基于PLC控制的變頻調速在橋式起重機的應用

本文介紹了橋式起重機控制系統，通過S7-300PLC編程以及變頻器調速，來實現橋式起重機的半自動化，能檢測各個電機故障現象并送往工業觸摸屏進行顯示，方便維護及維修人員的修理。

1.引言

在橋式起重機控制系統中采用PLC控制也越來越多，運用PLC能簡化電路，使設計更加簡單，安全和可靠[1]。傳統的橋式起重控制系統主要采用繼電器接觸器進行控制，采用交流繞線串電阻的方法進行啟動和調速，這種系統存在可靠性差，操作復雜，故障率高，電能浪費大，效率低等缺點。本題目針對橋式起重機控制系統中存在的上述問題，把可編程序控制器和變頻器應用于橋式起重機控制系統上，并進行了較深入的研究，控制系統主要采用橋式起重機變頻調速技術后具有節能、減少機械磨損，啟動性能好等諸多優點。

2.橋式起重機簡介

橋式起重機是橋架在高架軌道上運行的，一種橋架型起重機，又稱天車。橋式起重機的橋架沿輔設在兩側高架上的軌道縱向運行，起重小車沿輔設在橋架上的軌道橫向運行，構成一矩形的工作范圍，就可以充分利用橋架下面的空間調運物料，不受地面設備的阻礙。由于現代工業技術的飛速發展，傳統的橋式起重機系統存在的可靠性差，故障率高，電能浪費大，效率低等缺點已無法滿足社會的需求，因此本設計將針對以上問題對橋式起重機控制系統進行改進。

而基于PLC的橋式起重機系統的控制就是一種由PLC控制的橋式起重機系統，利用變頻器的變頻調速對橋式起重機進行編程、調試，可以解決傳統橋式起重機控制系統存在諸多的問題，變頻調速以其可靠性好，高品質的調速性能、節能效益顯著的特性在起重運輸機械行業中具有廣泛的發展前景。

3.橋式起重機的系統控制要求

對橋式起重機變頻調速控制系統的基本要求：

(1)主、副機構升降速度調節;

(2)運行機構運行速度調節;

(3)保護功能：主副機構上升限位、下降限位、大車限位、小車限位、主副機構及大小車電機的保護等。

控制系統應由PLC、繼電器、操縱臺各主令控制器、開關、按鈕、指示燈及各部位限位開關等組成。

橋式起重機大車、小車、主鉤、副鉤都需要獨立運行，大車為兩臺電動機同時拖動，經變頻器傳動，并由PLC加以控制。各部件的功能及實現方法如圖1所示：

4.PLC的選擇

目前PLC使用性能較好的有SIEMENS公司、日本的三菱、歐姆龍、美國的AB公司。本課題主要選用西門子PLC S7-300系列，主要根據如下：

(1)選用該機型可以滿足橋式起重機電氣控制系統涉及較多輸入/輸出端口的要求。

(2)西門子PLC目前應用比較成熟，技術上有保證，且有豐富的成功經驗可以鑒戒，縮短系統開發的周期，降低成本。

(3)西門子S7-200通訊功能比較弱，不利于上下位機的通訊，同時功能比較簡單，不能滿足控制要求。S7-400主要用于大型的集散控制系統中，由于選用S7-300就可以滿足工藝控制要求，因此沒有必要選擇S7-400，增加成本。根據被控對象的I/O點數以及工藝要求、掃描速度、自診斷功能等方面的考慮，我們采用SIEMENS公司的S7-300系列PLC。

5.變頻器

起重機變頻器，特別是主鉤及副鉤變頻器，需配用制動電阻。起重機放下重物時，由于重力作用起重機將處于再生制動狀態，拖動系統的動能要反饋到變頻器直流電路中，使直流電壓不斷上升，甚至達到危險的地步[3]。因此，必須將再生到直流電路里的能量消耗掉，使直流電壓保持在允許范圍內，制動電阻就是用來消耗這部分能量的。

變頻器在實際使用中，電動機經常要根據各類機械的某種狀態而進行正轉、反轉、點動等運行，變頻器的給定頻率信號、電動機的起動信號等都是通過變頻器控制端子給出，即變頻器的外部運行操作，大大提高了生產過程的自動化程度。

變頻器運行操作：

(1)變頻器啟動：在變頻器的前操作面板上按運行鍵，變頻器將驅動電動機升速，并運行在由P1040所設定的20Hz頻率對應的560r∕min的轉速上。

(2)正反轉及加減速運行：電動機的轉速(運行頻率)及旋轉方向可直接通過按前操作面板上的鍵∕減少鍵(▲/▼)來改變。

(3)點動運行：按下變頻器前操作面板上的點動鍵，則變頻器驅動電動機升速，并運行在由P1058所設置的正向點動10Hz頻率值上。當松開變頻器前錯做面板上的點動鍵，則變頻器將驅動電動機降速至零。這時，如果按下一變頻器前操作面板上的換向鍵，在重復上述的點動運行操作，電動機可在變頻器的驅動下反向點動運行。

(4)電動機停車：在變頻器的前操作面板上按停止鍵，則變頻器將驅動電動機降速至零。

6.橋式起重機工作過程

在啟動狀態下，各類設備的控制應根據操作面板上的按鈕輸入來控制，升降機在啟動和停止時，通過檢測變頻器輸出的頻率，控制電磁制動器的運行，其工作過程如下：

(1)接通電源，啟動系統;

(2)按下大車運行按鈕，大車啟動，通過加速、減速按鈕改變大車速度;

(3)按下小車運行按鈕，小車啟動，通過加速、減速按鈕改變小車速度;

(4)按下升降機運行按鈕，升降機啟動，通過加速、減速按鈕改變升降機速度。

當需要重物懸停半空時，減小變頻器輸出頻率，直到設定值，頻率停止下降，啟動電磁制動器，將重物抱住，防止溜鉤現象;當重物需從半空開始上升或下降時，增加變頻器的輸出頻率，到達某設定值時，停止上升，停止電磁制動器工作，松開重物，變頻器輸出頻率持續增加到所需值。

7.下位機設計 　　在Step7中，用項目來管理一個自動化控制系統的硬件和軟件。這些項目又由SIMATIC管理器集中管理，通過該管理器可方便地瀏覽SIMATIC.S7.C7和WinAC的數據。SIMATIC管理器提供兩種創建項目的方法：使用向導創建項目和手動創建項目。在這里，我們使用向導來創建項目。

直接建立的項目只包含一個MPI對象，需要通過“插入”菜單來手動添家對象，用戶可以插入一個PLC站，先進行硬件組態，完成硬件組態后，再在相應CPU的S7程序目錄下編輯用戶程序;也可以先插入一個獨立的S7程序，編寫用戶程序，再進行硬件組態，等組態完成后將程序復制到相應的CPU中。

雙擊“OB1”進入梯形圖編輯畫面，如圖4所示。在這里編寫梯形圖程序，本設計沒有采用功能和功能塊，也沒有應用到數據塊等模塊，所有程序都編寫在組織塊“OB1”中，程序比較易懂。

打開所要調試的程序塊，點擊按鈕，然后選擇“調試”菜單下的“監視”命令，開始對程序塊里梯形圖進行調試。

此時，我們仍可用Step7中的變量監控或程序塊在線監視等功能來測試PLC程序，也可查看當前CPU的狀態(掃描時間、存儲空間等)，操作方法與實際PLC的操作基本相同。

8.監控畫面

在PLCSIM仿真窗口將仿真PLC的CPU置于運行模式，打開WinCC窗口，激活項目，如圖6，觀察橋式起重機的仿真過程，其中可以像實際監控操作那樣開關閥門、修改參數、查看運行數據和曲線等。通過這種方式，我們可以測試上位機軟件，檢查相應的功能和錯誤，方便維護及維修人員的修理。

9.結束語

由PLC控制的橋式起重機系統，將可編程序控制器、變頻器和觸摸屏控制技術應用于橋式起重控制系統中，使得起重機的整體特性得到較大提高，投入運行后效果良好，運行穩定，同時可提高產品的質量和生產效率。