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爬模机电气控制系统的设计
论文题目:
爬模机电气控制系统的设计
专业:
自动化
摘要
爬模机是采用顶升式爬模,利用电机来爬升模板的机器。
爬模机的模板安装与传统模板的安装流程上保持一致,但有区别的是模板的拆装过程。
传统式模板安装需要将模板分开,一次安装一个小块,整个墙面需要安装很多次,而采用顶升式爬模模板安装,只需要由5根主立柱顶着整个工作平台上升,所有模板也随着整个平台顶升,一次性将所有模板吊装到位,大大简化了高层建筑物和桥梁的施工。
如果采用爬模机安装修建高层,模板安装这个过程花费也就不到1天时间,大大缩短了建筑所需时间。
因此对爬模机电气控制系统进行研究具有很大的现实意义。
文章对爬模机电气系统的设计进行了比较深入的研究,论文的主要内容包括:
第一,阅读了一些爬模机电气控制系统的相关文献,对西门子S7-200PLC、西门子MM420变频器等有了深入的研究,搭建起了系统的硬件平台。
第二,在西门子S7-200PLC的编程软件平台上,设计出了爬模机工作的控制程序,完成对爬模机手动6个速度档位的控制与自动爬模程序。
第三,对西门子SmartLine700触摸屏操作手册与SIMATICWinCCflexible2008软件进行了研究,设计出了触摸屏的3个操作界面,实现了触摸屏对爬模机的控制与监控。
最后在构建的爬模机硬件平台上进行安装与调试,验证系统运行的可靠性。
关键词:
爬模机,PLC,变频器,触摸屏
Subject:
ElectricalcontrolsystemdesignoftheClimbingMouldMachine
Specialty:
Automation
ABSTRACT
Climbingmouldmachineisadoptroofuptypeclimbmode,greatlysimplifiesthetallbuildingandbridgeconstruction.Climbingmouldmachine'sforminstallationandtraditionaltemplateoftheinstallationprocessbeconsistent,butthereisadifferencebetweenthedisassemblyprocessistemplate.Traditionalforminstallationwillneedtoseparatetemplate,ainstallasmallpieceof,thewholemetopeneedtoinstallalotoftimes,anduseroofuptypeclimbingmouldtemplateinstallation,onlyneed5rootbylordpillartopthewholeworkplatformrise,alsowiththejack-upplatform,one-timealltemplatehoistinginposition.Ifusetheforeignclimbingmouldmachineinstallationbuildhigh-rise,templateinstallthisprocesscostlessthan1daytime,greatlyshortenthetimerequiredforthebuilding.Sothetopic'sresearchhasgreatpracticalsignificance.
Inthispaper,thedesignsofclimbingmouldmachine’selectricalcontrolsystemarecomparedoffurtherresearch.Themaincontentsofthethesisinclude:
Firstlybyreadingtherelevanttextbooksandpapers,isfamiliarwithSiemensS7-200PLC,SiemensMM420frequencyconverterandpotentiometer,establishingthesystemhardwareplatform.
SecondlybasedonSiemensS7-200PLCprogrammingsoftwaredesignstudying.Designedcompleteprocedurethemouldclimbingmachineworkrequired,completionoftheclimbingformworkmachinemanual6speedshiftcontrolandautomaticclimbingprogram.
ThirdlyBasedonlearningwithSiemensSmartLine700touchscreenoperationmanualandSIMATICWinCCflexible2008software,todesign3touchscreeninterface,realizationoftouchscreenonmotorcontrolandmonitoring.
Thelastconnectingthehardwareplatformandthetouchscreenconnectedfordebugging,verificationofthesystemreliability.
KEYWORDS:
climbingmouldmachine,PLC,frequencyconverter,touchscreen
第1章绪论
1.1课题来源
爬模机是机、电、液一体化的大型机械,应用于超高层建筑和桥梁的施工中,大大简化了施工的程序。
随着交通需要的飞速发展和桥梁技术的日益进步,现代桥梁逐渐向大跨度方向发展,出于结构上的需要和桥位处地形、地貌的制约,桥梁设计中超过百米高的桥墩和数百米高的索塔已不再少见,这对施工技术提出了更高的要求。
面对如此高度的空心(或实心)薄壁建筑物,如何做到施工的优质、安全、高效是现代桥梁施工中的一道难题[1]。
爬模是爬升模板的简称,国外也叫跳模。
它由爬升模板、爬架(也有的爬模没有爬架)和爬升设备三部分组成,在筒体体系和桥墩筀等高耸结构中是一种有效的工具。
由于具备自爬的能力,因此不需起重机械的吊运,这减少了施工中运输机械的吊运工作量[2]。
在自爬的模板上悬挂脚手架可省去施工过程中的外脚手架。
目前国内的爬模技术发展非常缓慢,主要原因是国内的科研单位资金紧张,科研经费不够,使得开发时速度慢,起点低,仅能在学习国外先进技术的基础上结合国情做一些开发和改进。
因此水平普遍较低、体系不配套、质量也不高。
液压爬模作为一种重要的施工技术,广泛应用于超高层建筑和高耸结构施工。
关于爬模机电气控制系统的可靠性理论与可靠性试验技术的研究,对于爬模机产品的质量与可靠性的提高无疑具有重要意义。
鉴于爬模技术会在将来得到广泛地应用,与普通的模板技术相比有施工速度快、操作简洁、工程质量好、降低成本的特点。
为此,我们有必要学习和掌握爬模的基本控制理论,为以后的工作和生活奠定基础,争取在国内爬模技术中尽早得到突破,促进爬模技术的发展。
因此,对爬模机电气控制系统的设计的研究对现实生产有很大的实际意义。
1.2国内外爬模机研究现状
随着交通需要的飞速发展和桥梁技术的日益进步,现代桥梁逐渐向大跨度方向发展,出于结构上的需要和桥位处地形、地貌的制约,桥梁设计中超过百米高的桥墩和数百米高的索塔(运用于斜拉桥和悬索桥)已不再少见,这对施工技术提出了更高的要求。
面对如此高度的空心(或实心)薄壁建筑物,如何做到施工的优质、安全、高效是现代桥梁施工中的一道难题[3]。
爬模是爬升模板的简称,国外也叫跳模。
它由爬升模板、爬架(也有的爬模没有爬架)和爬升设备三部分组成,在筒体体系和桥墩筀等高耸结构中是一种有效的工具。
由于具备自爬的能力,因此不需起重机械的吊运,这减少了施工中运输机械的吊运工作量。
在自爬的模板上悬挂脚手架可省去施工过程中的外脚手架。
在多种灌筑混凝土的模板中,联邦德国皮利公司的模板在其获得专利后而引人注目,尤其是KG-180爬模底板和KG-240爬模(数字表示工作台宽度)。
工作台按5000Pa负荷或托座按3500N设计。
爬模拼合板的最大拼合高度不超过6.5米,用人工传动装置安装。
这种爬模技术很适用于高大工程混凝土的灌筑,已有多座桥梁应用这种模板灌筑桥墩混凝土。
其中最典型的是西班牙北部柳拿巴里奥桥的125m的钢筋混凝土桥(1983年)。
爬模技术的产生对高大工程的建筑提供了很大便利,在当时产生了深远影响。
在八十年代初,日本已经利用爬模施工法成功建成了身高25米,圆形截面直径为3.50米的新毛谷桥的高桥墩。
同样,俄罗斯联邦大厦工程同样是利用了这个核心技术建成。
而国内,在80年代中后期也开始将液压自动爬模工艺在高层建筑中进行使用。
1987年上海市建四公司在我国率先将外墙爬模应用于高层建筑施工中,如上海电讯大楼、市政协大楼等。
爬升模板在每个施工层间自行整体爬升,既减少了起重机吊运工作量,又不需每次拆开和装拼模板,具有爬升动作平稳、工作安全可靠、模板安装位置和垂直度精度较高的优点,因此到80年代逐渐推广到其他省市,并被建设部列入“九五”重点推广的10项新技术之一[4]。
如上海电信大楼、郑州会展宾馆、广州珠江城等工程中都用到了这个核心技术,这给施工带来了非常大的便利。
上海建工集团前后历经8年开发了具有自主知识产权的液压自动爬升模板系统。
自1994年建设部把新型模板和脚手架应用技术作为建筑业重点推广的10项新技术以来,我国的模板技术有较大发展和长足进步,且缩短了与发达国家的差距,但是在推广应用和发展中仍然存在不少问题。
在调研中发现我国的爬模技术还很落后,基本是引进德国的技术,没有自主的爬模技术研究体系。
下面将传统模板的安装流程与用爬模机安装模板的流程进行对比,通过对比来发现爬模机在高层建筑物中施工的巨大优势。
传统模板安装操作工艺
图1-1柱体模板安装流程
1)安装就位第一片柱模板,并设临时支撑或不小于14号铅丝与柱主筋绑扎临时固定。
2)随即安装第二片柱模,在二片柱模的接缝处粘贴2mm厚的海绵条,以防漏浆;用连接螺栓连接二块柱模,作好支撑或固定。
3)如上述完成第三、四片柱模的安装就位与连接,使之呈方桶型。
4)自下而上安装柱套箍,较正柱模轴线位移、垂直偏差、截面、对角钱。
并做支撑。
采用小型钢间距500mm分上、中、下固定柱模。
5)校正柱模的轴线位移、两个方向上的垂直偏差、截面、对角线,最后固定牢靠[5]。
墙体模板安装
图1-2墙体模板安装流程
1)在下层外墙砼强度不低于7.5Mpa时,利用下一层外墙螺栓孔挂金属三角模板架。
2)按照先横墙后纵墙的安装顺序,墙体模板按照两面模板分正、负模板,将一个流水段的内墙正号模板按顺序吊至安装位置初步就位,用撬棒按墙位置线及模板的起止线调整模板位置,对穿模板的对拉螺栓,并调节至大致水平,用托线板测垂直、校正标高,使模板垂直度、水平度、标高符合设计要求,采用钢管就位后,立即拧紧螺栓。
3)合模前检查钢筋、水电预埋管件、门窗及预留洞口模框、穿墙套管是否遗漏,位置是否准确,安装是否牢固,是否削弱断面过多等。
合模板前将墙内可能有的杂物再次清理干净。
4)安装反号模板,经校正垂直后用穿墙螺栓将两块模板锁紧。
5)在内墙模板的外端头安装活动堵头模板,它可以用木板或用铁板根据墙厚制作;模板接缝要严密,防止浇筑砼时漏浆。
6)安装外墙内侧模板,按楼板上的位置线将大模板就位找正。
7)合模前检查钢筋、水电等预埋管件、门窗及预留洞口模框是否遗漏正确无误。
8)安装外墙外侧模板,模板放在金属三角模板架上,将模板就位、校正、紧固穿墙螺栓。
9)正、反模板、侧面堵头模全部安装完后,检查墙模之间、侧模与墙模、施工缝处是否严密、牢固可靠,防止出现漏浆、错台现象。
检查每道墙上口是否平直。
10)模板安装完毕后,全面检查扣件、螺栓、斜撑是否紧固、稳定,模板拼缝及下口是否严密[6]。
在传统的模板安装方式下,所有柱体、墙体的模板必须在等到第二层的柱体和墙体的钢筋结构绑扎结束以后,采用人工或者使用塔吊将模板吊起到第二层然后根据上述流程安装模板。
在这样的安装方式下,模板的安装效率非常低,往往需要很多的工人花费近四天的时间才能将一个楼层的模板安装固定。
顶升式爬模模板安装工艺
图1-3顶升式爬模模板吊装
采用顶升式爬模模板安装与传统模板的安装流程上保持一致,但有区别的是模板的拆装过程。
传统式模板安装需要将模板分开,一次安装一个小块,整个墙面需要安装很多次,而采用顶升式爬模模板安装,只需要由5根主立柱顶着整个工作平台上升,此时所有模板距离墙面大约30cm,也随着整个平台顶升,一次性将所有模板吊装到位。
在调研中发现我国的爬模技术还很落后,基本是引进德国的技术,没有自主的爬模技术研究体系。
在整个建筑施工过程中,建筑的安全、工期、质量和成本预算是施工的四个基础,即要以保证安全的条件下,用较低的成本,最短的工时完成质量合格的建筑为目标。
而在整个施工过程中,在同样的安全成本和质量保证条件下,成本和工期一般呈反比。
即为节省成本的最优办法就是缩短工期。
而在成本预算中建材费、民工工资、建材租用费以及其他费用中,建材费是不可省的,只有民工工资和建材租用费与工期时间有关,都是与时间成反比的。
所以要节省建筑成本最好的办法就是缩短工期。
在以上几个施工流程中,占用工期时间比例最大就是土建主体工程。
例如传统施工中的模板安装就要花费近4天,钢筋安装和混泥土安装会花费近3天时间,一层楼花费近一个星期的时间。
这是在保证有足够工人和天气情况较好的情况,如果楼层越高,楼层平面面积越大占用时间比例越大。
如果采用爬模机安装修建高层,模板安装这个过程花费也就不到1天时间,大大缩短了建筑所需时间。
1.3论文的研究内容
这次的毕业设计的研究内容包括,
第一,阅读了一些爬模机电气控制系统的相关文献,对西门子S7-200PLC、西门子MM420变频器等有了深入的研究,搭建系统的硬件平台。
第二,在西门子S7-200PLC的编程软件平台上,设计出了爬模机工作的控制程序,完成对爬模机手动6个速度档位的控制与自动爬模。
第三,对西门子SmartLine700触摸屏操作手册与SIMATICWinCCflexible2008软件进行了深入的研究,设计出了触摸屏的3个操作界面,实现了触摸屏对爬模机的控制与监控。
最后,在构建的爬模机硬件平台上进行安装与调试,验证系统运行的可靠性。
第2章爬模机简介
2.1爬模机机械
图2-1主立柱机械示意图
图2-2爬模机机械示意图
最上部钢构架为桁架,桁架通过主立柱的帽子与主立柱固定连接,主立柱上侧两边伸出为支腿,放在两边墙体上,作为整个系统的主要承重受力点。
下侧两边伸出为导向腿顶在两侧的墙面上,保证主立柱处于垂直状态。
整个系统有5个这样的主立柱,处于建筑的不同位置支撑起整个顶部工作台。
2.2爬模机系统工作简介
2.2.1系统顶升简介
当某一层混泥土浇筑完毕以后,需要将工作平台提升,以便进行第二层的钢筋绑扎、模板固定和混泥土浇筑工作。
在工作平台准备进行顶升时,首先要确保所有的模板都已离开墙面,并且模板上升路径周围没有障碍物。
其次要确保所有主立柱的动力电缆线和通信电线没有破损。
最后每个主立柱前要有一名观察人员负责观察每跟主立柱的状况。
然后操作员通过主控器设定上升高度,进行系统顶升。
图2-3顶升完成后施工流程
2.2.2主立柱自爬
当整个系统顶升到4.5m最大行程以后,需要将整个主立柱高度进行提升。
这个时候5根主立柱支撑整个顶部平台,主立柱的自爬根据力学原理一次一根进行,保证整个顶部平台的平衡。
在进行自爬时,首先,应确保顶部与桁架和主立柱相连接的螺栓连接完好;其次,检查主立柱的动力电缆线完好无损;最后,去除主立柱上升路线中的障碍物,然后开始自爬动作。
5根主立柱都一次按照下图所示的流程逐个进行自爬动作,直到所有的主立柱都自爬完毕,再对整个系统进行一次水平校验。
如果水平,不需要调整,反之需要调整5根主立柱的上升或者下降来调平顶部工作平台。
图2-4主立柱自爬流程
2.3爬模机油路
图2-5主控制阀油路图
主立柱上升时3A通电,下降时3B通电,当3B和3C一起通电时,使用与快速下降模式(此种情况适用于自爬时快速提升)。
在P处装有压力传感器,可以用于系统压力测量,支腿和导向腿伸出压力测量。
第3章爬模机电气控制系统的设计
3.1系统整体设计
3.1.1系统整体设计思想
图3-1系统整体设计框图
1)主控系统
系统的主控系统采用西门子S7-200系列的可编程控制器,利用PLC的模数转换口能够精确地检测出电源的电压值,同时也能很好的控制电机的多段速,控制起来简单明了,编程学习起来也相对简单。
2)变频调速系统
调速系统采用西门子MM420变频器,只需要在控制单元设置参数时对变频器给出相应的控制命令就可以使爬模机按照设定的频率运行,满足爬升阶段稳定快速运行的要求。
变频调速装置本身具有很多自我保护功能,所以能够很好的使爬模机稳定工作,不会受外界的干扰影响生产。
3)上位机监视系统
上位机采用西门子SmartLine700触摸屏,实现对爬模机位置的监视及操作,提高爬模机的可靠性和可操作性。
利用触摸屏技术能够清晰明了的显示电机的运行情况和运行高度,及时的进行高度调整。
4)反馈系统
由于拉线传感器价格比价贵,而我只是要设计爬模机的电气控制系统,因此我最终选择了利用电位器来代替拉线传感器。
利用电位器能够改变电压值,用电压值来代替本来会变化的高度值,在理论上实现起来是一样的。
3.1.2系统特点及预期达到效果
该系统的核心是可编程控制器,利用可编程控制器实现对电机正反转的控制,同时利用PLC的模数扩展模块测量出拉线传感器反馈的高度值,使得爬模机能够精确地运行到指定的高度。
变频器在该系统中也不可或缺,利用变频器实现电机稳定的启动停止与正反转,比直接用PLC实现正反转简单了很多,同时变频器也实现了多段速的控制。
在操作监控平台设计上使用触摸屏技术,使操作人员可以不需长时间适应即可熟练操作,操作画面一目了然。
由于这个设计只是个爬模机电气控制系统的模拟,其核心就是要实现在触摸屏输入指定的值后电机能够按照输入的值运行后自动停止下来。
其次多地控制电机的正反转与启动停止也是其主要功能。
3.2爬模机硬件设计
硬件设计框图如图3-2所示
图3-2硬件框图
3.2.1爬模机模拟硬件系统的电气连接图
如图3-3所示为爬模机硬件电气连接图,图中显示出了变频器与PLC主要的接线连接:
图3-3电气连接图
3.2.2PLC的简介及在系统中的应用
(1)PLC概述及其系统组成
自20世纪70年代年第一台PLC问世以来,经历了接近40年的技术发展,PLC在工业上已经成为一种最重要、最受欢迎、应用的地方最多的工业控制器,也就是说只有PLC才是真正的工业控制计算机。
在PLC发明初期,PLC只是用于逻辑控制的场合,初期代替了工业中继电器控制盘的地位,而现在PLC已经进入了包括位置控制、过程控制等场合的所有控制的专业和领域。
如今PLC继续保存了原来逻辑控制器的全部优点,与此同时它还吸收到到了其他的工业控制设备的特点,在许多应用场合只需要PLC即可以组成包括数据采集及控制、逻辑控制、工程控制等各种控制的综合控制系统。
PLC是一种利用数字来运算和操作的电子控制系统,它采用了一类可编程的存储器,用来存储它内部的程序,和执行内部逻辑运算、顺序控制、定时计数和算法操作等面向用户和系统的指令,并且通过输入输出控制各种类型的生产或机械过程。
PLC及有关外部装备都按方便与工业控制系统连接成为一个整体,方便扩充PLC功能的原则设计。
如图3-4所示为PLC的基本机构。
图3-4可编程控制器结构框图
PLC作为蓝领计算机有着其它工业控制设备非常难具备的运行特性:
1)可靠性高
到现在为止还没有任何一种工业控制设备可以超过PLC的可靠性与稳定性。
伴随着电子元器件可靠水平的提高,PLC工作的可靠性还在继续地提高。
例如三菱FX系列平均无故障运行的时间已经达到了30万小时以上。
实际上,如果一个工业控制装置可以连续无故障地运行20年以上不出问题,就可以认为是永远都不会坏的设备了。
在PLC使用中发生的问题,大部分原因是因为PLC外部的开关、传感器、执行器等发生故障引起的,而并不是PLC本身内部发生的问题导致的。
2)编程方便,易于使用
可编程控制器在编程时采用的是与实际的电路接线图非常类似的梯形图。
这种图形编程方式易懂易编,方便初次接触PLC的工作人员很快得用上手。
3)环境要求非常低
PLC适用于各种恶劣的工业工作环境。
4)与其他的装置联接方便
PLC的接口原则是使电平转换、外部接线尽可能的少。
①对于开关量,输入端是集电极开路晶体管输出或者无源点开关量;输出有继电器、晶闸管、晶体管等不同的形式,这些电子元件可以直接接各种不同类型的接触器、电磁阀等。
②对于模拟量,只要是模拟量信号电平在一定的工作范围内,就可以按系统要求自由地转换特性,而不需要另加电平转换。
并且通过热电偶直接输入的A/D转换器,那么就连放大器和冷端补偿也不需要。
③对于各种显示装置、声音输出装置更是以最简单的方式提供接口,大部分的问题都在PLC的内部解决了。
④对于数据通讯方面,只需要电缆、RS232或RS422接口就可以了,不用由使用者考虑波特率及通讯规程等具体的问题。
5)体积小、能耗低
使用PLC后,复杂的控制系统也可以减少大量的中间继电器和时间继电器,而一个小型PLC的体积仅仅相当于几个继电器的大小,可以将开关柜的体积缩小特别特别多。
PLC的配线比普通继电器控制系统的配线少得多,因此可以节省大量的线路连接,同时可以减少大部分安装接线所用的时间,又因为缩小了开关柜的体积,可以节省一大笔钱。
(2)系统中PLC的型号及特点
1)PLC的型号
S7-200系列是德国西门子公司于1995年年底推出的具有高性能价格比的微型PLC,产品外观如图3-5所示:
图3-5西门子S7-200系列PLC
其许多功能达到大、中型PLC的水平,而价格却和小型PLC的一样。
由于他具有体积小、运行速度高、良好的扩展性以及强大的扩展性等特点,使其在各种自动控制领域得以广泛应用。
特别是S7-200CPU22*系列PLC,由于它具有多种功能模块和人机界面可供选择,所以系统的集成非常方便,并且可以很容易地组成PLC网络。
同时它具有功能齐全的编程和工业控制组态软件,使得在完成控制系统的设计时更加简单,几乎可以完成任何功能的控制任务。
本次设计中用到的是CPU224,其输入特性如表3-1所示:
表3-1输入特性
类型
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