学校代码：10206 学生学号：1111111
白城师范学院
毕业论文（设计）
可移动升降机设计 （控制部分）
Mobile hydraulic lift （control part）
学生姓名：xxx
指导教师：xxx 教授
学科专业：机械设计制造及其自动化 所在单位：机械工程学院
2014 年 5 月
摘要 摘要
随着社会的飞速发展，社会生产力也要不断的深化。各个领域都在发展研究各种科研技术。可移动液压升降机是一种典型的物料搬运机械，具有工作范围广、可靠性高、易控制、载荷大等优点，在企业生产活动中有着广泛显著的应用。
可移动液压升降机的工作环境复杂，作业负荷大而频繁，机械振动冲击严重。本文研讨基于可编程序控制器（PLC）和变频器在可移动液压升降机控制系统中的设计，阐述了PLC控制技术融入可移动液压升降机控制系统在实际中的应用。本设计以三菱PLC作为主控制器，三菱FR-A540系列变频器作为调速控制器。
关键词: 升降机 PLC控制 滑动平台 可移动
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Abstract Abstract
With the rapid development of society, social productivity will also continue to deepen. Every field in the development and research all kinds of scientific research and technology. Mobile hydraulic elevator is a kind of typical material handling machinery, has a wide working range, high reliability, the advantages of easy control, load is big, has extensive application in the enterprise production activities significantly.
Mobile hydraulic lift the complex work environment and work load big and frequent, mechanical vibration impact seriously. This article research based on programmable controller (PLC) and frequency converter in mobile hydraulic elevator control system design, this paper expounds the PLC control technology into mobile hydraulic elevator control system in the actual application. This design by mitsubishi PLC as the main controller, mitsubishi FR - A540 series inverter as a speed controller.
Keyword: elevator PLC control Sliding platform mobile
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Abstr 目录
摘要 ............................................................................................................................................... I Abstract ...................................................................................................................................... II 目录 ............................................................................................................................................ III 1 绪论 .......................................................................................................................................... 1 1.1 可移动液压升降机的概述 .................................................................................................. 1 1.2 可移动液压升降机的结构 .................................................................................................. 1 2 可移动液压升降机总体设计方案.......................................................................................... 2 3 变频调速及变频器 .................................................................................................................. 3 3.1 变频调速的基本原理 .......................................................................................................... 3 3.2 变频器的保护 ...................................................................................................................... 5 3.2.1 过电流保护 ....................................................................................................................... 5 3.2.2 过电压保护 ....................................................................................................................... 6 3.2.3 欠电压保护 ....................................................................................................................... 6 3.3 系统的硬件部分选择 .......................................................................................................... 6 3.3.1 电机的选用 ....................................................................................................................... 6 3.3.2 变频器的选择 ................................................................................................................... 7 3.3.3 常用辅助器件的选择 ..................................................................................................... 10 4 可移动液压升降机控制系统设计........................................................................................ 12 4.1 可编程控制器的简介 ........................................................................................................ 12 4.1.1 PLC的基本概念 ............................................................................................................. 12 4.1.2 PLC的基本结构 ............................................................................................................. 12 4.1.3 PLC的工作原理 ............................................................................................................. 13 4.2 控制系统的外部接口与变频器参数 ................................................................................ 13 4.2.1 PLC I/O及地址分配 ....................................................................................................... 13 4.2.2 变频器主要参数设置 ..................................................................................................... 14 4.2.3 PLC及变频器接口设计 ................................................................................................. 14 结论 ............................................................................................................................................ 18 参考文献 .................................................................................................................................... 19 致谢 ............................................................................................................................................ 20
III
绪论 1 绪论
随着社会的快速发展，社会生产力也要不断的深化。各个领域都在发展研究各种科研技术。可移动液压升降机的发展趋势也不断多元化，经济性、安全性、可靠性、环保性、耐久性等是现代可移动液压升降机的发展趋势。可移动液压升降机是一种升降性能好，适用范围广的货物举升机构，用于生产时高度差设备之间的货物运送，物料上线、下线，是建筑施工中不可缺少的机械。
1.1 可移动液压升降机的概述
可移动液压升降机由行走机构，液压机构，电动控制机构，支撑机构组成的一种升降机设备。可移动液压升降机，主要是通过液压油的压力传动从而实现升降的功能，它的剪叉机械结构，使升降机起升有较高的稳定性，宽大的作业平台和较高的承载能力，使高空作业范围更大、并可使多人同时作业。它使高空作业效率更高，安全更保障。也广泛应用于汽车、模具制造、集装箱、木材加工、化工灌装等各类工业企业及生产流水线，满足不同作业高度的升降要求[1]。
1.2 可移动液压升降机的结构
根据可移动液压升降机的平台尺寸1800*1200mm，参考国内外同类产品的工艺参数可知，该升降机宜采用单叉机构形式：有两个同步液压缸做同步运动，以达到可移动液压升降机升降的目的。常见的单叉机构有以下三种：如下图1-1所示。其中，双铰接剪叉式结构稳定，载荷较大，性能好，本设计采用双铰接剪叉式。
图1-1可移动液压升降机结构示意图
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可移动液压升降机总体设计方案 2 可移动液压升降机总体设计方案
设计升降高度为4.5m，起重质量为500kg，空载行走速度100m/h，平台面尺寸（长×宽/mm）1800×1200，结构形式为剪叉结构，半自动行走，电源动力380V/50Hz，2.2Kw。本设计以三菱FX系列PLC作为可移动液压升降机控制系统的主控制器，对升降机的运作进行控制。对速度的控制采用变频调速，通过三菱FR-A540系列变频器实现。
可编程控制器PLC为核心控制器，通过主令控制器，控制面板，限位开关，操作按钮输入，完成设备的运行、调试和调速控制。由于各个机构的情况不同，对调速要求也不相同。控制系统由PLC控制，升降机构调速采用变频调速。升降机变频调速系统主要由电源以及安全保护系统、主令控制器、PLC控制系统、变频调速系统等组成。主电路图如图2-1所示。
升降机构 运行机构
图2-1主电路图
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变频调速及变频器 3 变频调速及变频器
变频调速是改变电动机定子电源的频率，从而改变其同步转速的调速方法[2]。变频调速系统主要设备是提供变频电源的变频器。变频器可分为交流-直流-交流变频器和交流-交流变频器两大类。交流-直流-交流变频器效率高，调速过程中没有附加损耗，调速范围大且可以实现平滑调速，调速性能好，可用于笼型异步电动机，因此本设计采用交流-直流-交流变频器[3]。
3.1 变频调速的基本原理
根据异步电动机有关知识，异步电机的转速公式为：
60f n?p?1?s? （3-1）
其中n—异步电动机的转速，单位为r/min；
f—定子的电源频率，单位为HZ； s—电机的转速滑差率； p—电机的极对数。
由上式（3-1）可知，如果改变输入电机的电源频率f，则可相应的改变电机的输出转速。在交流异步电动机中，磁通是定子和转子合成产生的[4]。
三相异步电动机每相电动势的有效值为：
式中
Eg?4.44fNK?11N1m （3-2）
Efg—气隙磁通在定子每相中感应电动势有效值，单位为V；
1—定子频率，单位为HZ；
N1—定子每相绕组串联匝数；
KN1—基波绕组系数；
?—极气隙磁通量，单位为Wb；
m由公式（3-2）可知，只要控制好Eg和f1，便可以控制磁通不变，需要考虑额定基频（额定频率）以上和以下两种情况。
a.基频以下调速
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白城师范学院本科毕业论文 通常可采用恒定范围的电动势Eg，由上式可知，要保持不变，单频率f1从额定值f1n向下进行调节时，必须同时降低电动势Eg值，然而电动机绕组中会产生感应电动势，而且感应电动势是无法进行人为控制的；当电动势值较高时，为了方便计算，可以近似忽略电子绕组中的漏磁现象所产生的电压降，而认为定子相电压u1≈ug，则得u1/f=常数。低频时，u1和Eg值较小，定子阻抗压降所占的比值比较明显，不能忽略。这时，可以人为的把电压u增大一些，以便近似的补偿定子压降。带定子压降补偿的恒功率比控制特性为b线，无补偿为a线。如图3-1所示：
图3-1 恒压频比控制特性
b.基频以上调速
在基频以上调速时，频率f1往上增高，但是电压u磁通与频率成反比。把基频以下和基频以上两种情况结合起来，可得到异步电动机的变频调速控制特性。如图3-2所示。
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变频调速及变频器
f1（频率） 图3-2异步电动机变压变频调速控制特性
3.2 变频器的保护
3.2.1 过电流保护
由于变频器的过载能力比较差，变频器的过电流保护很重要。过电流保护主要是指电流的峰值超过了变频器允许的最大值。
工作中过电流是指拖动系统在工作过程中出现的过电流，其原因大致来源于以下几个方面。
a.电动机遇到冲击负载或传动机构出现卡死现象，引起电动机电流的突然增加。 b.变频器的输出侧短路，如输出端到电动机之间的联机发生相互短路，或电动机内部发生短路等。
c.变频器自身工作的不正常。如升速中的过电流当负载的惯性较大，而升速时间又设置的太短时，将产生过电流。
常用出来方法：
1、起动时一升速就跳闸，这是过电流非常严重的现象，主要检查： 1）工作机械是否有卡住现象 2）负载侧是否短路
3）变频器功率模块是否损坏
4）电动机的起动转矩是否过小，拖动不起来 2运动期间跳闸，主要检查：
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白城师范学院本科毕业论文 1）升速时间是否设定太短，需加长加速时间
2）减速时间是否设定太短，需加长减速时间
3）转矩补偿（U/F）设定太大，从而引起低频时空载电流过大
4）电子热继电器整定不当，动作电流设定得太小，引起变频器误动作
3.2.2 过电压保护
a.产生过电压的原因如下： （1）电源过电压
（2）降速时因反馈量来不及释放而形成的再生过电压
b.过电压的保护措施
（1）电源过电压 对于电源电压的上限，一般规定不能超过额定电压的10%，当电源线电压为380v时，其上限值为420v。由于电源电压过高，将直接反映在整流后的直流电压上；同时，再生过电压也直接反映在直流电压上。
（2）重新制动时防止跳闸的功能和升速过程中出现过电流时防止跳闸的功能一样，在降速过程中出现过电压，也可采取缓慢降速的方法来防止跳闸。
3.2.3 欠电压保护
对于电源方面引起的欠电压，变频器设定的动作电压一般都较低。发生欠电压后，电动机的转矩下降电流增大，而新系列的变频器都具有各种补偿功能和过载保护功能，使得电动机能继续运行。
3.3 系统的硬件部分选择
3.3.1 电机的选用
（1）调速对电机的要求
采用变频调速时，由于变频器输出波形中高次谐波的影响以及电动机转速的提高产生一些与在工频电源下传动时的不同特征[5]。主要反映在功率因数、频率、性能、温升、噪音及振动等方面。随着V/F控制方法增强型的应用，使变频器输出的波形、成分、功率因数及使用效率等得到了很好的改善，有效地提高了变频控制电机的低速阶段转矩值。
（2）变频升降机系统中电机的选型
YZR，YZ系列电机具备过载能力大和机械强度高的特点。YZR系列为绕线转子电动机，YZ系列为鼠笼型电动机。本设计大小车电机选用YZ系列。
YZB系列升降机冶金用变频调速三相异步电动机，是将三相异步电动机的特点与变
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变频调速及变频器 频调速的优点集于一体，具有过载能力大机械强度高，调速宽，运行稳定等特点。本设计的起升部分选用该系列[5]。电动机的选择如下表3-1所示。 机构 电动机型号 额定功率/电流 YZB-160M-6 2.2KW/4.4A 升降机构 YZ-160M-6 1.8KW/3.6A 行走机构
表3-1 电动机的选择
3.3.2 变频器的选择
a.变频器选型
升降机各机构负载为恒转矩负载。本系统选用FR-A540变频器。三菱变频器具有较合理的价格，完整的理论计算书及其辅件推荐值，有利于用户的合理选用。
目前，市场上流行的变频器大致可分为两类：一类是适用于中小负载的一般通用变频器；另一类是适用于高精度控制下的高性能通用变频器。高性能通用变频器与一般的通用变频器相比，有以下等优点：
1）宽的调速范围：1：100以上， 2）良好的低频起动特性，
3）额定电压下的全范围恒转矩输出，
4）变频器系统具有良好的静态特性和动态特性， 5）完整和快速的故障诊断、保护和报警功能， 6）变频器和其驱动的电动机噪音小。
b.变频器容量的选择
考虑到电源电压的波动因素及需通过125%超载试验要求等，其最大转矩必须要满足1.8~2倍的负载力矩值，以确保其安全使用的要求。等额变频器仅仅能够提供小于150%超载力矩值，为此可以通过提高变频器的容量（YZ型电机）或同时提高变频器的容量和电动机的容量（Y型电机）来获得0~250%的力矩值。
1）运行机构工作频率较小，变频器的选择根据电动机的额定功率为依据，通常选额定功率大一级的变频器。
2）起升机构属位能负载机构，不但要求高的转速和起制动的控制精度，而且对转矩控制也要求严格。一般以电动机的额定电流、负载率和变频器运行的效率为依据。则变频器的额定电流一般为电动机额定电流的1.2倍以上，起升机构平均起动转矩一般为额定力矩值的1.3~1.6倍。
根据升降机电机驱动特性和技术要求，采用FR-A540系列变频器作为主、副起升机构的电机驱动，FR-A540系列变频器作为行走机构的电机驱动，FR-A540系列是一种通用性能矢量控制型变频器，功能强，价格低，完全能够满足行走机构的需求。
升降机运行机构运行方向有前后左右，根据运行速度至少要分为1~5挡，加减速时间为3s，行走机构采用一台电动机驱动，变频器都配置了制动单元及制动电阻来释放能量。升降机整个电气系统由FX-2N系列PLC进行控制，变频器通过开关量端子接收
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白城师范学院本科毕业论文 PLC控制信号。
综上所述，升降机各执行机构变频器的选择如下表3-2所示。 机构 变频器型号 额定功率/电流 FR-A540-28KW-CH 4KW/8A 升降机构 FR-A540-24W-CH 3KW/6A 行走机构
表3-2各机构变频器的选择
c.FR-A540变频器的电路结构 1）主回路端子说明
主电路是将恒压的三相正弦交流电压输入电源，经过整流电路将三相正弦交流电压转换成恒定的直流电压，再将直流电压输入逆变电路。最后由逆变电路，将恒定的直流电压逆变成电压和频率均可调的三相交流电供给电动机负载。
R、S、T为交流电源输入端子，连接工频电源。当使用高功率因数转换器时，确保这些端子不连接。U、V、W为变频器输出端子，接三相鼠笼电机。
R１、Ｓ１与交流电源端子R、S连接。在保持异常显示和异常输出时或者使用高功率因数转换器时，要拆下短路片，并提供外部电源到此端子。
Ｐ、PR，连接选件制动电阻器FR－ABR。变频器外壳需接地。 2）控制回路端子
STF正传启动，STF信号为ON便正转，为OFF时便停止。程序运行时为开始新号。STR反向启动，当STF和STR信号同时处于ON时，相当于给出停止命令。
MPS输出停止，MPS信号处于ON（20s以上）时，变频器停止输出。用电磁制动停止电机时，用于断开变频器的输出[6]。FR-A540变频器接口图如下图3-3所示，参数表如下表3-3所示。
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变频调速及变频器
图3-3 FR-A540接口图
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白城师范学院本科毕业论文 参数号 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26
名称 转矩提升 上限频率 下限频率 基底频率 速度设定（高速） 速度设定（中速） 速度设定（低速） 加速时间 减速时间 电子过电流保护 启动频率 点动频率 点动加减速时间 MPS输入选择 高速上限频率 加减速参考频率 多段速度输入补偿 加减速曲线 频率跳变1A 频率跳变1B 频率到达运作范围 输出频率检测 智能模式选择 电机容量 电机级数 电机额定电压 电机额定频率 设定范围 0到30% 0到120HZ 0到120HZ 0到400HZ 0到400HZ 0到400HZ 0到400HZ 0到360s 0到360s 0到50A 0到400HZ 0到400HZ 0到360s 0，2 12至400HZ 1至400HZ 0，1 0，1，2，3 0至400HZ 0至400HZ 0至100% 0至400HZ 0至8 0.4至12KW 2，4，6，12，14 0到1000V 50到120HZ 最小设定 0.1% 0.01HZ 0.01HZ 0.01HZ 0.01HZ 0.01HZ 0.01HZ 0.1s 0.1s 0.01A 0.01HZ 0.01HZ 0.1s 1 0.01HZ 0.01HZ 1 1 0.01HZ 0.01HZ 0.1% 0.01HZ 1 0.01KW 1 0.01V 0.01HZ 表3-3 FR-A540部分参数表
3.3.3 常用辅助器件的选择
变频器系统是由断路器、接触器、电抗器、变频器、制动电阻等器件组成。 a.断路器
为避开变频器使用时直流电容器的充电电流峰值，因此变频器配置的断路器容量应为电机额定电流的1.3-1.4倍，整定值为断路器额定值的3-4倍。
b.接触器
接触器在变频器主回路中起到当控制回路或变频器辅助器件故障时断开主回路的作用。
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变频调速及变频器 c.交流电抗器
当变频器直接连接一个大容量的电源变压器时，可能在电网中产生过峰值电容，使变频器损坏。因此，在变频器的输入端加交流电抗器，可以降低电机噪音，改善起动转矩，在电机轻载时改善功率因数等作用。
d.制动单元
在变频调速中，电动机的降速和停机是通过减小变频器的输出频率，从而降低电动机的同步转速的方法来实现。当电动机减速时，频率刚减小的瞬间，电动机的同步转速随之降低，由于机械惯性，电动机转速没有突变，实际转速高于同步转速。为了减小惯性系统的减速时间，通常在直流电路中加一个检测直流电压的晶体管。一旦直流回路电压超过一定的界限，该晶体管导通，并将过剩的电能转化为热能。此装置即为制动单元。
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可移动液压升降机控制系统设计 4 可移动液压升降机控制系统设计
随着计算机技术的发展，PLC不断发展更新。现在的PLC不仅能进行逻辑控制，还可以进行数字元量的智能控制、数据采集、监控、通讯联网及集散控制系统等。
4.1 可编程控制器的简介
可编程控制器（Programmable Logic Controller)简称为PLC，主要用于顺序控制，PLC及其网络已经成为现代化工业自动化的支柱单元之一。目前PLC已经发展到第四代，具有逻辑控制、过程控制、运动控制、数据处理等功能[7]。
4.1.1 PLC的基本概念
PLC专为工业环境下应用而设计的一种数字运算操作的电子装置，是带有存储器、可以编制程序的控制器。它能够存储和执行指令，进行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作，并通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程[8]。
4.1.2 PLC的基本结构
PLC从结构上可分为整体式结构、模块式结构及混合式结构。其硬件结构基本相同。
a.中央处理器（CPU）
CPU芯片是PLC的核心。所有PLC的动作（程序输入、程序执行、通信、自检等）都需要CPU芯片的参与。各种PLC的CPU芯片类型不同，一般是8位或16位单片机。
b.存储器
存储器在PLC中用于存储各种系统程序、用户程序、数据等。 c.I/O单元
I/O单元是PLC与现场工业设备连接的电路。现场开关（行程开关、传感器等）信号通过I/O单元输入PLC，而PLC输出信号从PLC输出到工业设备。
d.通信接口
一般平乐村的主机上至少有一个RS232通信接口或RS485通信接口。PLC可以通过RS232通信接口直接和上位计算机通信；若是RS485通信接口，则PLC和上位计算机通信时还需要一个连接器。
e.电源单元
PLC电源单元的输入电压有直流12V、24V、48V和交流110V、220V，使用时根据需要选择[9]。
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白城师范学院本科毕业论文 4.1.3 PLC的工作原理
与其他控制装置一样，PLC根据输入信号的状态，按照控制要求进行处理判断，产生控制输出。PLC采用循环扫描的工作方式，其过程可分为读输入、程序执行、写输出3个阶段[10]。
a.读输入阶段
PLC在读输入阶段，以扫描的方式依次读入所有输入信号的状态，并将它们存入存储器输入暂存区的相应单元内。
b.程序执行阶段
PLC在程序执行阶段，按照先后次序逐步执行用户程序指令。 c.写输出阶段 当用户程序执行完毕后，PLC将进入写输出阶段。在此期间PLC根据输出映像区中的对应状态刷新所有的输出锁存电路，再经过隔离驱动到输出端子，输出控制信号。这才是PLC的真正输出[11]。
4.2 控制系统的外部接口与变频器参数
4.2.1 PLC I/O及地址分配
根据控制要求对输入、输出量进行设计，并确定外部接口。如下表4-1所示。 输入设备 输入地址 输出设备 输出地址 X0 Y0 电源总按钮SB1 总电源继电器KM1 X1 Y1 紧急按钮SB2 升降继电器KM2 X2 Y2 行走机构开关SB3 行走继电器KM3 X3 Y3 升降开关SB4 行走机构前进 X4 Y4 行走复位SB5 行走机构后退 X5 Y5 行走机构前进 固定频率10 X6 Y6 行走机构后退 固定频率20 X7 Y7 行走机构一档 前后 X8 Y8 行走机构二档 前后 X9 Y9 行走机构三档 前后 X10 Y10 行走机构四档 前后 X11 Y11 行走机构五档 前后 X12 升降复位/开始SB6 X13 升降正转 X14 升降反转 X15 升降正向限位开关SQ1 X16 升降反向限位开关SQ2 X17 升降一档 - 13 -
可移动液压升降机控制系统设计 升降二档
X18 表4-1PLC I/O接口分配
4.2.2 变频器主要参数设置
以行走机构变频器参数设置为例，首先将所用电机铭牌数据输入Pr80_Pr85，行走机构变频器应该输入电机的总电流和总功率。其参数如下表4-2所示 参数号 参数值 说明 Pr.0 3% 转矩提升 Pr.1 60HZ 上限频率 Pr.2 0HZ 下限频率 Pr.3 40HZ 高速速度设定 Pr.4 20HZ 中速速度设定 Pr.5 10HZ 低速速度设定 Pr.6 3s 加速时间 Pr.7 3s 减速时间 Pr.8 48A 过电流保护 Pr.9 5HZ 启动频率 Pr.10 3s 点动加减速时间 Pr.11 10HZ 点动加减速频率 Pr.12 8KW 电机容量 Pr.13 6 电机级数 Pr.14 360V 电机额定电压 Pr.15 8A 电机额定电流 Pr.16 1 V/F特性 Pr.17 60HZ 高速上限频率 Pr.18 2 外部操作模式选择
表4-2 变频器参数设定
4.2.3 PLC及变频器接口设计
a.行走机构单元电路图
行走机构采用一台电动机和一台变频器进行控制。其控制电路图如下图4-1所示。
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致谢 致谢
衷心感谢指导教师xxx老师对本人的精心指导。她的言传身教将使我终生受益。在毕业设计过程中，x老师对我的设计给予了细致的指导和建议，给我提供了大量有关资料和文献，并对我此次设计的再三的指正。x老师的精心辅导及对工作负责的态度使我在知识上和思想上更是受益匪浅。
同时，也要感谢和我一同毕业的同窗们，感谢他们的支持和帮助！
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