桶堆高车、三支点插腿堆垛车、工位吊车、四支点插腿堆垛车、四支点宽腿堆垛车、叉筐拣选车、四支点双层堆垛车、手动油桶装卸车、拣选车等。

2.2课题说明
本次课题选用日常应用最为广泛的平衡重式电动叉车，该叉车是使用最为广泛的叉车, 货叉在前轮中心线以外。

为了克服货物产生的倾覆力矩, 在叉车的尾部装有平衡重。

这种叉车适用于在露天货场作业,一般采用充气轮胎, 运行速度比较快, 而且有较好的爬坡能力。

取货和卸货时, 门架可以前移, 便于货叉插入,取货后门架后倾以便在运行中保持货物的稳定。

承载能力 1.0～4.8吨，作业通道宽度一般为3.5～5.0米。

没有污染、噪音小
2.3行走系统：
电动叉车电瓶叉车是以蓄电池为源动力，驱动行驶电机和油压系统电机，从而实现行驶与装卸作业，其驱动系统按可分为直流驱动与交流驱动直流电机定义输出或输入为直流电能的旋转电机，称为直流电机，它是能实现直流电能和机械能互相转换的电机。

当它作电动机运行时是直流电动机，将电能转换为机械能；作发电机运行时是直流发电机，将机械能转换为电能。

交流电机是用于实现机械能和交流电能相互转换的机械。

由于交流电力系统的巨大发展，交流电机已成为最常用的电机。

交流电机与直流电机相比，由于没有换向器（见直流电机的换向），因此结构简单，制造方便，比较牢固，容易做成高转速、高电压、大电流、大容量的电机。

交流电机功率的覆盖范围很大，从几瓦到几十万千瓦、甚至上百万千瓦。

20世纪80年代初，最大的汽轮发电机已达150万千瓦。

交流驱动的优势：
1）采用交流驱动系统的电动叉车，整体性能显著提高，故障及元件更换率明显降低，可靠性大大增强;叉车单位时间的生产率更高，操作及维护成本更低，将给用户带来非常显著的效益。

因此，交流驱动系统一经推出，不仅得到了叉车生产企业的信赖，也越来越受到用户的青睐，成为近年来电动叉车技术发展的趋势与方向。

其优势主要体现在以下方面：运行与维护成本低交流电机终生免维护。

交流电机无需换向接触器（前进、后退换向），节省了部件。

更为重要的是，交流电机无碳刷和换向器，不仅电机的体积更加轻便小巧，运转速度提高了，而且彻底摆脱了定期检测和更换碳刷的麻烦。

由此带来的最大好处是：叉车电机几乎终生不需要维护，极大地增强了叉车的可靠性与稳定性；同时，在叉车设计时不用考虑预留电机维修空间，甚至可以将电机密封起来，使叉车结构设计更加紧凑。

2）减少磨损再生制动是一种非接触性制动，比传统的制动系统大大简化。

不论驾驶者通过踩刹车踏板刹车，还是转换行驶方向刹车，电动机均会处于发电机状态,其电磁转矩将成为制动性质的转矩。

这意味着刹车片的磨损降至最低。

而机械磨损大大下降，也就减少了叉车维护费用，使运行成本更低。

同时，交流电动机在行驶与制动上的效率都更高。

刹车或换向时，会有再生能量产生。

刹车越强烈，再生的能量越多。

交流驱动系统的蓄能装置
则会在刹车或换向时自动启动，将能量回送给蓄电池，使电池工作时间延长，寿命也更长。

虽然某些直流驱动叉车上也有再生制动，但必须在强烈的刹车时才能启用，这也意味着再生的部分能量在刹车时转化成了热量。

而几乎在所有的情况下，交流电机均会产生能量再生，并且持续作用直至叉车完全静止，显然比直流电机的能量再生效率更高。

3）交流电机最高转速比直流电机提高很多，动力更强劲。

而且，交流电机可以将获得的再生能量回馈给蓄电池，既延长了电池的使用时间，又可以将这些能量用于提高叉车的整体性能。

其结果是叉车在行驶中启动更快，加速/减速性能大大提高，缩短了达到最高速度的时间与行走距离。

研究表明，在大多数的实际使用中，叉车自启动至停止的一次搬运作业距离很少长于20m。

而交流电机优秀的加速性能使得在如此短的距离内实现叉车全速运转成为可能，叉车的工作效率显著提高。

4）随着半导体技术的飞速发展，变频调速技术取得了突破性发展，可以实时控制交流电机的运转，使交流电机的控制能力大大增强，获得了同直流电机一样的调速性能。

交流驱动采用速度力矩控制，控制的灵敏度提高，可以提高叉车操作效率；采用加速踏板释放制动功能（即叉车行走时油门稍一松，再生制动就会起作用），前进过程中换向为倒车时可以平稳过渡，提高了叉车的稳定性与可靠性。

同时采用CAN总线，分布式节点不受安装位置的限制；模块化结构，系统拓展容易，可实现功能特性的无缝添加或修改；实现了总线接口标准化，使系统集成更简单，单元设计更灵活。

5）交流驱动系统在提高叉车驾驶员操作舒适方面所起到的作用与众不同。

由于交流电机比直流电机小巧轻便，这使得叉车的设计相对更灵活。

2.3停车控制
鉴于电瓶叉车停车要求控制的快速性与精准电气控制的制动无法很好
的满足其要求，故采用机械制动中常用的电磁抱闸制动，即具有电磁抱闸装置的电机。

机械制动是利用机械装置使电动机断开电源后迅速停转的方法叫机械制动。

2.3.1电磁抱闸的结构
主要由两部分组成：制动电磁铁和闸瓦制动器。

制动电磁铁由铁心、衔铁和线圈三部分组成。

闸瓦制动器包括闸轮、闸瓦和弹簧等，闸轮与电动机装在同一根转轴上。

2.3.2工作原理
电动机接通电源，同时电磁抱闸线圈也得电，衔铁吸合，克服弹簧的拉力使制动器的闸瓦与闸轮分开，电动机正常运转。

断开开关或接触器，电动机失电，同时电磁抱闸线圈也失电，衔铁在弹簧拉力作用下与铁芯分开，并使制动器的闸瓦紧紧抱住闸轮，电动机被制动而停转。

2.3.3、电磁抱闸制动的特点
机械制动主要采用电磁抱闸、电磁离合器制动，两者都是利用电磁线圈通电后产生磁场，使静铁芯产生足够大的吸力吸合衔铁或动铁芯(电磁离合器的动铁芯被吸合，动、静摩擦片分开)，克服弹簧的拉力而满足工作现场的要求。

电磁抱闸是靠闸瓦的摩擦片制动闸轮．电磁离合器是利用动、静摩擦片之间足够大的摩擦力使电动机断电后立即制动。

优点：电磁抱闸制动，制动力强，广泛应用在起重设备上。

它安全可靠，不会因突然断电而发生事故。

缺点：电磁抱闸体积较大，制动器磨损严重，快速制动时会产生振动。

2.4基本参数及电机选用说明
品牌：国产产品类型：三相异步电动机型号：XQ-5KW
额定功率：5（kW）额定电压：380（V）
额定
转速:
3000r
主要适用范
围：
0.5～3吨叉车
配套、2～5吨
搬运车的配套
产品认证：CE
电动叉车液压油泵电机
品牌：
SHINKO（神钢）产品类型：
三相异步电动
机
型号：
神钢6FBR15液
压油泵电机
额定功率：5（kW）额定电压：45（V）额定转速：6000（rpm）
主要适用范
围：神钢6FBR15电动
叉车
产品认证：3C
2.5逆变电路
因电瓶差叉车为能源为蓄电池提供的电能，而依据上面叙述选用了交流驱动的方式，故需逆变电路将蓄电池提供的直流变为电动机使用的三相交流电，鉴于蓄电池特点、大功率全控型电力电子器件（GTO、IGBT、MOSFET、IGCT）的应用技术的不断成熟和目前逆变电路使用的广泛程度，采用PWM控制的三相电压型逆变电路
三相电压型PWM逆变电路只要实现功能就是将直流电压变换成交流电压。

图1中U、V、M三相的PWM控制通常公用一个三角波载波
，三相调制信号、
、
一次相差。

U、V、W各相功率开关器件的控制规律相同，现以U相为例。

当
时，给上桥臂
以导通信号，给下桥臂
以关断信号，则U相相对于直流电源假想中点输出电压。

当
时，给
以导通信号，给
以关断信号，则。

但
与
的驱动信号始终是互补的，当给
（）加以导通信号时，可能
（）导通，也可能是二极管
续流导通，这是有阻感负载中电流方向决定，这就是三相桥式电路的双极型调制特性。

由上分析，
的波形是幅值为
的矩形波，V、M两相情况跟U相类似。

所以负载线电压、
、为
负载相电压、
、
为负载中点和电源中点间电压为
负载三相对称时有，于是。

所以
也是矩形波，其频率为的3倍，幅值为其
，即。

三相逆变输出的电压与电流分析类似，负载参数已知，以U相为例，负载的阻抗角不一样，
的波形形状和相位都有所不同，在阻感
负载下时，
从通态转换到断态时，因负载电感中电
流不能突变，先导通续流，待负载电流降为零，才开始导通。

负载阻抗角
越大，
导通时间越长。

在
时，
时为导通，
时为
导通；在
时，时
导通，时为
导通。

、的波形与
形状相同，相位一次相差。

将三个桥臂电流相加可得到直流侧电
流。

在上述导电方式逆变器中，我们采
用“先断后通”的方法来防止同一相上下两桥臂的开关器件同时导通而引起直流侧电压短路，使得在通断信号之间留有一个短暂的死区时间。

第三章硬件接线
3.1 电气控制系统主电路图
的调整，提高工作效率。

3）叉架举升和下降极限出分别设置了限位开关SQ2和SQ1，其被触动后，会使电磁阀端电，使YA1、YA2断电，从而叉架停止。

4）熔断器FU3、FU4实现各负载回路的短路保护，熔断器FU1、FU2、分别完成交流控制回路和PLC控制回路的短路保护。

5）QF为电源总开关，即可完成主电路的短路保护，又起到分断三相交流电源的作用，使用和维修方便。

3.2交流控制电路设计
1）控制电路有电源指示灯。

PLC控制电路采用隔离变压器TC，以防电源干扰。

2）液压系统举升电磁阀线圈YA1和液压系统下降电磁阀线圈YA2分别由中间继电器KA1、KA2触点控制。

液压系统快速给进电磁阀线圈YA3由中间继
电器KA3触点控制。

L5
3.3.1、PLC控制系统的I/O点数
电瓶叉车举升及行走PLC自动控制输入接口功能表
电瓶叉车举升及行走PLC自动控制输出接口功能表
3.3.2PLC控制电路设计
第四章PLC控制程序设计4.1 控制程序
4.1.1总程序
4.1.2具体功能说明。