基于PLC的桥式起重机控制装置

1 系统总体设计

1.1 控制系统组成结构

桥式起重机的控制系统由PLC 主控单元、变频器、编码器、制动器、触摸屏人机界面以及各类传感器组成。其中，PLC 主站采用西门子S7-300 系列，从站使用S7-200，通过PROFIBUS-DP 网络实现通信。各驱动机构配置独立的 MM440 变频器进行调速控制，主副钩电机配有光电编码器实现闭环反馈。此外，限位开关、按钮和主令电器作为输入单元，电磁铁与指示灯等作为输出单元，共同构成完整的控制体系。

1.2 控制目标与基本要求

控制系统需实现桥式起重机在起升、运行等各个环节的精准控制，确保其响应灵敏、定位准确、运行平稳。其基本要求包括：一是实现多台电机的同步协作控制；二是具备完善的安全保护机制，及时处理限位、过载等异常；三是支持触摸屏与PLC 的实时交互，实现操作与状态监控统一。

1.3 系统技术参数介绍

本设计以 32T/22.5m 通用桥式起重机为对象，其关键技术参数如下：起重量为32 吨，跨度为22.5 米，起升高度为9 米。主钩起升速度为13. 3m/min ，大车运行速度为65. 97m/min ，小车运行速度为 30.81m/min。整机工作级别为A5，适用于中等强度工作制。这些参数确保其在重载和高频使用情况下仍具备良好的稳定性和效率。

2 电气控制系统设计

2.1PLC 选型与配置

考虑到桥式起重机对控制精度、响应速度和系统稳定性的高要求，控制系统选用西门子 S7-300 系列PLC 作为主控制单元，具体型号为CPU313C-2DP，具备较强的处理能力与通讯扩展性。从站选用S7-200PLC（CPU222），通过 EM277 模块接入主站网络，承担部分 I/O 扩展及辅助控制功能。该配置结构清晰，便于模块化管理，并具备良好的抗干扰性能。

2.2 控制网络架构设计

系统控制网络基于 PROFIBUS-DP 协议构建，主从结构明确，通信稳定可靠。S7-300 主站通过总线连接各子系统，实现高速数据交换，保障多机构之间的控制协调。S7-200 从站接收主站下发的指令并采集本地信号，实现部分边缘任务处理。此外，系统还集成 HMI 触摸屏与 PLC 之间的数据通信，支持状态监测、参数修改及报警信息显示。

2.3 输入/输出信号分配与接线设计

在 I/O 信号配置方面，系统根据桥式起重机的运行逻辑合理划分输入输出资源。输入端包括主令电器、急停按钮、限位开关、编码器信号等，用于采集现场运行状态；输出端则连接变频器控制端、制动器电磁阀、指示灯等执行单元。所有接线均按工业标准进行布线与端子编号，确保信号清晰、便于维护。

3 变频器与电动机控制设计

本系统选用西门子 MM440 系列变频器，分别控制主钩、副钩、大车与小车四个执行电机，通过 PID 调速算法实现负载适应性调整。

3.1 变频器调速原理

本系统采用矢量控制型变频器，通过改变输出频率与电压比例，精确控制电机转速。相比传统启动方式，变频调速可实现低速大转矩输出，提升重载启动性能。调速过程中，变频器内置的 PID 控制模块根据反馈信号动态调节输出参数，使电机运行更加平稳可靠。在频繁启停、重物提升等复杂负载条件下，变频器可通过优化斜坡启动与制动时间，降低冲击，延长设备使用寿命，是桥式起重机运行不可或缺的控制核心。

3.2 主钩、副钩、大车、小车的驱动控制逻辑

主钩与副钩用于实现起升功能，分别配置独立变频器，采用编码器反馈控制，确保起升同步与定位精度；

其运行模式设定为恒转矩控制，适应不同载荷情况下的稳定作业。大车与小车机构主要负责水平运行，其变频控制则更侧重速度线性与启停柔性，防止载荷摆动影响作业安全。各机构的运行状态由 PLC 集中控制，按先后逻辑顺序执行，系统具备互锁与优先级判定机制，确保多机构间运行协调，避免干扰与误操作。

3.3 编码器与闭环反馈控制设计

为了实现高精度定位与安全运行，系统在主钩和副钩电机轴端安装增量型光电编码器。编码器采集电机转速与位移信号，反馈至变频器并参与闭环调节，构成完整的闭环速度与位置控制系统。通过此方式，变频器可动态调整输出，实现对电机速度的实时跟踪与误差修正，尤其在微调、缓起停及定位作业中表现出更高稳定性。

3.4 制动控制与安全保护功能

系统制动采用电磁制动器与变频器控制联动方式。当电机停止运行时，PLC 发出制动指令，变频器先降频减速，再驱动制动器动作，实现可靠夹紧。在主钩或副钩静止时，系统启用直流励磁制动功能，有效防止溜钩现象发生。此外，系统设计了完善的安全保护机制，确保运行过程安全可控，满足高风险作业场景下的电气控制要求。

4PLC 控制程序设计

4.1 程序结构与主控流程

控制程序采用主循环+子程序结构，主程序负责系统状态监控与流程调度，子程序分别对应各执行机构的控制逻辑。程序启动后，首先进行系统自检，确认急停、限位及各模块通讯正常后方可进入运行阶段。随后依次调用主钩、副钩、小车、大车模块的控制逻辑，根据操作命令与反馈状态执行相应动作。流程中设置互锁与优先级判定，避免机构冲突。

4.2 各模块控制逻辑

主钩与副钩模块控制逻辑以提升与下降为核心，通过触摸屏指令或按钮触发，PLC 判断当前状态并下达启停及调速命令。大车与小车模块侧重于左右、前后方向的行走控制，系统需根据限位信号、运行方向及当前速度动态判断运行是否允许。各模块均设置启动延时、加减速斜坡、运行中反馈监测等步骤，确保设备运行平稳。

4.3 故障检测与处理逻辑

系统具备多层级故障检测与响应能力，PLC 在主程序中持续监控各类异常信号，包括限位失效、通信中断、过流、过载、变频器故障等。一旦任一异常条件触发，程序将立即执行故障中断流程，切断执行电机输出，激活制动装置，并通过触摸屏显示具体故障类型与时间标识

5 触摸屏人机界面设计

本系统触摸屏界面采用模块化设计，界面布局合理，操作简洁直观。通过与 PLC 的数据交互，用户可实时查看各机构的运行状态、速度参数及故障信息，同时可进行启动、停止、升降、调速等操作。各功能界面之间支持快速切换，主界面汇总整机状态，其余界面分别对应主钩、副钩、大车、小车控制，具备良好的人机交互体验，显著提升系统的可控性与操作便捷性。

6 结束语

本系统通过PLC 与变频器协同控制，构建了完整的桥式起重机电气控制架构。各模块逻辑清晰，运行协调，能有效提升作业效率与安全性。触摸屏与 PLC 交互良好，增强了设备操作的直观性与可控性。整体设计具有良好的工程适应性和推广价值。

参考文献：

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