基于PLC控制的变频调速在桥式起重机的应用

本文介绍了桥式起重机控制系统，通过S7-300PLC编程以及变频器调速，来实现桥式起重机的半自动化，能检测各个电机故障现象并送往工业触摸屏进行显示，方便维护及维修人员的修理。

1.引言

在桥式起重机控制系统中采用PLC控制也越来越多，运用PLC能简化电路，使设计更加简单，安全和可靠[1]。传统的桥式起重控制系统主要采用继电器接触器进行控制，采用交流绕线串电阻的方法进行启动和调速，这种系统存在可靠性差，操作复杂，故障率高，电能浪费大，效率低等缺点。本题目针对桥式起重机控制系统中存在的上述问题，把可编程序控制器和变频器应用于桥式起重机控制系统上，并进行了较深入的研究，控制系统主要采用桥式起重机变频调速技术后具有节能、减少机械磨损，启动性能好等诸多优点。

2.桥式起重机简介

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辅设在两侧高架上的轨道纵向运行，起重小车沿辅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调运物料，不受地面设备的阻碍。由于现代工业技术的飞速发展，传统的桥式起重机系统存在的可靠性差，故障率高，电能浪费大，效率低等缺点已无法满足社会的需求，因此本设计将针对以上问题对桥式起重机控制系统进行改进。

而基于PLC的桥式起重机系统的控制就是一种由PLC控制的桥式起重机系统，利用变频器的变频调速对桥式起重机进行编程、调试，可以解决传统桥式起重机控制系统存在诸多的问题，变频调速以其可靠性好，高品质的调速性能、节能效益显着的特性在起重运输机械行业中具有广泛的发展前景。

3.桥式起重机的系统控制要求

对桥式起重机变频调速控制系统的基本要求：

(1)主、副机构升降速度调节;

(2)运行机构运行速度调节;

(3)保护功能：主副机构上升限位、下降限位、大车限位、小车限位、主副机构及大小车电机的保护等。

控制系统应由PLC、继电器、操纵台各主令控制器、开关、按钮、指示灯及各部位限位开关等组成。

桥式起重机大车、小车、主钩、副钩都需要独立运行，大车为两台电动机同时拖动，经变频器传动，并由PLC加以控制。各部件的功能及实现方法如图1所示：

4.PLC的选择

目前PLC使用性能较好的有SIEMENS公司、日本的三菱、欧姆龙、美国的AB公司。本课题主要选用西门子PLC S7-300系列，主要根据如下：

(1)选用该机型可以满足桥式起重机电气控制系统涉及较多输入/输出端口的要求。

(2)西门子PLC目前应用比较成熟，技术上有保证，且有丰富的成功经验可以鉴戒，缩短系统开发的周期，降低成本。

(3)西门子S7-200通讯功能比较弱，不利于上下位机的通讯，同时功能比较简单，不能满足控制要求。S7-400主要用于大型的集散控制系统中，由于选用S7-300就可以满足工艺控制要求，因此没有必要选择S7-400，增加成本。根据被控对象的I/O点数以及工艺要求、扫描速度、自诊断功能等方面的考虑，我们采用SIEMENS公司的S7-300系列PLC。

5.变频器

起重机变频器，特别是主钩及副钩变频器，需配用制动电阻。起重机放下重物时，由于重力作用起重机将处于再生制动状态，拖动系统的动能要反馈到变频器直流电路中，使直流电压不断上升，甚至达到危险的地步[3]。因此，必须将再生到直流电路里的能量消耗掉，使直流电压保持在允许范围内，制动电阻就是用来消耗这部分能量的。

变频器在实际使用中，电动机经常要根据各类机械的某种状态而进行正转、反转、点动等运行，变频器的给定频率信号、电动机的起动信号等都是通过变频器控制端子给出，即变频器的外部运行操作，大大提高了生产过程的自动化程度。

变频器运行操作：

(1)变频器启动：在变频器的前操作面板上按运行键，变频器将驱动电动机升速，并运行在由P1040所设定的20Hz频率对应的560r∕min的转速上。

(2)正反转及加减速运行：电动机的转速(运行频率)及旋转方向可直接通过按前操作面板上的键∕减少键(▲/▼)来改变。

(3)点动运行：按下变频器前操作面板上的点动键，则变频器驱动电动机升速，并运行在由P1058所设置的正向点动10Hz频率值上。当松开变频器前错做面板上的点动键，则变频器将驱动电动机降速至零。这时，如果按下一变频器前操作面板上的换向键，在重复上述的点动运行操作，电动机可在变频器的驱动下反向点动运行。

(4)电动机停车：在变频器的前操作面板上按停止键，则变频器将驱动电动机降速至零。

6.桥式起重机工作过程

在启动状态下，各类设备的控制应根据操作面板上的按钮输入来控制，升降机在启动和停止时，通过检测变频器输出的频率，控制电磁制动器的运行，其工作过程如下：

(1)接通电源，启动系统;

(2)按下大车运行按钮，大车启动，通过加速、减速按钮改变大车速度;

(3)按下小车运行按钮，小车启动，通过加速、减速按钮改变小车速度;

(4)按下升降机运行按钮，升降机启动，通过加速、减速按钮改变升降机速度。

当需要重物悬停半空时，减小变频器输出频率，直到设定值，频率停止下降，启动电磁制动器，将重物抱住，防止溜钩现象;当重物需从半空开始上升或下降时，增加变频器的输出频率，到达某设定值时，停止上升，停止电磁制动器工作，松开重物，变频器输出频率持续增加到所需值。

7.下位机设计 　　在Step7中，用项目来管理一个自动化控制系统的硬件和软件。这些项目又由SIMATIC管理器集中管理，通过该管理器可方便地浏览SIMATIC.S7.C7和WinAC的数据。SIMATIC管理器提供两种创建项目的方法：使用向导创建项目和手动创建项目。在这里，我们使用向导来创建项目。

直接建立的项目只包含一个MPI对象，需要通过“插入”菜单来手动添家对象，用户可以插入一个PLC站，先进行硬件组态，完成硬件组态后，再在相应CPU的S7程序目录下编辑用户程序;也可以先插入一个独立的S7程序，编写用户程序，再进行硬件组态，等组态完成后将程序复制到相应的CPU中。

双击“OB1”进入梯形图编辑画面，如图4所示。在这里编写梯形图程序，本设计没有采用功能和功能块，也没有应用到数据块等模块，所有程序都编写在组织块“OB1”中，程序比较易懂。

打开所要调试的程序块，点击按钮，然后选择“调试”菜单下的“监视”命令，开始对程序块里梯形图进行调试。

此时，我们仍可用Step7中的变量监控或程序块在线监视等功能来测试PLC程序，也可查看当前CPU的状态(扫描时间、存储空间等)，操作方法与实际PLC的操作基本相同。

8.监控画面

在PLCSIM仿真窗口将仿真PLC的CPU置于运行模式，打开WinCC窗口，激活项目，如图6，观察桥式起重机的仿真过程，其中可以像实际监控操作那样开关阀门、修改参数、查看运行数据和曲线等。通过这种方式，我们可以测试上位机软件，检查相应的功能和错误，方便维护及维修人员的修理。

9.结束语

由PLC控制的桥式起重机系统，将可编程序控制器、变频器和触摸屏控制技术应用于桥式起重控制系统中，使得起重机的整体特性得到较大提高，投入运行后效果良好，运行稳定，同时可提高产品的质量和生产效率。