起重机PLC控制系统设计

0 前言
我国是一个工业制造强国。

在21世纪我国已经成为了一个国际主要的劳动力市场。

在走向现代化道路的过程中，起重机扮演着越来越重要的角色。

起重机是建筑工地的主要机械生产力，担负着向高层工地运送建筑材料和人员的任务。

在煤矿企业中，起重机主要担负着重矿井提升煤炭的作用，并且还担负着运送井下工作人员和生产工具的任务。

起重机的质量和性能的好坏，直接决定了煤矿企业的工作效率。

在工厂中，起重机担负着生产材料的和商品的运送，是生产企业中物流部分的核心。

在我国自动化控制已经深入到了我们日常生活的每一个领域，在自动化控制领域，PLC 是一种重要的控制设备。

目前，世界上有200多厂家生产300多品种PLC产品，应用在汽车（23%）、粮食加工（16.4%）、化学/制药（14.6%）、金属/矿山（11.5%）、纸浆/造纸（11.3%）等行业。

使用PLC控制起重机能极大的节省成本，比如雇佣一位操作工人，得拿出6万的年薪和1万的保险金，而且操作失误会造成更大的损失，但是使用PLC控制可以使操作更加简便。

接触器的线圈年头长了就会坏，维修保养都不方便。

有软件代替硬件可以避免软件的磨损，有效的避免了事故的发生，避免了不必要的经济损失。

所以设计一套PLC控制起重机的系统是必要的，也是可行的。

在国外的西门子公司有同类型的产品，但成本很高功能很强大，不适合中小型企业使用，PLC的推广有十分的迫切，所以我设计了这个系统。

1 起重机概述
1.1 起重机的起源
中国古代灌溉农田用的桔是臂架型起重机的雏形。

14世纪，西欧出现了人力和畜力驱动的转动臂架型起重机。

19世纪前期，出现了桥式起重机；起重机的重要磨损件如轴、齿轮和吊具等开始采用金属材料制造，并开始采用水力驱动。

19世纪后期，蒸汽驱动的起重机逐渐取代了水力驱动的起重机。

20世纪20年代开始，由于电气工业和内燃机工业迅速发展，以电动机或内燃机为动力装置的各种起重机基本形成。

1.2 起重机的基本组成
桥式起重机是桥架在高架轨道上运行的一种桥架型起重机，又称天车。

桥式起重机的桥架沿铺设在两侧高架上的轨道纵向运行，起重小车沿铺设在桥架上的轨道横向运行，构成一矩形的工作范围，就可以充分利用桥架下面的空间吊运物料，不受地面设备的阻碍。

桥式起重机广泛地应用在室内外仓库、厂房、码头和露天贮料场等处。

桥式起重机可分为普通桥式起重机、简易粱桥式起重机和冶金专用桥式起重机三种。

起重机运行机构一般只用四个主动和从动车轮，如果起重量很大，常用增加车轮的办法来降低轮压。

当车轮超过四个时，必须采用铰接均衡车架装置，使起重机的载荷均匀地分布在各车轮上。

桥架的金属结构由主梁和端梁组成，分为单主梁桥架和双梁桥架两类。

单主梁桥架由单根主梁和位于跨度两边的端梁组成，双梁桥架由两根主梁和端梁组成。

主梁与端梁刚性连接，端梁两端装有车轮，用以支承桥架在高架上运行。

主梁上焊有轨道，供起重小车运行。

桥架主梁的结构类型较多比较典型的有箱形结构、四桁架结构和空腹桁架结构。

起升机构包括电动机、制动器、减速器、卷筒和滑轮组。

电动机通过减速器，带动卷筒转动，使钢丝绳绕上卷筒或从卷筒放下，以升降重物。

小车架是支托和安装起升机构和小车运行机构等部件的机架，通常为焊接结构。

1.3 起重机根据结构的不同分类
1.3.1 梁式型起重机
梁桥式起重机可在长方形场地及其上空作业，多用于车间、仓库、露天堆场等处的物品装卸，有梁式起重机、桥式起重机、龙门起重机、缆索起重机、运载桥等。

梁式起重机
主要包括单梁桥式起重机和双梁桥式起重机
1）单梁桥式起重机：桥架的主梁多采用工字型钢或钢型与钢板的组合截面。

起重
小车常为手拉葫芦、电动葫芦或用葫芦作为起升机构部件装配而成。

按桥架支承式和悬挂式两种。

前者桥架沿车梁上的起重机轨道运行；后者的桥架沿悬挂在厂房屋架下的起重机轨道运行。

单梁桥式起重机分手动、电动两种。

手动单梁桥式起重机各机构的工作速度较低，起重量也较小，但自身质量小，便于组织生产，成本低，时候用于无电源后搬运量不大，对速度与生产率要求不高的场合。

手动单梁桥式起重机采用手动单轨小车作为运行小车，用手拉葫芦作为起升机构，桥架由主梁和端梁组成。

主梁一般采用单根工字钢，端梁则用型钢或压弯成型的钢板焊成。

电动单梁桥式起重机工作速度、生产率较手动的高，起重量也较大。

电动单梁桥式起重机由桥架、大车运行机构、电动葫芦及电气设备等部分组成。

2）桥式起重机：桥式起重机是桥架在高架轨道上运行的一种桥架型起重机，又称天车。

桥式起重机的桥架沿铺设在两侧高架上的轨道纵向运行，起重小车沿铺设在桥架上的轨道横向运行，构成一矩形的工作范围，就可以充分利用桥架下面的空间吊运物料，不受地面设备的阻碍。

桥式起重机广泛地应用在室内外仓库、厂房、码头和露天贮料场等处。

桥式起重机可分为普通桥式起重机、简易梁桥式起重机和冶金专用桥式起重机三种。

普通桥式起重机一般由起重小车、桥架运行机构、桥架金属结构组成。

起重小车又由起升机构、小车运行机构和小车架三部分组成。

起升机构包括电动机、制动器、减速器、卷筒和滑轮组。

电动机通过减速器，带动卷筒转动，使钢丝绳绕上卷筒或从卷筒放下，以升降重物。

小车架是支托和安装起升机构和小车运行机构等部件的机架，通常为焊接结构。

1.3.2 悬臂起重机
悬臂起重机有立柱式、壁挂式、平衡起重机三种形式
1）柱式悬臂起重机：柱式悬臂起重机是悬臂可绕固定于基座上的定柱回转，或者是悬臂与转柱刚接，在基座支承内一起相对于垂直中心线转动的由立柱和悬臂组成的悬臂起重机。

它适用于起重量不大，作业服务范围为圆形或扇形的场合。

一般用于机床等的工件装卡和搬运。

柱式悬臂起重机多采用环链电动葫芦作为起升机构和运行机构，较少采用钢丝绳电动葫芦和手拉葫芦。

旋转和水平移动作业多采用手动，只有在起重量较大时才采用
电动。

2）壁上起重机：壁上起重机是固定在墙壁上的悬臂起重机，或者可沿墙上或其他支承结构上的高架轨道运行的悬臂起重机。

壁形起重机的使用场合为跨度较大、建筑高度较大的车间或仓库，靠近墙壁附近处吊运作业较频繁时最适合。

壁行起重机多与上方的梁式或桥式起重机配合使用，在靠近墙壁处服务于一长方体空间，负责吊运轻小物件，大件由梁式或桥式起重机承担。

3）平衡起重机：平衡起重机俗称平衡吊，它是运用四连杆机构原理使载荷与平衡配重构成一平衡系统，可以采用多种吊具灵活而轻松地在三维空间吊运载荷。

平衡起重机轻巧灵活，是一种理想的吊运小件物品的起重设备，被广泛用于工厂车间的机床上下料，工序间、自动线、生产线的工件、砂箱吊运、零部件装配，以及车站、码头、仓库等各种场合
1.3.3 门式起重机
门式起重机一般根据门架结构形式、主梁形式、吊具形式来进行分类
1）全门式起重机：主梁无悬伸，小车在主跨度内进行。

2）半门式起重机：支腿有高低差，可根据使用场地的土建要求而定。

3）双悬臂门式起重机：最常见的一种结构形式，其结构的受力和场地面积的有效利用都是合理的。

4）单悬臂门式起重机：这种结构形式往往是因场地的限制而被选用。

5）单主梁门式起重机：单主梁悬臂门式起重机结构简单，制造安装方便，自身质量小，主梁多为偏轨箱形架结构。

与双主梁门式起重机相比，刚度要弱一些。

因此，当起重量Q≤50t、跨度S≤35m时，可采用这种形式.单主门梁式起重机门腿有L型和C型两种形式。

L型的制造安装方便,受力情况好，自身质量较小，但是吊运货物通过支腿处的空间相对小一些。

C型的支脚做成倾斜或弯曲形，目的在于有较大的横向空间，以使货物顺利通过支脚。

6)双梁桥式起重机：双梁桥式起重机承载能力强，跨度大、整体稳定性好，品种多，但自身质量与相同起重量的单主梁门式起重机相比要大些，造价也较高。

根据主梁结构不同，又可分为箱形梁和桁架两种形式。

目前一般多采用箱形结构。

1.4 起重机运行机构的驱动方式
起重机运行机构的驱动方式可分为两大类：一类为集中驱动，即用一台电动机带动长
传动轴驱动两边的主动车轮；另一类为分别驱动、即两边的主动车轮各用一台电动机驱动。

中、小型桥式起重机较多采用制动器、减速器和电动机组合成一体的“三合一”驱动方式，大起重量的普通桥式起重机为便于安装和调整，驱动装置常采用万向联轴器。

起重机运行机构一般只用四个主动和从动车轮，如果起重量很大，常用增加车轮的办法来降低轮压。

当车轮超过四个时，必须采用铰接均衡车架装置，使起重机的载荷均匀地分布在各车轮上。

而对于在磁盘环形桥式起重机运行机构设计中，起重量为15t+15t，所以只用四个主动和从动车轮。

起重机的运行机构分为有轨运行和无轨运行两类。

桥式起重机的运行机构基本上都是用轨行式的。

因为起重机在专门铺设的轨道上运行时，具有负荷能力大，运行阻力小，可以采用电力驱动等特点。

轨行式运行机构主要用于水平运移物品，调整起重机的工作位置以及将作用在起重机上的载荷传递给基础建筑。

1.5 起重机在中国的发展现状
我国工程起重机的研制起步于20世纪50年代。

1954年引进苏联K32型3吨汽车起重机的图纸和技术资料，由大连起重机厂试制。

1957年北京机械厂（北京起重机器厂前身）用国产解放牌汽车底盘试制了K32型起重机。

1958年在K32型基础上，参照K51型起重机构造，试制成中国第一台Q51型国产化5吨汽车起重机。

1961年产品开发归口于长沙建筑机械研究所以后，推动了新产品的开发研究，制定行业标准，促进了产品系列化和标准化的进程。

1967年长沙建筑机械研究所与徐州重型机械厂联合研制出10吨液压伸缩臂汽车起重机。

随后又由北京起重机器厂、徐州重型机械厂、长江起重机厂等企业试制出3、5、12、16、32吨级的液压伸缩臂汽车起重机。

从70年代开始，我国工程起重机行业新产品开发相当快。

1980年以来，汽车起重机和轮胎起重机品种不断增多，质量也不断提高，特别是1984年以来，轮式起重机年产量从2868台增加到1988年的4344台，液压轮式起重机的起重量从3吨到125吨，形成了系列。

同时在全国贯彻国际标准的基础上，制定了完整的轮式起重机标准以及试验规范、维修保养等一系列标准。

在近50年的发展过程中，我国工程起重机行业历经了从小到大，从无到有的风雨历程。

1954年至1969年，年产量没有超过1000台；1970年到1978年发展比较快，年产量从1373台上升到2693台；改革开放以来，受产品可靠性差以及在宏观发展和微观技术欠缺的影响，年产量一直徘徊在4000台左右。

1993年受投资拉动影响，年产量达到5700台
的历史顶峰，北京起重机器厂、徐州重型机械厂、浦沅工程机械厂、长江起重机厂成为当时我国工程起重机行业的四大骨干企业，号称工程起重机行业的“四大家族”。

在国内，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，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4 kW绕线式异步电动机、小车由一台2.5 kW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，机械冲击也较大，机械设备使用寿命缩短，操作人员的安全系数较差，设备运行可靠性较低。

3）由于电动机一直在额定转矩下工作，而每次升降的负载是变化的，因此容易造成比较大的电能浪费。

4）起重机每天需进行大量的装卸操作，由于绕线式电机调速是通过电气驱动系统中的主要控制元件---交流接触器来接入和断开电动机转子上串接的电阻，切换十分频繁，在电流比较大的状态下，容易烧坏触头。

同时因工作环境恶劣，转子回路串接的铜电阻因灰尘、设备振动等原因经常烧坏、断裂。

因而设备故障率比较高，维修工作量比较大。

同样小车、大车的运转也存在上述问题。

5）在起重机起升的瞬间，升降电动机有时会受力不均匀，易过载，直接造成电机损坏或者钢丝绳断裂。

6）为适应起重机的工况，起重机的操作人员经常性的反复操作，起重机的电器元件和电动机始终处于大电流工作状态，降低了电器元件和电动机的使用寿命。

7）起重机工作的协调性主要靠操作人员的熟练程度。

由于升降、大车、小车三个凸轮控制器之间没有固定的联系，在起重机工作时操作人员劳动强度比较大，容易疲劳，易产生误操作。

针对上述现有技术存在的不足，所以越来越多的国内外厂商生产的起重机采用先进的可编程控制技术（PLC）和变频器技术，以程序控制取代继电器----接触器控制，进而实现
了起重机的半自动化控制。

目前，我国的火电项目发电机组由原先60万kW为主体向100万kW为主体发展，用于火电建设的履带式起重机吨位由400吨级上升到600吨级。

而在炼油、石油化工项目中，随着项目工程的扩大，其反应器等设备的吨位也不断增大，催生了大型履带式起重机市场。

民用塔机跻身电力建设，以往国内的水电工程建设受多种因素的影响，在相当长的一段时间里，水工门机占据着主导的地位。

近几年，建筑塔机因其自身重量轻、安装拆除方便、覆盖范围大、工作效率高等优点，逐步进入水电施工领域，拓宽了塔机的应用范围，使塔机的吨位不断上升。

当今的中国境内销售的起重机品牌繁多，国际知名品牌利勃海尔、马尼托瓦克、特雷克斯－德马格、玛蒙特、神钢等都已登陆中国，再加上国内起重机制造商徐重、中联浦沅等企业，新产品推出的速度不断加快，掀起一轮轮起重机市场争夺的浪潮。

2 总体方案设计
2.1 如何选购PLC产品
在现代化的工业生产设备中，有大量的数字量及模拟量的控制装置，例如电机的起停，电磁阀的开闭，产品的计数，温度、压力、流量的设定与控制等，工业现场中的这些自动控制问题，若采用可编程序控制器（PLC）来解决自动控制问题已成为最有效的工具之一，本文叙述PLC控制系统设计时应该注意的问题。

硬件选购目前市场上的PLC产品众多，除国产品牌外，国外有：日本的OMRON、MITSUBISHI、FUJJ、anasonic,德国的SIEMENS，韩国的LG等。

近几年，PLC产品的价格有较大的下降，其性价比越来越高，这是众多技术人员选用PLC的重要原因。

那么，如何选购PLC产品呢?
1）系统规模首先应确定系统用PLC单机控制，还是用PLC形成网络，由此计算PLC 输入、输出点数，并且在选购PLC时要在实际需要点数的基础上留有一定余量（10%）。

2）确定负载类型根据PLC输出端所带的负载是直流型还是交流型，是大电流还是小电流，以及PLC输出点动作的频率等，从而确定输出端采用继电器输出，还是晶体管输出，或品闸管输出。

不同的负载选用不同的输出方式，对系统的稳定运行是很重要的。

3）存储容量与速度尽管国外各厂家的PLC产品大体相同，但也有一定的区别。

目前还未发现各公司之间完全兼容的产品。

各个公司的开发软件都不相同，而用户程序的存储容量和指令的执行速度是两个重要指标。

一般存储容量越大、速度越快的PLC价格就越高，但应该根据系统的大小合理选用PLC产品。

4）编程器的选购PLC编程可采用三种方式：
是用一般的手持编程器编程，它只能用商家规定语句表中的语句编程。

这种方式效率低，但对于系统容量小，用量小的产品比较适宜，并且体积小，易于现场调试，造价也较低。

是用图形编程器编程，该编程器采用梯形图编程，方便直观，一般的电气人员短期内就可应用自如，但该编程器价格较高，是用IBM个人计算机加PLC软件包编程，这种方式是效率最高的一种方式，但大部分公司的PLC开发软件包价格昂贵，并且该方式不易于现场调试。

因此，应根据系统的大小与难易，开发周期的长短以及资金的情况合理选购PLC产品。

5）尽量选用大公司的产品其质量有保障，且技术支持好，一般售后服务也较好，还有利于产品扩展与软件升级。

2.2 PLC的选型标准
世界上有很多厂商生产PLC,如德国的西门子、日本的三菱、松下，美国GE公司等，尤其三菱FXPLC，是小形化，高速度，高性能和所有方面都是相当FX系列中最高档次的超小程序装置，除输入出16～25点的独立用途外，还可以适用于多个基本组件间的连接，模拟控制，定位控制等特殊用途。

完成系统的设计主要是选型和程序设计。

但是由于PLC 应用在不同场合，有不同的工艺流程，对控制功能有不同的要求，由于各程序难易程度不一样，因此有一定的选择标准：
1）PLC机型选择主要考虑I/O点数。

根据控制系统所需要的输入设备（如按钮、限位开关、转换开关等）、输出设备（如接触器、电磁阀、信号指示灯等）以及A/D、D/A转换的个数。

确定I/O的点数。

一般要留有一定裕量（约占10%），满足生产发展和工艺的改进。

2）随着PLC功能日益完善，很多小型机也具有中、大型机的功能。

对于PLC的功能选择，一般只要满足I/O点数，大多数机型也能满足。

目前大多数PLC机型都具有I/O扩展模块、A/D、D/A转换模块，以及高级指令、中断能力与外设通信能力。

3）PLC一般根据I/O点数的不同，内存容量会有相应的差别。

在选择内存容量时同样应留有一定余量，一般时实际程序的25%。

不应单纯追求大容量，以够用为原则。

4）在PLC机型选取上要考虑控制系统与PLC结构功能的合理性。

如果是单机系统控制，I/O点数不多，不涉及PLC之间的通信，但又要求功能更强，要求有处理模拟信号的能力，可选择整体式机，如松下FP0、FP1、FP-M系列，以及OMRON C200H系列等。

如果仅有开关量控制，可选择OMRON C系列P型机、西门子S7-200,三菱F1、FX系列等。

5）一个企业尽量选择同一类型的PLC同一机型PLC模块可互为利用，便于采购管理；同一机型PLC的功能、编程方法相同，有利于技术人员水平的提高；同一机型PLC，其外围设备通用，资源共享，易于联网通信，与上位计算机配合可形成多级分布式的控制系统。

由于松下FP系列相比较有体积小、功能较多、编程方便，稳定性，此外还开发了A/D 和D/A转换单元，主控单元通过I/O扩展单元扩展I/O点数，本课题将选择松下PLC进行程序设计。

2.3 PLC程序设计的基本步骤
1）对桥式起重机工作现场的调查。

程序设计要首先对现场进行调查以适应不同的工作环境，可编程控制器是专门为工业环境下应用而设计的，因此，可编程控制器一般都能满足工业场合的要求。

但在一些特殊场合下，可编程控制器不能满足要求时，应对可编程
控制器采取适当防护措施。

现场的调查包括以下内容：
a.环境温度和环境湿度。

b.编程控制器机构的振动和冲击情况。

c.环境内的电磁干扰情况。

d.工作环境内有无腐蚀性气体和过量粉尘。

e.供电电源情况
2）确定桥式起重机系统运行方案。

根据桥式起重机工作要求详细了解系统完成哪些动作，动作的先后顺序以及各动作之间的相互制约关系等。

各种物理量的检测手段，如温度、压力、速度、位移、位置等物理量的检测。

设备及人生安全的保障措施。

3）统计输入设备和输出设备的数量，规格和型号。

确定该系统输入点和输出点的数量及其性质（直流量或交流量、数字量或模拟量）。

4）根据以上三项的要求，选择满足上述要求的可编程控制器的规格和型号。

5）输入输出定义。

输入输出定义又叫I/O分配，就是把输入量分配给可编程控制器的输入点I，把输出量分配给可编程控制器的输出点O。

6）编辑梯形图。

根据系统流程的要求和I/O分配，编辑满足系统要求的梯形图。

首先要合理的划分功能模块，这样做的目的是使程序层次清楚，便于检查、单块调试和系统总调。

其次是合理利用指令，提高内存的利用率，减少内存投资，缩短运行周期，提高系统的研制周期。

7）详细地对所设计的梯形图进行检查和修改，以缩短系统的研制周期。

8）程序的试运行。

程序的试运行可以分两个阶段进行，即模拟运行和现场运行。

编好梯形图并输入到可编程控制器的内存中，在离线状态下，利用编程器的OP-10,11强制I/O 的ON/OFF功能，接通某些输入点I,观察输出点O的指示灯，检查是否满足系统规定的要求。

模拟运行工作无误后，就可编程控制器安装到现场并与系统相连接，进行现场试运行。

在实际工作中以上8个步骤，不是决然分开的，往往相互穿插进行，直至程序满足系统要求为止。

2.4 程序设计编程基本原则与注意问题
2.4.1 程序设计（梯形图）编程基本原则
1）梯形图按自上而下，从左到右的顺序排列。

每个继电器线圈为以逻辑行，又称为一个梯级。

每个梯形图由多层逻辑行组成。

每一逻辑行起于左母线，经触电、线圈终止于。