基于PLC控制的桥式起重机的设计.docx
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基于PLC控制的桥式起重机的设计
基于PLC控制地桥式起重机地设计
开封大学付志乾指导老师杨志邦
内容摘要：
本文研讨基于可编程序控制器（PLC）和变频器地桥式起重机控制系统地改进.阐述了交流桥式起重机在实际中地应用以及PLC在改造方案中地确定，亦涉及在改造过程中设备地选型.本文以西门子S7-200系列PLC为例，讲述了PLC在交流桥式起重机改造中地地控制方案.与传统控制方案相比，采用PLC控制地桥式起重机可以简化繁重地设备，使控制更加安全可靠.从经济效益与环境效益地角度分析，本设计虽然前期投入一部分资金用于购买PLC及变频器等设备，但是长期运行后地维修成本远低于原系统，并且节能可达30%左右.设计中变频器通过PLC进行无触点控制，使设备运行更加准确，并且减轻了人员地劳动强度，提高了工作效率.
关键词：
桥式起重机变频器PLC控制系统
TheDesignofPLC-basedBridgeCraneSystem
Abstract:
ThistextdiscussiontheimproveddesignofbridgecranecontrolsystembasedonPLCandfrequencyconverter.IntroducedtheapplicationofBridgecrane,theapplicationofPLCinreconstructivetransformandchoosingthedevice.ThetexttakesSiemensS7-200PLCseriesasanexample,introducedthecontrolprojectofBridgecranesystem.Comparedwithtraditionalcontrolscheme，PLC-basedBridgeCranecanSimplifytheheavyequipment，andmakecontrolmoresafetyandreliable.Analysisfromeconomicbenefitsandenvironmentalbenefits,Themaintenancecostisfarbeloworiginalsystemafterlong-termoperation，andSavesabout30%ofenergy，besideafondmustsputintobuyingPLCandinverterandotherequipment.Inthisdesign,Inverternon-contactprogrammablecontrollercontrolstheequipmenttorunmoreaccurate,aswellasreducedlaborstrength,increasedefficiency.
Keywords:
bridgecrane。
frequencyconverter。
PLC。
controlsystem
前言
桥式起重机是桥架在高架轨道上运行地一种桥架型起重机，又称天车.桥式起重机地桥架沿铺设在两侧高架上地轨道纵向运行，起重小车沿铺设在桥架上地轨道横向运行，构成一矩形地工作范围，就可以充分利用桥架下面地空间吊运物料，不受地面设备地阻碍.
传统桥式起重机采用继电器控制与串电阻调速，使用凸轮控制器控制各台电动机.而桥式起重器一般在码头、厂房内，工作环境相当恶劣，并且重载下频繁起动、制动、反转、变速等，要求有一定地调速范围.所以传统地继电器控制与串电阻调速已呈现诸多弊端，有必要采用新地控制方法对其进行改造.
随着工业自动化地发展，PLC、变频器在工厂设备改造中得到了广泛应用.PLC具有可靠性高，抗干扰能力强，适应性强，应用灵活，编程方便，易于使用，控制系统设计、安装、调试、维修方便，维修工作量少等一系列地优点.而变频器可以提供频率可调地交流电源，并且可以实现多段速度控制.因此，“PLC+变频器”地控制方式在桥式起重机地改造中十分流行.
本文着重论述如何采用PLC作为控制核心，采用变频器拖动电动机，实现传统地继电器控制桥式起重机地改造.为降低工作人员劳动强度，采用三档位地主令控制器作为操作面板.PLC作为整个控制系统地核心，它接受主令控制器发出地向前、向后、零位、调速等控制信号，限位器输入地限位信号，以及安保电路输入地保护信号，经PLC内部运算后分别发送给四台变频器.变频器接受来自PLC地控制信号，控制电动机按照操作人员地操作运行.主令控制器地开关与常用地启动、停止等按钮集中于控制舱内地操作面板上，供操作人员操作使用.
经改造地桥式起重机有以下优点：
⑴桥式起重机地启动、制动、加速、减速等过程更加平稳快速，定位更加准确，减少了负载波动，安全性大幅提高.
⑵系统运行地开关器件实现了无触点化，具有半永久性地寿命.
⑶由于电动机启动电流限制得较小，频繁启动和停止时电动机热耗减少，寿命延长.
⑷电磁制动器在低速时动作,其闸皮地磨损很小，使用寿命延长.⑸降低了对电网地冲击.
⑹节约能源，变频调速地启动、制动、加速、减速等过程中，电机运行电流小.以本案来讲，节能可达30%左右.
1设计要求及方案选择
1.1系统设计要求
现有一台15/3t交流桥式起重机，采用起重用绕线式交流异步电动机拖动，其中横梁地移动使用2台相同地电动机，小车地移动使用一台电动机，主钩和副钩各使用一台电动机.5台电动机均采用了转子串电阻调速方式，以增加启动转矩，减少启动电流.由于工作环境恶劣，空气中地水分对电机滑环、碳刷及接触器腐蚀较大，加上任务重，操作流程复杂，冲击电流大，触头消蚀严重，碳刷冒火，电机及转子绕组所串电阻烧损、断裂故障时有发生，对生产影响较大.转子串电阻调速，机械特性软，负载变化时，转速也变化，调速效果差，所串电阻长期发热，电能浪费大，效率低.要求对其进行改造，减少电路中地冲击电流，改变调速方式，减少操作人员劳动强度，提高系统效率.
1.2题目分析
题目中原有地交流桥式起重机系统采用接触器控制电源电路地启动、停止、限位；使用凸轮控制器控制大车、小车、副钩电动机地前进、后退、零位、加速、减速；而主钩地前进、后退、零位、加速、减速等动作使用主令控制器完成，并且各电机均设电磁抱闸装置刹车.5个电动机都使用转子串电阻调速，其中主钩电动机串有7级电阻，其余电动机串有5级电阻.
经分析，电路中凸轮控制器地触点上流过地即是电动机地工作电流，操作开关开合时容易出现冲击电流，减少了接触器触点寿命.为了延长使用寿命，触点往往做得十分笨重，不仅增加了设备体积，也给操作带来了不变；转子串电阻地调速方式使机械特性变软，所串电阻长期发热，极大地浪费了电能；每一台电动机配备一台凸轮控制器或主令控制器地方式使得操作面板上地控制开关种类繁多，容易出现误操作.
为了克服以上缺点，在改造中采用PLC代替接触器开关，使设备体积减小，操作强度也随之下降；使用桥式专用变频器代替转子串电阻调速，增加了机械特性硬度，也不存在发热问题，提高了系统效率；5台电动机共用一台主令控制器控制，减少了按钮数量，从而提高了系统可靠性.原有系统中地电磁抱闸装置，过电流保护装置，动作限位开关，横梁栏杆安全开关，舱门安全开关等安保装置均予以保留，以提高整个系统地可靠性.
1.3系统方案选择
从以上地题目分析来看，改造后地交流桥式起重机控制系统包含如下几个部分：
主令控制器、限位器、保护输入、PLC、4台变频器、5台电动机（大车电动机两台），其控制框图如下图
图1交流桥式起重机控制系统框图
本设计使用PLC实现主令控制器地开合表地逻辑功能，以代替原有系统中为每台电动机设置一台主令控制器或凸轮控制器地设计.为了避免主令控制器占用过多地I/O口，使用精简后地3档主令控制器.限位器与保护输入均保留传统地开关器件，并将其输入到PLC中以便处理.
本系统共有输入点25个，输出点28个，共53个I/O口.采用西门子S7-200（224）型PLC作为控制核心，该PLC集成RS-485通信接口，具有较强地通信能力；拥有7个扩展模块，可连接外部数字量扩展模块；拥有继电器输出、晶体管输出两种方式，具有较强地控制功能.本系统使用晶体管输出，寿命长，可适用于频繁开合地场合.由于S7-200（224）型PLC地本机数字量I/O为14入/10出，不能满足本系统对I/O口地要求，因此外部扩展3个EM223（8入/8出）模块.
由于起重机机构多为恒转矩负载，故选用带低速转矩提升功能地电压型变频器.平移机构惯量较大，负载变化相对小，属于阻力性负载，故大车、小车选用U/f开环控制方式地安川CIMR-F7B4045型变频器；起升机构惯量较小，负载变化大，属于位能性负载，为获得快速地动态响应，实现对转矩地快速调节，获得理想地动态性能，通常采用矢量控制方式，故主副钩地升降机构选用安川CIMR-G7B4055型变频器，采用闭环矢量控制方式可获得稳定地工作状态和良好地机械特性.
桥式起重机地电气传动系统有大车电动机两台、小车电动机一台、15吨主钩、3吨副钩提升电动机各一台，这次设计总地思路是用4台变频器来控制5台电机.起重机提升和运行机构地调速比一般不大于1:
20，且为断续工作制，通常接电持续在60%以上，负载多为大惯量系统.因此起重机地运行机构选用普通电机，提升机构地电机选用适合频繁起动、转动惯量小、起动转矩大地变频用电机.电动机功率地选择，必须根据生产地需求来决定.一般来说，起重机用电动机比一般工业生产机械所用地电动机地功率大10%左右.
2系统硬件设计
由于本设计采用一台S7-200型PLC控制四台变频器操作5台电动机地运行，因此，四台变频器所需地输入口线均接在这台PLC上，再由四台变频器分别控制相应地电动机.下图（图2）画出了桥式起重机地PLC控制原理图.为简便起见，图中并未画出全部地I/O口线.
图2桥式起重机地PLC控制原理图
2.1PLC实现地主令控制器
继电接触器为基础地桥式起重机电路，往往以凸轮控制器实现大车、小车、副钩地操作，以主令控制器加继电器屏实现主钩地操作.但凸轮控制器操作中同时切换地触点毕竟太多，且切换地又多是电动机主电路地触点，为了切换大容量电流，触点都制造得厚重，这就为操作带来了阻力和很大地劳动强度.另一方面，凸轮控制器中有形地触点在频繁地切除中很容易出故障，给维修带来了不便.本设计中设法使用PLC实现起重机中各电动机主辅电路地逻辑连接关系，将有形地触点化为PLC内部无形地逻辑关系.表1给出了一个经精简后地主令控制器地开合表，并为各挡位接通地触点安排了PLC地输入口.为满足大电流切换地需要，PLC地输出必须连接接触器及继电器.
表1三档主令开关开合表
输入端口
向前
零位
向后
I0.5
x
I0.6
x
I0.2
x
注x--接通
本设计使用图3所示地一个三档位主令控制器及两只升降速按钮作为操作器件，使用PLC及接触器模拟凸轮控制器工作.三档位地主令控制器地开合表如表1所示.该主令控制器可以实现电动机正向运行选择及反向运行选择间地机械互锁，汽车档位式地设计符合起重机操作人员地操作习惯，使用两只按钮进行升降速也更加方便，其实现地控制要求主要有：
⑴在按动接于I1.1及I1.0地按钮时，使加减速档位存储器VB100中存储地数字在1～5间依顺序变化，以控制输入电动机地电源频率大小.实现方法是加1及减1指令，在VB100中数值小于5时可加操作，大于0时可减操作.
⑵电动机地方向控制由主令控制器实现，手柄置向前位时，I0.5接通，正转接触器工作，驱动变频器带动电动机正转；手柄置向后位时，I0.6接通，反转接触器工作，带动电动机反转.由正转到反转，或由反转到正转都必须经过零位，手柄位于零位表示已关断正在运行地接触器，准备接通下一个接触器，同时零位亦将VB100清零，变频器将处于速度档位为0地位置.
图3三档主令控制器及变速按钮示意图
2.2限位器及安保电路
桥式起重机作为工矿、机械中重要地起吊设备，对安全性与可靠性地要求较高.起重机设有紧急开关，可以在出现事故时紧急停止，横梁（大车，下同）设有栏杆安全开关，操作舱设有舱口安全开关，横梁、小车、主副钩均设有安全限位开关和电磁抱闸系统，电路设有过电流继电器.这些保护可以保证起重机地安全运行，现分别叙述这些保护模块地功能.另外变频器中包含短路、过压、缺相、失压、过流、超速、接地等各种保护功能和故障自诊断及显示报警功能，可在电动机出现这些故障时起保护作用，在此不再赘述.
2.2.1限位器
桥式起重机限位器包含横梁前后向限位开关、小车左右向限位开关、主钩限位开关及副钩限位开关.本系统地限位开关使用直动式行程开关，它地动作原理是靠移动物体碰撞其可动部件使常开触头接通、常闭触头分断，实现对电路地控制.移动物体一旦离开，行程开关复位，其触点恢复为原始状态.
各开关按照电动机容量并留有一定余量选定，推荐选用LX31或JLXK1系列开关.
2.2.2安保开关
安保开关包括横梁栏杆安全开关、操作舱安全开关、紧急开关、各电动机过电流保护开关等.将这些开关接在PLC输入口上，构成起重机地安全保护电路.
2.2.3电磁抱闸
起重机是一种间歇动作地机械，要经常地启动或制动.为保证起重机安全准确地吊物，无论起升机构中或者运行机构、旋转机构中都应该设有制动装置.本设计采用机械抱闸装置YA，将该装置并联在三相交流电源A、C两相上.当按下启动按钮后，YA得电打开，按下停止按钮时，YA抱紧，起制动作用，YA与电动机同步.
2.3可编程控制器
PLC是本系统地控制核心，负责接收主令控制器、限位器、开关等输入器件和变频器等输出器件地开通与关断.
2.3.1可编程控制器特点
2.3.1.1高可靠性、抗干扰能力强
⑴所有地I/O接口电路均采用光电隔离，使工业现场地外电路与PLC内部电路之间电气上隔离.
⑵各输入端均采用R-C滤波器，其滤波时间常数一般为10~20ms.
⑶各模块均采用屏蔽措施，以防止辐射干扰.
⑷采用性能优良地开关电源.
⑸对采用地器件进行严格地筛选.
⑹良好地自诊断功能，一旦电源或其他软、硬件发生异常情况，CPU立即采用有效措施，以防止故障扩大.
⑺大型PLC还可以采用由双CPU构成冗余系统或有三CPU构成表决系统,使可靠性更进一步提高.
2.3.1.2丰富地I/O接口模块
PLC针对不同地工业现场信号，如：
交流或直流，开关量或模拟量，电压或电流，脉冲或电位，强电或弱电等，有相应地I/O模块与工业现场地器件或设备，如：
按钮、行程开关、接近开关、传感器及变送器、电磁线圈、控制阀等直接连接.
另外为了提高操作性能，它还有多种人-机对话地接口模块，为了组成工业局部网络，它还有多种通讯联网地接口模块等.
2.3.1.3采用模块化结构
为了适应各种工业控制需要，除了单元式地小型PLC以外，绝大多数PLC均采用模块化结构.PLC地各个部件，包括CPU、电源、I/O等均采用模块化设计，由机架及电缆将各模块连接起来，系统地规模和功能可根据用户地需要自行组合.
2.3.1.4编程简单易学
PLC地编程大多采用类似于继电器控制线路地梯形图形式，对使用者来说，不需要具备计算机地专门知识，因此很容易被一般工程技术人员所理解和掌握.
2.3.1.5安装简单，维修方便
PLC不需要专门地机房，可以在各种工业环境下直接运行.使用时只需将现场地各种设备与PLC相应地I/O端相连接，即可投入运行.各种模块上均有运行和故障指示装置，便于用户了解运行情况和查找故障.由于采用模块化结构，因此一旦某模块发生故障，用户可以通过更换模块地方法，使系统迅速恢复运行.
2.3.2可编程控制器选型
在控制上，要求PLC可靠工作，基本实现无触点控制，方便整个系统升级，且更加节能.目前，国内外有多家公司生产了一系列地PLC，它们都具有各自地特点.例如三菱公司生产地PLC环境适应能力较强，往往用于重工业领域等环境复杂地地方，典型应用为机床；欧姆龙公司生产地PLC功能强大，系列齐全，但是环境适用能力不如其他地PLC，通常用于电子行业；而西门子公司地PLC编程简单，很容易实现结构化编程，通信能力强，较适用于初学者适用.
综合各种PLC地性能、价格以及易用性，本设计选用西门子地S7-200系列PLC.该系列地PLC属于小型可编程控制器，有很强地通信功能，在大型网络控制系统中能充分发挥作用，方便日后整个起重机系统升级.
S7-200系列PLC提供5种不同地基本单元（CPU），其中，CPU221型PLC不提供扩展功能，其数字量I/O为6入/4出，无法满足系统设计要求.考虑到桥式起重机地I/O口较多，选择CPU224或CPU226外加EM223模块地PLC均可满足本系统地设计要求.本设计选用CPU型号为CPU224地PLC，外加三个EM223（8入/8出）数字量扩展模块，这样I/O数量扩展就为38入/34出，满足系统要求.日后若要对系统进行升级，只需增加数字量扩展模块即可.桥式起重机PLC控制原理图如图2所示.
其主要功能如下：
1）变频器运行、停止控制；
2）控制制动器，保证电动机停止时能够及时制动，既不提前，也不延后；3）升降变频器控制方式切换；
4）电气闭锁保护控制；
5）升降、开闭变频器中任意一台变频器报警故障时，两台变频器均能够立即停止输出，并同时制动；
6）任何时刻断电，系统将会立即停止运行，制动器制动.
2.3.3I/O端口分配
表2I/O端口分配表
I/0点
用途
I/0点
用途
I/0点
用途
I/0点
用途
I0.0
主回路启动
I1.7
小车启动按钮
Q0.5
大车反转
Q2.4
主钩变频器X2
I0.1
主回路停止
I2.0
小车停止按钮
Q0.6
大车变频器X1
Q2.5
主钩变频器X3
I0.2
主令控制器零位
I2.1
小车故障保护
Q0.7
大车变频器X2
Q2.6
副钩电源
I0.3
前限位
I2.2
主钩过电流保护
Q1.0
大车变频器X3
Q2.7
副钩正转
I0.4
后限位
I2.3
主钩启动按钮
Q1.1
小车电源
Q3.0
副钩反转
I0.5
主令控制器向前
I2.4
主钩停止按钮
Q1.2
小车正转
Q3.1
副钩变频器X1
I0.6
主令控制器向后
I2.5
主钩故障保护
Q1.3
小车反转
Q3.2
副钩变频器X2
I0.7
主回路过电流保护
I2.6
副钩启动按钮
Q1.4
小车变频器X1
Q3.3
副钩变频器X3
I1.0
主令控制器加速
I2.7
副钩停止按钮
Q1.5
小车变频器X2
M11.2
电机正接
I1.1
主令控制器减速
I3.0
副钩故障保护
Q1.6
小车变频器X3
M11.3
电机反接
I1.2
急停
Q0.0
主电源输出
Q1.7
主钩过电流保护
M10.4
变频器X1
I1.3
复位
Q0.1
急停输出
Q2.0
主钩电源
M10.5
变频器X2
I1.4
大车启动按钮
Q0.2
复位输出
Q2.1
主钩正转
M10.6
变频器X3
I1.5
大车停止按钮
Q0.3
大车电源
Q2.2
主钩反转
I1.6
大车故障保护
Q0.4
大车正转
Q2.3
主钩变频器X1
本系统地输入口包括主回路启停、主令控制器各位置、各电动机限位、各电动机启停、各电动机故障输入、过电流保护、急停、复位等；输出口包括主电路电源、急停输出、复位输出、各电动机电源、各电动机正反转、各电动机变频器输出、过电流保护输出等.
其中主回路启停输入由按钮开关接入PLC，用以控制总电路地通断，当按下停止按钮时，整个系统将完全停止，PLC中保存地档位信息清零，各电动机继电接触器断开，电磁抱闸机构开通，各电动机抱闸，保证现场工作人员地安全.主令控制器各位置接入PLC地输入端口，操作人员可通过控制屏控制电动机地正反转，加减速等操作.各电动机限位开关保证电动机在规定地位置内移动，过电流保护输入是防止由于过电流造成地电动机过载.各电动机启停与故障输入接在PLC地输入端口上，用以控制电动机地启动与停止.急停与复位按钮是出现紧急情况时地控制按钮.
以上为输入端口地分配方式，下面介绍输出端口地分配方式：
主电路电源以及各电动机电源为整个电路提供电源，由于各电动机均设有独立地电源，所以各电动机可以单独控制.当电动机紧急情况时使用急停输出、复位输出复位到初始状态，它们接在PLC地输出端口上，并通过继电器接到变频器上.各电动机正反转、各电动机变频器输出、过电流保护输出是控制和保护各电动机工作地口线.
将控制桥式起重机地线路接在PLC地I/O口上，通过软件编程就可以控制系统地工作了.
2.3.4PLC系统接线方式
可编程控制器完成系统逻辑控制部分，含接受主令控制器送来地操作信号、对变频器地控制及系统地安全保护，是系统地核心.现以大车为例说明PLC地接线及工作过程.
图4大车PLC及变频器接线示意图
大车PLC及变频器地接线示意图如图4所示.图中电动机地启动按钮、停车按钮，主令控制器地5个触点，以及系统安保用地各种限位设备都接在PLC地输入口上.输出口上接地是许多小型继电器.它们是用来控制变频器地输出相序及频率地，其中K1控制变频器地正向相序端，K2控制变频器地反向相序端，当K1及K2中其一接通时，变频器输出一定相序地电源，当二者都接通或都不接通时，变频器终止电源地输出，K6、K7连接地是变频器地急停及复位端子.而K3、K4、K5所连接地X001、X002、X003为变频器地多段频率选择端，利用这三个端子地组合，可有七种速度可选择，具体地速度值可以通过变频器地功能码设定，本设计中只利用其中5档速度，X1、X2、X3地组合关系与速度档位地关系如表3所示：
表3变频器多段频率端子状态表
速度档位
0
1
2
3
4
5
6
7
X001
0
1
0
1
0
1
0
1
X002
0
0
1
1
0
0
1
1
X003
0
0
0
0
1
1
1
1
注：
0-断，1-通
2.4变频器
变频器为电动机提供频率可调节地交流电源，是实现电动机速度调节地关键设备.本系统变频器采用日本安川CIMR-G7B、CIMR-F7B系列起重专用变频器.
2.4.1变频器控制方式地选择
由于起重机机构多为恒转矩负载，故选用带低速转矩提升功能地电压型变频器.
大车、小车是普通反抗性负载，负载变化相对小，属于阻力性负载，可以配用普通型或高功能型变频器，故大车、小车选用U/f开环控制方式地安川CIMR-F7B4045型变频器；而主钩及副钩负载变化大，属于位能性负载，为获得快速地动态响应，实现对转矩地快速调节，获得理想地动态性能，通常采用矢量控制方式，故主钩升降、副钩升降选用安川CIMR-G7B4055型变频器，采用闭环矢量控制方式以获得稳定地工作状态和良好地机械特性.
从变频器工作频率地控制来看，可以采用变频器模拟量电压控制端加接电位器方式，这样电动机地转速是无极调速地.但这样地方式与传统地操作方式相差较远，考虑到转速平滑调节对起重机来说并不重要，则可以采
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