基于西门子PLC和变频器的桥式起重机电气控制系统设计

桥式起重机可用于重物的搬运、货物的装卸以及大型机械设备的安装，可极大提高工作效率，节省劳动成本，广泛应用于国民经济的各个领域。近年来，现场作业复杂程度越来越高，对桥式起重机的控制也提出了更高的要求，采用可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC），效果较好，可极大提升系统可靠性，大幅度降低故障率，故障易排除，相应也降低了设备能耗。本文即基于这一背景，利用西门子 PLC 和变频器设计桥式起重机电气控制系统，以期达到易于操作、可靠性高、调速平稳、定位精确、故障率低并易于排查以及节能降耗等目的。

一、系统总体设计

桥式起重机的控制特点是操作频繁、工作时间短，采用PLC＋变频器控制可以得到比传统继电器接触器控制更好的控制效果。本文以 32T/22.5m 通用桥式起重机为例，根据其设计参数和工作流程来介绍和设计其控制系统。32T/22.5m 通用桥式起重机设计参数如表1 所示。

桥式起重机的机械系统通常自重较大，结构复杂。对桥式起重机的控制通常侧重于电气控制，通过系统的整体设计、硬件器件的选型以及软件和参数的设置，实现对桥式起重机安全有序的控制。PLC 控制网络负责接收主令电器、按钮及限位开关等器件的信号，并与上位机触摸屏进行通信，以进行数据交换和监控。操作者通过触摸屏和主令电器发出指令，PLC 根据指令来控制变频器，变频器根据PLC 程序的速度要求，输出相应的电压输出频率，从而对电机进行调速控制。对于主钩电机和副钩电机，需要增设编码器以输出反馈信号给变频器，实现闭环控制。在电机处于停止状态时，起重机的制动器运行，进行夹紧制动，限位开关发生故障时，制动器紧急制动，并在触摸屏和指示灯上显示报警信 。

二、硬件系统设计

桥式起重机的硬件结构系统如图 1 所示。系统设计考虑由两台 PLC 组成工控网络，作为整个控制系统的核心（西门子S7-300 作为主站，S7-200 作为从站）；电机采用西门子MM440 变频器进行驱动，主要由大车电机、小车电机、主钩电机、副钩电机组成，每台电机均配置一台变频器，同时配置制动单元，提高系统的制动效果；在主、副钩电机轴上安装增量型光电编码器作为闭环反馈，将信号反馈回变频器，实现变频器的闭环控制（PID），提高电机的定位精度；各主令电器、按钮和限位开关作为 PLC 的输入，变频器、继电器、电磁铁和指示灯作为PLC 的输出；在驾驶室配装触摸屏，PLC 采集各种输入信号并传递到触摸屏，可以确保桥式起重机操作员能够把控整个设备的状态和故障信息等，从而对整机的状态和故障进行实时监控。

图1 桥式起重机硬件组成结构系统示意图

（1）PLC 控制系统。PLC 控制系统采用两台 PLC 组成 DP 网络进行控制。主站采用 S7-300PLC，型号为CPU313C-2DP；从站采用 S7-200PLC，具体型号为 CPU222，扩展 EM277，与主站一起组成 PROFIBUS-DP 网络。采用PLC 网络控制可实现多台电机集中控制同步工作。

（2）PLC 与变频器组合控制传统的桥式起重机虽然有较多的调速方法，但确地实现上述电机拖动过程的各个环节，且控制系统性能稳定、调速平稳。为防止重物在停止状态时出现下滑现象，可利用变频器的直流励磁制动功能，在重物提升时，给电机加励磁，依靠变频器优越的力矩控制功能，避免主副钩出现溜钩现象。

（3）PLC 和触摸屏配合控制

触摸屏具有友好的操作界面，快捷方便的程序设计在PLC 控制系统中应用广泛。在本设计中，PLC 和触摸屏配合控制，可以很好地监控整个控制过程的工作状态和查看系统的故障状态。本系统触摸屏采用 MCGS 的TPC7062KS。系统界面有主界面、主钩升降界面、副钩升降界面、大车运行界面和小车运行界面五个界面，各个界面之间通过相应的切换按钮进行转换。主界面为开机界面和主要操作及监控界面，可以切换到其余四个界面，四个界面也可以通过返回按键切换到主界面。主令电器、按钮、限位开关和触摸屏发出的指令信号给 PLC 的输入端，PLC 对各个信号进行采集后运行相应的程序，同时通过数据线将各种信号和状态结构传送给触摸屏，从而对系统的整个工作状态和故障信息进行实时监控。

三、系统PLC 程序设计流程控制系统

本系统的 PLC 程序设计流程控制主要围绕起重设备的操作逻辑展开，分为四个核心控制模块：主钩运行程序、副钩运行程序、大车运行程序和小车运行程序。各模块对应触摸屏上的四个控制界面，用户可通过触摸屏操作，也可利用主令电器及控制按钮实现相应控制功能。

系统运行流程如下：当操作开始后，PLC 首先判断系统是否已准备就绪，若未准备则流程结束；若准备完毕，则允许启动整机操作。进入主流程后，PLC 判断是否需要主钩运行，若需要则执行主钩运行程序，若不需要则判断是否需要副钩运行，若需要则执行副钩运行程序。随后，系统继续判断是否需执行小车运行程序，如需要，则执行小车相关指令，否则流程结束。最后，系统判断是否执行大车运行程序，如有需求，则继续执行大车程序，若无则整个流程结束。

四、结束语

本文针对桥式起重机的控制需求，提出了基于 PLC 与变频器协同控制的系统方案。该设计方案结构清晰、控制合理，通过触摸屏与 PLC 联动实现全过程监控，极大提升了设备运行的智能化水平。系统具有较高的可靠性和稳定性，在实际应用中能有效提升作业效率、保障操作安全，具有良好的推广价值。

参考文献：

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[2]何伟.数字控制系统在桥式起重机上的研究与应用[D].哈尔滨工业大学,2018.

[3]吴硕,赵继忠.基于西门子 PLC 和变频器的桥式起重机控制系统[J].自动化应用,2014,(04):59-60+97.