远行de风基于PLC的起重机控制系统的设计
2桥式起重机的控制
2.1桥式起重机的主要结构及运动形式
桥式起重机由桥架（双称大车），装有起升机构的小车、大车运行机构及驾驶室等几部分组成，如下图2.1所示
图2.1 桥式起重机结构图
桥架是桥式起重机的基本构件，它由主梁、端梁、走台等几部分组成。主梁跨架在车间上空，其两端联有端梁，主梁外侧装有走台并设有安全栏杆。
小车运行机构由小车架、小车移行机构和提升机构组成。小车架由钢板焊成，其上装有小车移行机构、提升机构、栏杆及提升限位开关。小车可沿桥架主梁上的轨道左右移行。在小车运动方向的两端装有缓冲器和限位开关。小车移行机构由电动机、主动轮、制动器等组成。电动机经减速后带动主动轮使小车运动。提升机构由电动机、减速器、卷筒、制动器等组成，提升电动机通过制动轮、联轴节与减速器联接，减速器输出轴与起吊卷筒相联。
大车移行机构则是由驱动电动机、制动器、传动轴、减速器、联轴器、角型轴承箱和车轮等几部分组成。其车轮通过角型轴承箱固定在桥架的端梁上，其主要作用是驱动大车车轮沿轨道运行。其驱动方式有集中驱动和分别驱动方式两种：
集中驱动是由一台电动机通过制动轮直接与联轴节、传动轴联接，再通过减速器与车轮联接驱动两边的主轮。
分别驱动是由两套独立的无机械联系的运行机构组成。每套运行机构由电动机通过制动轮、联轴节、减速器与大车车轮联接，省去了中间传动轴。但分别驱动的运行机构是用两台同样型号的电动机，用同一控制器控制。
分别驱动与集中驱动相比，自重较轻，安装和维护方便，实践证明使用效果良好。目前我国生产的桥式起重机大部分采用分别驱动方式。
控制室是操纵起重机的吊舱，又称驾驶室。在操纵室内，主要装有大小车运动机构和起升机构的操纵系统和有关装置，如控制器、保护箱及照明开关箱；有关安全开关，如紧急开关、电铃开关等。
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控制室一般固定在主梁下方的一端，也有随大车移动的。其上方有通向走台的舱口。为了安全，舱口处装有安全开关，避免司机及维护人员上车发生触电事故。
2.2传统桥式起重机的控制原理
传统的桥式起重机基本采用继电器控制和串电阻调速，使用凸轮控制器控制各台电动机。其主电路和控制电路如图2.2所示
图2.2 20t桥式起重机典型电路
控制方式：小型桥式起重机的主钩、大车、小车均采用绕线式三相交流异步机电动机和凸轮控制器控制。
该起重机有两个卷扬机构，主钩起重量为20吨，副钩起重量为5吨，分别由电动机M1、M2拖动。其中M1为主卷扬电动机，由凸轮控制器1SA操纵；M2为副卷扬电动机，由凸轮控制器2SA操纵；小车移行机构由电动机M3拖动，M3为小车电动机，由凸轮控制器3SA操纵；大车移行机构由两台电动机M4、M5分别拖动，M4、M5为大车电动机，共由凸轮控制器4SA操纵。
整个起重机五台电动机保护电路如图2.2下方图所示。其中QS为紧急开关，用作事故情况下紧急断开电源；SQ7～SQ9为舱口门开关与横梁门开关；KA1～KA6为过电流继电器的触点，用作电动机的过流保护；1SA、2SA、3SA、4SA分别为主卷扬、副卷扬、小车与大车凸轮控制器触点；SQ1、SQ2为小车移行机构行程开关，用于小车终端限位保护；SQ3、SQ4为大车移行机构行程开关，用于大车终端限位保护；SQ5为副卷扬提升机构行程开关，用于提升终端限位保护。
YB1～YB5分别为主卷扬、副卷扬、小车与大车电动机各自的制动电磁铁。[6]
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基于PLC的起重机控制系统的设计
2.3 传统桥式起重机控制系统的缺点：
桥式起重器一般在一些条件恶劣的场合工作，而且动作复杂，工作频率较高，电机容量较大，要求有一定的调速范围。所以传统的继电器控制和串电阻调速会在操作中存在很多问题：
（1） 电动机及其所串电阻烧损和断裂故障经常发生； （2） 继电接触器控制系统可靠性差，操作复杂，故障率高； （3） 转子串电阻调速调速效果不理想；
（4） 所串电阻长期发热，电能浪费大，效率低等。
而且采用凸轮控制器在操作中同时切换的触点一般很多，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。
2.4 控制方案的设计
可编程控制器简称—PLC，是以微处理器为基础，综合了计算机技术、自动控制技术和通讯技术发展而来的一种新型工业控制装置。它具有结构简单、编程方便、可靠性高等优点，已广泛用于工业过程和位置的自动控制中。
本设计使用PLC来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。改造中采用PLC代替接触器开关来解决凸轮控制器的缺点。这样既减少了系统中触点数目，也使设备体积减小，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。
通过对设计的分析，改造后的交流桥式起重机控制系统也包含了以下几个部分：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）其控制框图如图2.3所示：
主令控制器 限位器 P L C 变频器 变频器 M1 M2 M3 M4 M5 变频器 保护输入 变频器
图2.3 交流桥式起重机控制系统框图
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3 桥式起重机控制系统的硬件设计
3.1 系统硬件设计
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）。四台变频器分别控制相应的电动机，然后四台变频器所需的输入口线均接在PLC上。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。下图画出了桥式起重机的PLC控制原理图。简单起见，图中没有画出全部的I/O口线。
图3.1 桥式起重机的PLC控制原理图
3.2 PLC实现的主令控制器
继电接触器为基础的桥式起重机电路，一般都是用凸轮控制器来控制大车、小车、主副钩的操作。这次设计我使用PLC来模拟各类电器的逻辑功能，把有形的触点转变为PLC内部无形的逻辑关系。以满足大电流切换的需要，PLC的输出应该连接接触器及继电器。表3-1列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。
表3-1 三档主令开关开合表
输入端口 I0.5 I0.6 I0.2
注 x—触头闭合
向前 x
零位 x
向后 x
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基于PLC的起重机控制系统的设计
本设计使用图3.2所示的一个三档位的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3-1所示。该主令控制器延续了凸轮控制器向前向后操作时的互锁，而且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更加方便，其实现的控制要求主要有：
（1） 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，电动机进行正转；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断开正在运行的接触器，准备接通下一个接触器，同时手柄在0位时会切除电阻档位存储器清零。 （2） 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。这是通过加1及减1指令实现的，在VB100中数值小于5时可加操作，大于零时可减操作。
电机 向 前 零 位 向 后 I 0.5 I 0.2 I 0.6 加速 I1.0 减速 I1.1
图3.2 3档主令开关及增减电阻按钮示意图
3.3 电机的选用
3.3.1 变频调速对电动机的要求
采用变频调速时，由于变频器输出波形中高次谐波的影响以及电动机转速范围的扩大产生了一些与在工频电源下传动时不同的特征。主要反映在功率因数、效率、输出力矩、电机温升、噪音及振动等方面。随着高开关频率的工GBT等电力电子器件的使用、PWM调制、矢量控制、增强型V/f控制方法的应用、使变频器输出波形、谐波成份、功率因数及使用效率得到了很大的改善，有效地提高了变频控制电机的低速区转矩。同时由于变频控制软件的优化使用，使电动机可以避开共振点，解决了系统在大调速区间内可能发生的共振问题。目前，变频器己经发展到除非有超同步调速的要求或呈1:20以上的大速比，一般无须选用变频专用电机作变频系统的电动机。现在国内推出的变频专用电动机由普通电机加独立风扇组成，以解决电动机在低速运转过程中自冷风扇风量不足而引起的电动机过热问题。
3.3.2 变频起重机系统中电动机的选型
起重机起升和运行机构的调速比一般不大于1:20，且为断续工作制，通常接电持续率
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