基于PLC 控制的桥式起重机电气设计分析

范章健

（厦门国际货柜码头有限公司，福建厦门 361000）

0 引言

桥式起重机传统电气控制系统接线复杂，运行中经常出现故障，控制效果较弱，且维护维修困难[1]。本文以ABB-PLC 控制系统为例进行分析，该系统提供AC 800M 控制器硬件配置信息，将其应用到桥式起重机控制中，具有控制线路简单、控制系统安全智能等特点，可以有效提高生产效率，促进相关产业的稳定发展。

1 关于桥式起重机

桥式起重机由电动机驱动车沿轨道纵向前后运动，另一车及提升机构由电动机驱动，沿桥架轨道控制设备左右运动[2]。若升降重物，则由起重电机驱动垂直运动，实现重物多角度、多方面运动。而PLC 桥式起重机的电气系统由配电保护板块、主副起升机板块、PLC 控制模块等构成，各个模块由PLC 控制器、变频器、纠偏设置、安全保护构成。ABB 品牌的PLC 控制器由AC 800M 控制器、机柜、CB（Control Builder）编程工具、I/O 中心、CEX-bus 通信线、CPU、DIN 轨道等内容构成。

2 PLC 桥式起重机电气控制系统理论设计

PLC 为编程逻辑控制器，将可编程数字储存设备、电子集成技术、逻辑控制技术结合起来，灵活控制设备运作。PLC 技术可以实现系统计数、定时、步进、数据处理、通信联网等多功能操作。

2.1 变频器设计

桥式起重机设计选择AC 800M 控制器，而其变频器优势突出：

（1）软件性能好，控制程序对变量负载的速度、转矩、电气制动控制效果突出。

（2）安全性能突出，保护功能齐全，过流、过载、过压都有报警和保护功能。

（3）具有限流功能，系统启动对电网影响小，不会影响电网其他设备稳定运行。

（4）具有零速转矩功能，吊钩从运行到降为零速，系统先产生一定转矩，指导电磁制动器抱住电动机轴，避免溜钩[3]。

2.2 PLC 程序设计

按照输入、输出信号数量、参数及性能需求，PLC 选择ABB系列，以块式编辑，突出优势主要有两个。

（1）该程序有6 个30 kHz 计数器，可以实现“高速转换”，两路独立的20 kHz 高速脉冲输出，支持二进制码转换为起升高度，也可以细微调整起升高度参数，确保起重机稳定运行。

（2）程序含两个RS-485 通信编程口，变频器开关量控制功能突出，变频器起停、速度等开关量可实现个性化控制。设计PLC 程序有PPI、MPI 通信协议桥式起重机小车及起升变频器起停、速度给定的控制质量较强。

2.3 备用应急系统

一般桥式起重机PLC 及变频器控制都有备用系统，正常运行为总线通信模式，支持起重机正常运作。而另一套则为开关量控制方式，用于处理应急问题和突发问题。若遇到总线紧急情况，PLC 及时切换应计系统，以开关量控制系统，并将紧急情况反馈给操作热源，显示故障信号[4]。此外，两种操作系统其操作速度相同，在操作方面分析，两系统切换无异样操作，仍可保证系统运行稳定。

2.4 自动纠偏及电气同步设计

以双钩式桥式起重机为例，设备启动后，系统自动进行纠偏查验，确保双钩作业位置保持同步。若偏斜量超出系统设置极限，纠偏系统进行自动纠偏处理。PLC 系统不是动态纠偏，其利用系统中的两个阈值，一个可启动双钩自动纠偏，一个可结束自动纠偏。电气同步则是在交流传动过程中，以具有均衡电机的电轴系统支持其同步。

2.5 系统安全设计

（1）超载保护：若重量达到可承受总重95%，则系统报警；重量超出总重105%，则系统输出停止信号，控制起升机下降。

（2）限位保护：对主副起升限位，起升机构左右、上下限位，若达到限位值，则自动切断该方向电源[5]。

（3）急停保护：设置有急停开关，紧急时期可按下，立刻切断总电源。

（4）热继电器保护：通过电机的电流超出额定电流，会导致电机过热，严重时会导致电机瘫痪。所以设置有热继电器保护，若电机温度过高，则继电器运行，断开主回路，保护电机。

3 基于PLC 控制的桥式起重机电气设计实践

3.1 设计方案

完整的PLC 控制桥式起重机电气系统有6 个模块，分别由主升起机构、副升起机构、大小车运行模块、PLC 控制机构构成。系统通过联动台控制器，输出信号给继电器、指示器、报警器、显示屏（图1）。

3.2 控制系统安全保护

控制系统的安全保护包含安全门开关、超载保护、断相保护、限位保护、急停开关、零位保护等，上文已做详细叙述，在此不作赘述。

3.3 输入输出信号合计

按照桥式起重机使用安全及控制档位要求，需以下信号：主副钩起升、下降、2、3、4 挡，小车大车前后左右4 个方向变换及2、3、4 挡；而对应的起升限位、大小车等，也是需要输入输出的重要信号之一。经确定后，发现共有48 个反馈信号，且和之前对应的为31 个信号，较为重要的信号为照明、急停、复位等。

3.4 PLC 内部逻辑运算及梯形图绘制

3.4.1 PLC 扫描执行原理

在采用PLC 进行扫描执行的过程中，PLC 先对系统的输出量进行采集，之后按照规定的程序进行执行，执行之后对输出量进行控制，最终控制程序按照要求内定运行。如图2 所示，扫描从第一指令开始，无间断地按照程序运行，之后再从头扫描。

图1 系统示意

图2 PLC 扫描原理

3.4.2 梯形图绘制分析

梯形图主要由安全保护、功能选择、控制设备、故障输出4个关键部分构成，在具体设计中，需确保设备可安全运行，以此实现各个位置的逻辑互锁，保障设备运行安全且稳定。在确保安全且准确基础上，让梯形图更加简单，便于完善。

3.5 硬件选型及设计

3.5.1 PLC 选型

选型上选择I/O 信号，控制好输入输出的各个信号，控制好信号的性质、参数等内容，保证输出的信号是想要的信号。PLC还通过SIMENS S7200CN 支持，其核心的CPU 可输出24 或16的数字量，对其扩展之后可以达到248 路字量，整体性能突出。采取此字节执行系统操作，对应数据储存空间，含6 个独立运行的30 kHz 计数器，两个独立20 kHz 脉冲输出。PLC 还有两个RS-485 通信编程口，具有多种协议功能，可实现数据传送、比较、四则运算。系统中CMP（Chip Multi Processors，单芯片多处理器）指令可对数据比对分析，MOV 指令对数据传输，SEGL 指令检查指令是否有故障参数，若有则显示给数码管。SRMR 指令可产生闪烁控制信号，以此输出声光报警信号。系统的CPU、扩展模块其高深度各不相同，而不同的模块则采取扁平通信线方式连接。将各个模块以上述方式拼接在一起，形成统一长方体，可很好地应用到机电一体化系统。

3.5.2 故障显示的选型设计

配置大型的桥式起重机，需要设置好设备监控系统，监控系统随时监控起重机运作状态，在操作人员操作起重机时，可确保人员了解桥式起重机自身状态，检查各个机构的限位情况，分析主要部分的工作状态等。若桥式起重机出现系统安全隐患，则可以通过这个监控系统及时发现隐患，并作出正确处理。本文设计的桥式起重机PLC 系统选择TP170A 作为文本显示器，直接显示系统状态。

TP170A 显示器的人机交互界面为先进的触摸式交互界面，工作人员通过手指触屏即可实现不同功能操作。TP170A 显示器可以和PLC 或一些带通信口的控制器相互配合，通过文本、图形的方式，直观反映出系统状态，监控烯烃运行。同时，TP170A可以对PLC 内部的寄存器、继电器数值等进行修改，便于操作人员灵活控制起重机，实现很好的控制效果。具体的应用中，应采取WinCCflexible 软件，实现系统操作，通过计算机支持，可提高系统控制能力。在WinCC flexible 软件支持下，可以在计算机上自由操作画面，对有需求的画面，可在计算机上下载下来。此外，应用此系统，若运行出现各种故障信息，则可以将故障信息展示在计算机上。计算机显示器显示的内容，可以是图形、位图、图表、背景图画等，不同的内容可满足用户各方面的使用需求，用户权限也大大增加。接口上分为RS-232、RS-422、RS-485 三个，用户可根据自身需要灵活选择端口。

4 控制效果分析

应用PLC 系统对桥式起重机控制，发现其控制效果突出。采用PLC 系统，其可实现桥式起重机平滑调速且效率较高，与原串阻调试方式相比，采用PLC 系统控制桥式起重机运作，起重机起动较为平稳，且可以准确定位。系统通过控制页面、手柄等相互协调，控制信号输出，可调整电机的实际转速，整体操作较为方便，共有4 挡位可调整，调速的范围较宽，且可针对工程生产要求选择合适的运行速度，控制大小车启动、制动、加速、减速等操作。除此之外，采用PLC 系统控制桥式起重机，其节能效果突出，节能率比传统电阻调速控制高节省35%电力且控制回路较为简单，通过PLC 可实现系统软启、软停，系统对桥式起重机齿轮、电机等都无冲击，不易发生故障。后期对PLC 系统维护，维护工作较为简单，仅需专业人员对PLC 系统分析测试即可，维护费用大大降低，电机启动及停止的冲击电流问题也得到有效解决，加之PLC系统可对电机落实保护功能，使得桥式起重机的行车安全性、效率大大提高，进而提高桥式起重机使用寿命。

5 结束语

综上所述，针对桥式起重机的作业需求及相关机构参数，提出以PLC 技术对其控制系统设计，并对其硬件系统等进行设计分析。由PLC 系统技术支持的桥式起重机，其系统安全性突出，且操作简便，可大大提高桥式起重机的控制性能，提高起重机工作效率。本文在现有技术基础上，提出以PLC 控制代替传统继电器、电阻调速等，对电气控制系统及电路保护进行安全设计，将桥式起重机的控制效率简化分析。采用PLC 技术，还可以及时检测出系统存在的不良现象，提前发现安全隐患并报警，有利于及时排除故障，降低故障后果，提高起重机的实际工作效率，所以PLC 技术在当前及未来的市场中应用前景广阔。