基于PLC控制的桥式起重机的设计

内容摘要：

本文研讨基于可编程序控制器（PLC）和变频器的桥式起重机控制系统的改进。阐述了交流桥式起重机在实际中的应用以及PLC在改造方案中的确定，亦涉及在改造过程中设备的选型。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的的控制方案。与传统控制方案相比，采用PLC控制的桥式起重机可以简化繁重的设备，使控制更加安全可靠。从经济效益与环境效益的角度分析，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，但是长期运行后的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，并且减轻了人员的劳动强度，提高了工作效率。

关键词：桥式起重机变频器 PLC 控制系统

The Design of PLC-based Bridge Crane System

Abstract:

This text discussion the improved design of bridge crane control system based on PLC and frequency converter. Introduced the application of Bridge crane, the application of PLC in reconstructive transform and choosing the device. The text takes Siemens S7-200 PLC series as an example, introduced the control project of Bridge crane system. Compared with traditional control scheme，PLC-based Bridge Crane can Simplify the heavy equipment，and make control more safety and reliable. Analysis from economic benefits and environmental benefits,The maintenance cost is far below original system after long-term operation，and Saves about 30% of energy，beside a fond musts put into buying PLC and inverter and other equipment . In this design, Inverter non-contact programmable controller controls the equipment to run more accurate, as well as reduced labor strength, increased efficiency.

Key words: bridge crane; frequency converter; PLC; control system

目录

前言 (1)

1 设计要求及方案选择 (2)

1.1 系统设计要求 (2)

1.2 题目分析 (2)

1.3 系统方案选择 (2)

2 系统硬件设计 (4)

2.1 PLC实现的主令控制器 (4)

2.2 限位器及安保电路 (5)

2.2.1 限位器 (6)

2.2.2 安保开关 (6)

2.2.3 电磁抱闸 (6)

2.3 可编程控制器 (6)

2.3.1 可编程控制器特点 (6)

2.3.2 可编程控制器选型 (7)

2.3.3 I/O端口分配 (8)

2.3.4 PLC系统接线方式 (9)

2.4 变频器 (10)

2.4.1 变频器控制方式的选择 (10)

2.4.2 变频器容量的选择 (10)

2.4.3 变频器制动电阻 (11)

2.5 电动机选择 (11)

2.6 安全装置 (12)

2.6.1 栏杆 (12)

2.6.2 限位开关 (12)

2.6.3 缓冲器 (12)

2.6.4 排障板 (12)

3 系统软件设计 (13)

3.1 主程序 (13)

3.2 公用程序 (14)

3.3 大车控制程序 (16)

3.4 其他子程序设计 (17)

4 系统仿真及调试 (18)

5 设计总结 (19)

附录 (20)

附录1 桥式起重机PLC控制系统STL语言程序设计 (20)

附录2 桥式起重机PLC控制原理图 (27)

附录3 桥式起重机PLC控制系统I/O口分配表 (27)

参考文献 (28)

致谢

前言

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铺设在两侧高架上的轨道纵向运行，起重小车沿铺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吊运物料，不受地面设备的阻碍。

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，要求有一定的调速范围。所以传统的继电器控制与串电阻调速已呈现诸多弊端，有必要采用新的控制方法对其进行改造。

随着工业自动化的发展，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的优点。而变频器可以提供频率可调的交流电源，并且可以实现多段速度控制。因此，“PLC+变频器”的控制方式在桥式起重机的改造中十分流行。

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，实现传统的继电器控制桥式起重机的改造。为降低工作人员劳动强度，采用三档位的主令控制器作为操作面板。PLC作为整个控制系统的核心，它接受主令控制器发出的向前、向后、零位、调速等控制信号，限位器输入的限位信号，以及安保电路输入的保护信号，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的控制信号，控制电动机按照操作人员的操作运行。主令控制器的开关与常用的启动、停止等按钮集中于控制舱内的操作面板上，供操作人员操作使用。

经改造的桥式起重机有以下优点：

⑴桥式起重机的启动、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系统运行的开关器件实现了无触点化，具有半永久性的寿命。

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,其闸皮的磨损很小，使用寿命延长。

⑸降低了对电网的冲击。

⑹节约能源，变频调速的启动、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，其中横梁的移动使用2台相同的电动机，小车的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，空气中的水分对电机滑环、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，减少电路中的冲击电流，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

题目中原有的交流桥式起重机系统采用接触器控制电源电路的启动、停止、限位；使用凸轮控制器控制大车、小车、副钩电动机的前进、后退、零位、加速、减速；而主钩的前进、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，电路中凸轮控制器的触点上流过的即是电动机的工作电流，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；

转子串电阻的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的方式使得操作面板上的控制开关种类繁多，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。原有系统中的电磁抱闸装置，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，以提高整个系统的可靠性。

1.3 系统方案选择

从以上的题目分析来看，改造后的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实现主令控制器的开合表的逻辑功能，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的设计。为了避免主令控制器占用过多的I/O口，使用精简后的3档主令控制器。限位器与保护输入均保留传统的开关器件，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，具有较强的通信能力；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，具有较强的控制功能。本系统使用晶体管输出，寿命长，可适用于频繁开合的场合。由于S7-200（224）型PLC的本机数字量I/O为14入/10出，不能满足本系统对I/O口的要求，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的电压型变频器。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 开环控制方式的安川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，为获得快速的动态响应，实现对转矩的快速调节，获得理想的动态性能，通常采用矢量控制方式，故主副钩的升降机构选用安川CIMR-G7B4055型变频器，采用闭环矢量控制方式可获得稳定的工作状态和良好的机械特性。

桥式起重机的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，这次设计总的思路是用4台变频器来控制5台电机。起重机提升和运行机构的调速比一般不大于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。因此起重机的运行机构选用普通电机，提升机构的电机选用适合频繁起动、转动惯量小、起动转矩大的变频用电机。电动机功率的选择，必须根据生产的需求来决定。一般来说，起重机用电动机比一般工业生产机械所用的电动机的功率大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台电动机的运行，因此，四台变频器所需的输入口线均接在这台PLC上，再由四台变频器分别控制相应的电动机。下图（图2）画出了桥式起重机的PLC控制原理图。为简便起见，图中并未画出全部的I/O口线。

图2 桥式起重机的PLC控制原理图

2.1PLC实现的主令控制器①

继电接触器为基础的桥式起重机电路，往往以凸轮控制器②实现大车、小车、副钩的操作，以主令控制器加继电器屏实现主钩的操作。但凸轮控制器操作中同时切换的触点毕竟太多，且切换的又多是电动机主电路的触点，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的劳动强度。另一方面，凸轮控制器中有形的触点在频繁的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的逻辑连接关系，将有形的触点化为PLC内部无形的逻辑关系。表1给出了一个经精简后的主令控制器的开合表，并为各挡位接通的触点安排了PLC的输入口。为满足大电流切换的需要，

①又名主令开关，主要用于电气传动装置中，按一定的顺序分合触头，达到发布命令或其他控制线路联锁、转换的目的，包含凸轮控制器。

②亦称接触式控制器，是一种大型的控制电器，多档位、多触点，利用手动操作，转动凸轮去接通和分断通过大电流的触头转换开关。与主令控制器的区别在于其不需要加继电接触器就可以分断大电流。

PLC的输出必须连接接触器及继电器。

本设计使用图3所示的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。三档位的主令控制器的开合表如表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的机械互锁，汽车档位式的设计符合起重机操作人员的操作习惯，使用两只按钮进行升降速也更加方便，其实现的控制要求主要有：

⑴在按动接于I1.1及I1.0的按钮时，使加减速档位存储器VB100中存储的数字在1～5间依顺序变化，以控制输入电动机的电源频率大小。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电动机的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的接触器，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的位置。

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、机械中重要的起吊设备，对安全性与可靠性的要求较高。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的安全运行，现分别叙述这些保护模块的功能。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。本系统的限位开关使用直动式行程开关，它的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，实现对电路的控制。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，构成起重机的安全保护电路。

2.2.3 电磁抱闸

起重机是一种间歇动作的机械，要经常地启动或制动。为保证起重机安全准确的吊物，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是本系统的控制核心，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的开通与关断。

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所有的I/O接口电路均采用光电隔离，使工业现场的外电路与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采用性能优良的开关电源。

⑸对采用的器件进行严格的筛选。

⑹良好的自诊断功能，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丰富的I/O接口模块

PLC针对不同的工业现场信号，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，有相应的I/O模块与工业现场的器件或设备，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-机对话的接口模块，为了组成工业局部网络，它还有多种通讯联网的接口模块等。

2.3.1.3采用模块化结构

为了适应各种工业控制需要，除了单元式的小型PLC以外，绝大多数PLC均采用模块化结构。PLC的各个部件，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，系统的规模和功能可根据用户的需要自行组合。

2.3.1.4编程简单易学

PLC的编程大多采用类似于继电器控制线路的梯形图形式，对使用者来说，不需要具备计算机的专门知识，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不需要专门的机房，可以在各种工业环境下直接运行。使用时只需将现场的各种设备与PLC相应的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的方法，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的PLC，它们都具有各自的特点。例如三菱公司生产的PLC环境适应能力较强，往往用于重工业领域等环境复杂的地方，典型应用为机床；欧姆龙公司生产的PLC功能强大，系列齐全，但是环境适用能力不如其他的PLC，通常用于电子行业；而西门子公司的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的性能、价格以及易用性，本设计选用西门子的S7-200系列PLC。该系列的PLC属于小型可编程控制器，有很强的通信功能，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种不同的基本单元（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。考虑到桥式起重机的I/O口较多，选择CPU224或CPU226外加EM223模块的PLC均可满足

本系统的设计要求。本设计选用CPU型号为CPU224的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。

2.3.3 I/O端口分配

本系统的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，用以控制总电路的通断，当按下停止按钮时，整个系统将完全停止，PLC中保存的档位信息清零，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，保证现场工作人员的安全。主令控制器各位置接入PLC的输入端口，操作人员可通过控制屏控制电动机的正反转，加减速等操作。各电动机限位开关保证电动机在规定的位置内移动，过电流保护输入是防止由于过电流造成的电动机过载。各电动机启停与故障输入接在

PLC的输入端口上，用以控制电动机的启动与停止。急停与复位按钮是出现紧急情况时的控制按钮。

以上为输入端口的分配方式，下面介绍输出端口的分配方式：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的电源，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的输出端口上，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的口线。

将控制桥式起重机的线路接在PLC的I/O口上，通过软件编程就可以控制系统的工作了。

2.3.4 PLC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的操作信号、对变频器的控制及系统的安全保护，是系统的核心。现以大车为例说明PLC的接线及工作过程。

图4 大车PLC及变频器接线示意图

大车PLC及变频器的接线示意图如图4所示。图中电动机的启动按钮、停车按钮，主令控制器的5个触点，以及系统安保用的各种限位设备都接在PLC的输入口上。输出口上接的是许多小型继电器。它们是用来控制变频器的输出相序及频率的，其中K1控制变频器的正向相序端，K2控制变频器的反向相序端，当K1及K2中其一接通时，变频器输出一定相序的电源，当二者都接通或都不接通时，变频器终止电源的输出，K6、K7连接的是变频器的急停及复位端子。而K3、K4、K5所连接的X001、X002、X003为变频器的多段频率选择端，利用这三个端子的组合，可有七种速度可选择，具体的速度值可以通过变频器的功能码设定，本设计中只利用其中5档速度，X1、X2、X3的组合关系与速度档位的关系如表3所示：

表3 变频器多段频率端子状态表

注： 0-断，1-通

2.4 变频器

变频器为电动机提供频率可调节的交流电源，是实现电动机速度调节的关键设备。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 变频器控制方式的选择

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的电压型变频器。

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 开环控制方式的安川CIMR-F7B4045 型变频器；而主钩及副钩负载变化大，属于位能性负载，为获得快速的动态响应，实现对转矩的快速调节，获得理想的动态性能，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的工作状态和良好的机械特性。

从变频器工作频率的控制来看，可以采用变频器模拟量电压控制端加接电位器方式，这样电动机的转速是无极调速的。但这样的方式与传统的操作方式相差较远，考虑到转速平滑调节对起重机来说并不重要，则可以采用变频器机外开关多段速度选择方式实现速度控制，这和选取主令控制器作为操作器件是配套的。采用变频器后，电动机的正反转控制也变得简单的多了，不再需要使用接触器交换电源的相序，只要操作变频器的相序控制端口就可以了。

2.4.2 变频器容量的选择

变频器容量的选择是以电动机的额定功率为依据的。由于绕线转子异步电动机与通用鼠笼异步电动机相比，其绕组的阻抗较小，因此使用变频器调速时应考虑纹波电流引起的过电流跳闸情况，同样功率下的电动机，绕线转子异步电动机额定电流往往较大，所以选择时应考虑一定余量。虽然起重机升降机构的转动惯量很小，加速时间较短，但考虑到电网电压波动的因素，以及安全劳动部门对起重机1.25倍额定静载荷检测要求等因素来选择起升机构电动机的变频器容量。大车、小车运行机构属于大惯量负载，其加减时间一般不超过20 s，变频器的短时过载能力为150％，不同的加速时间对变频器容量的计算不同，当加速时间>2 min时，变频器功率选择应放大些，以此来选择大车、小车运行机构电动机的变频器容量。

2.4.3 变频器制动电阻

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，由于重力作用电动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去，使直流电压不断上升，甚至达到危险的地步。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的范围内。制动电阻就是用于消耗这部分能量的。

2.5 电动机选择

桥式起重机的运行机构多为恒转矩负载，可以使用专用的变频调速起重电

机，也可以使用起重机原有的线绕转子电动机，将转子绕组短接就可以了。

提升机构的电机选用适合频繁起动、转动惯量小、起动转矩大的变频用电机。

目前，国外以四极电机作变频电机首选极数。电机功率为：

310-?=ηVW

P 式1

式中P ——功率，kw ；

W ——额定起重量(最小幅度时)＋吊钓重量＋钢丝绳重量，N ；

V ——提开速度，m/s ；

η——机械效率。

用变频器驱动异步电动机时，由于变频器的换向冲击电压及开关元件瞬间的

开闭而产生冲击电压(浪涌电压)引起电机绝缘恶化，对电压型PWM 变频器应尽量缩短变频器与电机间接线距离或者考虑加入阻尼回路(滤波器)。

电动机功率的选择，必须根据生产的需求来决定。一般来说，起重机用电动

机比一般工业生产机械所用的电动机的功率大10%左右。

电动机的选择取决于下面两个主要条件：

(1) 发热 电动机在工作时，一方面将电能转变为机械能而做功，另一方面

由于电动机绕组本身的阻抗要消耗一部分电能转变成热能，使电动机的温度升高。电动机由于受体积结构等的限制，内部绝缘材料的耐热能力很差，极易造成老化。当温度超过电动机所允许的限度时，绝缘能力被破坏，电动机将烧毁。电动机铭牌上都规定有电动机的温升，它指的是电动机在额定负载下运行时，定子发热后的允许温升与周围环境温度之差。

(2) 过载能力 各种电动机都有一定的过载能力。交流电动机的过载能力

tm 是最大转矩max M 与额定转矩n M 的比值，即一般起重机用的交流异步电动机的过载能力为2.5～3.3。交流电动机的过载能力为：

n

M M tm max = 式2 式中，max M --电动机允许的最大转矩；

n M --电动机的额定转矩。

各种电动机的过载能力可从设计手册中查得。

电动机因过载而发生温升需要有一段时间，从发热方面来说，容许有短时的过载。但就过载能力而言，即使在很短时间内也是允许的。所以发热和过载能力必须同时考虑。

桥式起重机的电气传动系统有大车电动机两台、小车电动机一台、15吨大钩、3吨小钩提升电动机各一台，这次设计总的思路是用4台变额器来控制5台电机。根据分析计算后电机的基本选型见表4。

2.6 安全装置

起重小车的安全装置主要有栏杆、限位开关、撞尺缓冲器、排障板等

2.6.1 栏杆

桥式起重机起重小车运行的轨道中间为钢丝绳和吊钩工作的空间，考虑到维修人员在小车上工作的安全，小车架朝着这个空间的两边都焊有保护栏，小车架的另两边朝着走台，为方便维修人员的上下小车不设栏杆。

2.6.2 限位开关

当起升机构或运行机构运动到极端位置时，用限位开关来切断电源开关，防止因操作失误发生事故。

2.6.3 缓冲器

为防止运行机构的行程限位开关失灵，小车架上安装了弹簧缓冲器。在桥架小车轨道的极端位置处装上挡铁，用它来阻挡小车的运动并使缓冲器吸收碰撞时的能量。国家规定，容许的最大减速度为4m/s。当小车速度不高时，也可用橡胶块和木块来缓冲。

2.6.4 排障板

焊在小车架上位于车轮外边的钢板，它的作用是在运行时排除小车轨道上可能存在的障碍物，如维修时遗忘而搁在轨道上的工具等。

3 系统软件设计

PLC程序的编制以实现PLC在系统中的任务为目的。整个桥式起重机的程序分为主程序、公用程序、大车程序、小车程序、主钩程序、副钩程序6个部分。主程序接收相应的按钮输入，分别调用其余5个子程序。公用程序实现PLC模拟的主令控制器的功能，并将信息存入中间继电器中。而大车、小车、主钩、副钩等程序分别具体控制各电机的运行。现分别介绍各程序的功能：

3.1 主程序

主程序功能简单，主要是实现调用各子程序。当PLC上电工作时，SM0.0接通，调用公用程序，完成初始化。另外，设有总电路开关，当启动开关I0.0接通，停止开关I0.1及过电流保护开关I0.7常闭触头闭合时，接通总电源输出开关Q0.0，并自保持。这时整个电路将通电，公用程序完成初始化，等待操作人员按下大车、小车、主钩或副钩的启动按钮，启动相应子程序。主程序梯形图设计如下：

图5 主程序梯形图程序设计

3.2 公用程序

设置公用程序可以充分利用PLC的I/O点，减少外部接线，其程序主要是实现电机的正反转、提减速，用辅助继电器输出为后面的各子程序调用作准备。

编程的基本思想是用比较传送的方式，按下I1.0或I1.1时，使存储器VB100中的数在1～5间顺序变化，控制输入到变频器中的档位变化实现调速。当主令控制器处于零位，或输入到VB100中的数大于5或者小于0时，将使VB100置零。另外，在上电的第一个周期，SM0.1得电，VB100亦将置零。

公用程序还将接收向前或者向后的输入，实现主令控制器的向前或者向后的功能。公用程序的STL语言如下：

TITLE = 公用程序

Network 1 上电及主令开关经过零位时清档位存储器VB100

LD I0.2 //主令控制器零位开关I0.2

ED //出现下降沿

LD M11.2 //主令控制器处于向前位

ED

OLD

LD M11.3 //主令控制器处于向后位

ED

OLD

O SM0.1 //上电的第一个周期

AN I0.1 //停止按钮按下时，不完成初始化

MOVB 0, VB100 //清档位存储器VB100

Network 2 VB100为0时M11.0置1

LDB= VB100, 0 //比较VB100中的数与0的大小

= M11.0 //将比较后的结果存入M11.0

Network 3 VB100为5时M11.1置1

LDB= VB100, 5 //比较VB100中的数与5的大小

= M11.1 //将比较后的结果存入M11.1

Network 4 I1.0接一次，VB100加1（VB100小于5）

LD I1.0 //加速开关I1.0

EU //出现上升沿

AN M11.1 //中间继电器M11.1，VB100大于5时，M11.1通电INCB VB100 //VB100自增1,

Network 5 I1.1接一次，VB100减1（VB100大于0）

LD I1.1 //减速开关I1.1

EU

AN M11.0 //中间继电器M11.0，VB100小于0时，M11.0通电DECB VB100 //VB100自减1

Network 6 速度输出程序

LDN I0.1 //停止按钮I0.1常闭触点

AN M11.3 //串联正反转中间继电器，

AN M11.2 //防止按下正反转时,进行加减速操作

A Q0.0 //主电源输出点Q0.0

LPS

LDB= VB100, 1

OB= VB100, 3

OB= VB100, 5

ALD

= M10.4 //变频器速度选择端X001

LRD

LDB= VB100, 2

OB= VB100, 3

ALD

= M10.5 //变频器速度选择端X002

LPP

LDB= VB100, 4

OB= VB100, 5

ALD

= M10.6 //变频器速度选择端X003

Network 7 主令控制器控制电动机正反转

LDN I0.1

A Q0.0

LPS

AN I0.3 //前限位开关

A I0.5 //主令控制器向前档

AN M11.3 //并联M11.3，与M11.2互锁

= M11.2 //将主令控制器正转信息保存在M11.2

LPP

AN I0.4 //后限位开关

A I0.6 //主令控制器向后档

AN M11.2

= M11.3 //将主令控制器反转信息保存在M11.3

3.3 大车控制程序

在设计各电动机控制程序的过程中，只需要将公用程序输出到中间继电器中的电机正传、反转以及变速信息接到相应的变频器输入端口上即可。鉴于各电机控制程序基本相同，只有主钩控制程序加接单独的过电流保护，且其程序简单，故在此仅以大车控制程序介绍各电动机控制程序的编程思路。大车运行流程图如下：

图6 大车运行流程图

大车控制程序包含急停复位、大车电源及大车速度控制程序三部分。

根据变频器的端口功能，EMS为急停输入口，RST为复位输入口，将控制面板的急停按钮接在PLC的输入端口，经PLC的输出端口接到变频器的EMS及RST 端口即可完成急停及复位的程序设计。其LOD梯形图程序如7所示：

图7 大车急停及复位梯形图程序

大车电源控制程序是将大车启动按钮常开触点I1.4串联大车停止按钮常闭触点I1.5以及大车故障按钮常闭触点I1.6再输出到大车电源输出Q0.3，并将Q0.3并联在I1.4上实现继电保持。其LOD梯形图如图8所示：

图8 大车电源梯形图程序

大车速度控制程序的功能是将主令控制器输出的正转、反转、加减速等信号输入到变频器的输入口上。变频器的正转输入口为FWD口，反转输入口为REV口，7档位速度输出控制为X001、X002、X003口。将中间继电器的信号经小型继电器接在变频器上相应的输入口上，并加上一定的保护电路，其梯形图如图9所示：

图9 大车速度控制梯形图程序

利用PLC控制的变频器调速技术，桥式起重机拖动系统的各档速度、加速时间都可以根据现场情况由变频器设置，调整方便。负载变化时，各档速度基本不变，调速性能好。

3.4 其他子程序设计

桥式起重机使用5台电动机控制各机构的运行，而各运行机构的启动、制动等操作基本类似，只有主钩控制程序稍有不同。因此，小车、主钩、副钩的控制程序和大车的控制程序类似，只需在原有基础上稍加改动即可。其中主钩回路由于负载变化大，启动频繁，因此加接过电流保护回路，具体的程序见附录一，此处不再一一赘述。

4 系统仿真及调试

桥式起重机是大型设备，很难在现场对PLC程序进行仿真调试，因此可以采用一些仿真软件模拟PLC的工作情况。本次设计采用名为S7-200 version 2.0的仿真软件进行仿真。S7-200 version 2.0是一款专门为S7-200PLC设计的仿真软件，界面简单，功能实用。

图10 软件仿真界面

经仿真调试，原设计程序符合设计要求，输出口指示灯可以按照输入的要求正常的变化，整个系统满足设计要求。实际使用S7-200 version 2.0软件仿真后发现，该软件功能单一，只能指示I/O口的变化，且在子程序调用，中断调用等方面不能完全兼容，仿真过程中不能监控程序流程。因此，采用PLC实验箱进行分部分仿真较好。

采用PLC实验箱进行仿真过程中，我发现实际上桥式起重机的PLC程序基本上都是对各输入输出开关进行操作。这部分程序并不复杂，所涉及的逻辑思路较为简单。因此，仿真的重点集中在子程序调用与公用程序上，这也是仿真软件所不能完成的部分。

由于PLC实验箱上的I/O口数量不足，在本次仿真过程中，我采用了将整个程序分部份仿真的方法。首先是子程序调用，将源程序输入STEP 7-MicroWIN 编程软件，通过下载线下载到PLC中，开启程序状态监控，就可以观察到程序中的“能流”情况了。仿真后发现，子程序能够正常调用。因此，这一部分程序是不存在问题的。

公用程序主要涉及到了初始化和速度控制程序。将程序下载到PLC中，开启程序状态监控，运行程序就可以看到SM0.1对VB100的初始化，观察后发现，这部分程序也是正确的。速度控制程序是要将输入的速度档位信息保存在中间继电器中，仿真开始后发现输出到中间继电器中的速度信息不正确，查看变频器频率选择状态表后发现程序出现了错误，改正后，程序就符合预想要求了。