本文介紹了橋式起重機(jī)控制系統(tǒng)，通過(guò)S7-300PLC編程以及變頻器調(diào)速，來(lái)實(shí)現(xiàn)橋式起重機(jī)的半自動(dòng)化，能檢測(cè)各個(gè)電機(jī)故障現(xiàn)象并送往工業(yè)觸摸屏進(jìn)行顯示，方便維護(hù)及維修人員的修理。

1.引言

在橋式起重機(jī)控制系統(tǒng)中采用PLC控制也越來(lái)越多，運(yùn)用PLC能簡(jiǎn)化電路，使設(shè)計(jì)更加簡(jiǎn)單，安全和可靠[1]。傳統(tǒng)的橋式起重控制系統(tǒng)主要采用繼電器接觸器進(jìn)行控制，采用交流繞線串電阻的方法進(jìn)行啟動(dòng)和調(diào)速，這種系統(tǒng)存在可靠性差，操作復(fù)雜，故障率高，電能浪費(fèi)大，效率低等缺點(diǎn)。本題目針對(duì)橋式起重機(jī)控制系統(tǒng)中存在的上述問(wèn)題，把可編程序控制器和變頻器應(yīng)用于橋式起重機(jī)控制系統(tǒng)上，并進(jìn)行了較深入的研究，控制系統(tǒng)主要采用橋式起重機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)后具有節(jié)能、減少機(jī)械磨損，啟動(dòng)性能好等諸多優(yōu)點(diǎn)。

2.橋式起重機(jī)簡(jiǎn)介

橋式起重機(jī)是橋架在高架軌道上運(yùn)行的，一種橋架型起重機(jī)，又稱天車。橋式起重機(jī)的橋架沿輔設(shè)在兩側(cè)高架上的軌道縱向運(yùn)行，起重小車沿輔設(shè)在橋架上的軌道橫向運(yùn)行，構(gòu)成一矩形的工作范圍，就可以充分利用橋架下面的空間調(diào)運(yùn)物料，不受地面設(shè)備的阻礙。由于現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的飛速發(fā)展，傳統(tǒng)的橋式起重機(jī)系統(tǒng)存在的可靠性差，故障率高，電能浪費(fèi)大，效率低等缺點(diǎn)已無(wú)法滿足社會(huì)的需求，因此本設(shè)計(jì)將針對(duì)以上問(wèn)題對(duì)橋式起重機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)。

而基于PLC的橋式起重機(jī)系統(tǒng)的控制就是一種由PLC控制的橋式起重機(jī)系統(tǒng)，利用變頻器的變頻調(diào)速對(duì)橋式起重機(jī)進(jìn)行編程、調(diào)試，可以解決傳統(tǒng)橋式起重機(jī)控制系統(tǒng)存在諸多的問(wèn)題，變頻調(diào)速以其可靠性好，高品質(zhì)的調(diào)速性能、節(jié)能效益顯著的特性在起重運(yùn)輸機(jī)械行業(yè)中具有廣泛的發(fā)展前景。

3.橋式起重機(jī)的系統(tǒng)控制要求

對(duì)橋式起重機(jī)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的基本要求：

(1)主、副機(jī)構(gòu)升降速度調(diào)節(jié);

(2)運(yùn)行機(jī)構(gòu)運(yùn)行速度調(diào)節(jié);

(3)保護(hù)功能：主副機(jī)構(gòu)上升限位、下降限位、大車限位、小車限位、主副機(jī)構(gòu)及大小車電機(jī)的保護(hù)等。

控制系統(tǒng)應(yīng)由PLC、繼電器、操縱臺(tái)各主令控制器、開(kāi)關(guān)、按鈕、指示燈及各部位限位開(kāi)關(guān)等組成。

橋式起重機(jī)大車、小車、主鉤、副鉤都需要獨(dú)立運(yùn)行，大車為兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)同時(shí)拖動(dòng)，經(jīng)變頻器傳動(dòng)，并由PLC加以控制。各部件的功能及實(shí)現(xiàn)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(guó)的AB公司。本課題主要選用西門子PLC S7-300系列，主要根據(jù)如下：

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

(2)西門子PLC目前應(yīng)用比較成熟，技術(shù)上有保證，且有豐富的成功經(jīng)驗(yàn)可以鑒戒，縮短系統(tǒng)開(kāi)發(fā)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(jī)的通訊，同時(shí)功能比較簡(jiǎn)單，不能滿足控制要求。S7-400主要用于大型的集散控制系統(tǒng)中，由于選用S7-300就可以滿足工藝控制要求，因此沒(méi)有必要選擇S7-400，增加成本。根據(jù)被控對(duì)象的I/O點(diǎn)數(shù)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(jī)變頻器，特別是主鉤及副鉤變頻器，需配用制動(dòng)電阻。起重機(jī)放下重物時(shí)，由于重力作用起重機(jī)將處于再生制動(dòng)狀態(tài)，拖動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)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(dá)到危險(xiǎn)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(nèi)，制動(dòng)電阻就是用來(lái)消耗這部分能量的。

變頻器在實(shí)際使用中，電動(dòng)機(jī)經(jīng)常要根據(jù)各類機(jī)械的某種狀態(tài)而進(jìn)行正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、點(diǎn)動(dòng)等運(yùn)行，變頻器的給定頻率信號(hào)、電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)信號(hào)等都是通過(guò)變頻器控制端子給出，即變頻器的外部運(yùn)行操作，大大提高了生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化程度。

變頻器運(yùn)行操作：

(1)變頻器啟動(dòng)：在變頻器的前操作面板上按運(yùn)行鍵，變頻器將驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)升速，并運(yùn)行在由P1040所設(shè)定的20Hz頻率對(duì)應(yīng)的560r∕min的轉(zhuǎn)速上。

(2)正反轉(zhuǎn)及加減速運(yùn)行：電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速(運(yùn)行頻率)及旋轉(zhuǎn)方向可直接通過(guò)按前操作面板上的鍵∕減少鍵(▲/▼)來(lái)改變。

(3)點(diǎn)動(dòng)運(yùn)行：按下變頻器前操作面板上的點(diǎn)動(dòng)鍵，則變頻器驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)升速，并運(yùn)行在由P1058所設(shè)置的正向點(diǎn)動(dòng)10Hz頻率值上。當(dāng)松開(kāi)變頻器前錯(cuò)做面板上的點(diǎn)動(dòng)鍵，則變頻器將驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)降速至零。這時(shí)，如果按下一變頻器前操作面板上的換向鍵，在重復(fù)上述的點(diǎn)動(dòng)運(yùn)行操作，電動(dòng)機(jī)可在變頻器的驅(qū)動(dòng)下反向點(diǎn)動(dòng)運(yùn)行。

(4)電動(dòng)機(jī)停車：在變頻器的前操作面板上按停止鍵，則變頻器將驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)降速至零。

6.橋式起重機(jī)工作過(guò)程

在啟動(dòng)狀態(tài)下，各類設(shè)備的控制應(yīng)根據(jù)操作面板上的按鈕輸入來(lái)控制，升降機(jī)在啟動(dòng)和停止時(shí)，通過(guò)檢測(cè)變頻器輸出的頻率，控制電磁制動(dòng)器的運(yùn)行，其工作過(guò)程如下：

(1)接通電源，啟動(dòng)系統(tǒng);

(2)按下大車運(yùn)行按鈕，大車啟動(dòng)，通過(guò)加速、減速按鈕改變大車速度;

(3)按下小車運(yùn)行按鈕，小車啟動(dòng)，通過(guò)加速、減速按鈕改變小車速度;

(4)按下升降機(jī)運(yùn)行按鈕，升降機(jī)啟動(dòng)，通過(guò)加速、減速按鈕改變升降機(jī)速度。

當(dāng)需要重物懸停半空時(shí)，減小變頻器輸出頻率，直到設(shè)定值，頻率停止下降，啟動(dòng)電磁制動(dòng)器，將重物抱住，防止溜鉤現(xiàn)象;當(dāng)重物需從半空開(kāi)始上升或下降時(shí)，增加變頻器的輸出頻率，到達(dá)某設(shè)定值時(shí)，停止上升，停止電磁制動(dòng)器工作，松開(kāi)重物，變頻器輸出頻率持續(xù)增加到所需值。

7.下位機(jī)設(shè)計(jì) 　　在Step7中，用項(xiàng)目來(lái)管理一個(gè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)的硬件和軟件。這些項(xiàng)目又由SIMATIC管理器集中管理，通過(guò)該管理器可方便地瀏覽SIMATIC.S7.C7和WinAC的數(shù)據(jù)。SIMATIC管理器提供兩種創(chuàng)建項(xiàng)目的方法：使用向?qū)?chuàng)建項(xiàng)目和手動(dòng)創(chuàng)建項(xiàng)目。在這里，我們使用向?qū)?lái)創(chuàng)建項(xiàng)目。

直接建立的項(xiàng)目只包含一個(gè)MPI對(duì)象，需要通過(guò)“插入”菜單來(lái)手動(dòng)添家對(duì)象，用戶可以插入一個(gè)PLC站，先進(jìn)行硬件組態(tài)，完成硬件組態(tài)后，再在相應(yīng)CPU的S7程序目錄下編輯用戶程序;也可以先插入一個(gè)獨(dú)立的S7程序，編寫用戶程序，再進(jìn)行硬件組態(tài)，等組態(tài)完成后將程序復(fù)制到相應(yīng)的CPU中。

雙擊“OB1”進(jìn)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(shè)計(jì)沒(méi)有采用功能和功能塊，也沒(méi)有應(yīng)用到數(shù)據(jù)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(kāi)所要調(diào)試的程序塊，點(diǎn)擊按鈕，然后選擇“調(diào)試”菜單下的“監(jiān)視”命令，開(kāi)始對(duì)程序塊里梯形圖進(jìn)行調(diào)試。

此時(shí)，我們?nèi)钥捎肧tep7中的變量監(jiān)控或程序塊在線監(jiān)視等功能來(lái)測(cè)試PLC程序，也可查看當(dāng)前CPU的狀態(tài)(掃描時(shí)間、存儲(chǔ)空間等)，操作方法與實(shí)際PLC的操作基本相同。

8.監(jiān)控畫面

在PLCSIM仿真窗口將仿真PLC的CPU置于運(yùn)行模式，打開(kāi)WinCC窗口，激活項(xiàng)目，如圖6，觀察橋式起重機(jī)的仿真過(guò)程，其中可以像實(shí)際監(jiān)控操作那樣開(kāi)關(guān)閥門、修改參數(shù)、查看運(yùn)行數(shù)據(jù)和曲線等。通過(guò)這種方式，我們可以測(cè)試上位機(jī)軟件，檢查相應(yīng)的功能和錯(cuò)誤，方便維護(hù)及維修人員的修理。

9.結(jié)束語(yǔ)

由PLC控制的橋式起重機(jī)系統(tǒng)，將可編程序控制器、變頻器和觸摸屏控制技術(shù)應(yīng)用于橋式起重控制系統(tǒng)中，使得起重機(jī)的整體特性得到較大提高，投入運(yùn)行后效果良好，運(yùn)行穩(wěn)定，同時(shí)可提高產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)效率。