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摘要：桥式起重机广泛应用于工业生产和设备检修中，所以起重机运行正常与否将影响生产的顺利进行和设备人身的安全。文章主要阐述了变频器驱动技术及PLC控制系统在桥式起重机上的应用，浅析了桥式起重机的一种全新控制模式。
关键词：桥式起重机；电工新技术；变频器；Profibus-DP总线；PLC（可编程控制器） 文献标识码：A
中图分类号：TH215 文章编号：1009-2374（2015）18-0048-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.18.025
1 现有起重机的现状
桥式起重机应用广泛，在工业生产和设备检修中起到重要作用，所以起重机运行正常与否将影响生产的顺利进行和设备人身的安全。传统的桥式起重机是采用绕线式交流异步电机拖动，利用转子串电阻的方式进行调速，采用凸轮控制器-继电器-接触器进行系统控制，这种控制系统具有以下特点：（1）继电接触器控制系统在频繁工作时故障率高，特别是在环境条件较差的情况下，设备维护成本较高；（2）转子串电阻调速属于能耗性调速，大量的转差功率消耗在转子电阻上，浪费能源，与现行环保节能要求相悖；（3）机械特性软，调速范围小，调速平滑性差，起制动不平稳，对机械冲击较大，影响设备寿命，系统保护功能不够完善，容易导致故障扩大。
针对这种情况，必须改进调速方式和控制设备，完善各项保护功能，提高设备运行可靠性，才能确保核心设备的稳定运行。随着电力电子技术的发展，PLC（可编程控制器）及变频调速技术普遍应用于电力拖动领域，在起制动频繁的桥式起重机上可以充分发挥高效节能、故障率低、可靠性高的特点。
2 系统构成
变频器调速桥式起重机电气控制部分由核心部件变频器、PLC及相关控制元件和保护元件组成。在本系统中，变频器采用了Siemens公司的6SE70系列通用矢量变频器，该系列变频器集成度高、通用性强，具有矢量控制、恒磁通控制及恒功率通风机控制等多种控制模式，在有编码器等反馈器件的闭环控制模式下，可以在0.2～400Hz之间实现无级平滑调速，特别是采用矢量控制模式后，变频器控制性能及精度得到完美发挥，完全可以和直流调速传动系统媲美。系统控制PLC采用了Siemens公司的S7-300CPU，处理器为CPU315-2DP，它具有强大的处理能力，并集成了2个Profibus-DP现场总线接口装置，可通过总线接口直接连接外部设备。操作台发出的控制指令，由司机室的ET200远程机架通过通讯网络将信号送入CPU，其他相关联锁信号和保护信号则直接送到PLC主机架，PLC采用Profibus-DP网络与变频器通讯，将控制信号通过网络送给变频器，变频器的工作状态也通过Profibus-DP网络传输到PLC，形成一个控制上的闭环系统。为了提高系统控制精度，在起升机构中使用了速度编码器构成速度闭环控制，PLC在检测各种联锁信号及变频器工作状态后，向变频器发送相应控制指令，因此系统的保护功能及相关安全联锁在相同硬件条件下，比继电系统更加完善。
3 变频器参数设置及调试
在变频器调试过程中，利用Siemens驱动设备配套编程工具DriveMonitor进行参数的设置，可以在Windows操作界面下对变频器的相应参数进行直观快捷的设置。
3.1 恢复工厂设置值
恢复工厂设置值的方法此处不再详述。
3.2 快速参数设置
在恢复变频器参数到出厂设置值后，即可利用快速参数化进行变频器控制参数的快速设置。在DriveMonitor中选择相应参数菜单，所有相关参数全部显示在主窗口中。
在选择快速参数设置方式后，如果用DriveMonitor进行参数设置，则所有参数显示在相应窗口中，直接进行设置即可；如果无相应软件而直接利用变频器简易操作面板进行参数设置，则相关参数会随着参数下移自动显示出来，根据需要正确设置对应参数后，设置P370=1完成参数设置，变频器进行其他相关参数的自动计算。
3.3 特殊参数调整
对于控制系统中使用到的一些特殊控制要求，还需对个别参数进行设置。例如在本系统中使用到的机械制动功能就需要激活制动功能控制块和设置相应参数，其中开闸力矩和抱闸速度必须根据现场使用情况进行合理设置，以确保机械制动器动作时序正确可靠。并将开闸指令通过通讯网络返回到PLC中对制动接触器进行控制。抱闸控制输出信号为B275，相应信号必须通过在通讯返回参数中设置后才能返回到PLC对机械抱闸进行
控制。
4 控制软件设计
本系统采用Siemens配套编程工具STEP7完成硬件组态、参数设置、PLC程序编制、调试和文档处理。
4.1 网络硬件组态
由于整个系统采用Profibus-DP网络通讯，在STEP7中必须进行相应硬件组态。在系统中，首先要对每个PLC本身进行硬件组态，如S7-300的机架、CPU模块、电源模块、输入输出模块及ET200远程站等，同时还要对各机构变频器的网络参数进行组态。
4.2 PLC控制程序設计
系统控制程序由组织块（OB）、功能（FC）、功能块（FB块）及相应背景数据块（DB）组成。在本控制系统程序编制过程中，利用模块化程序设计方法，由于各个机构的控制接口及功能十分相似，只是具体参数不同，因此将高级语言中的面向对象程序设计方法应用到了本控制系统程序的设计中，实现了代码重用，简化了控制程序的设计、调试和维护。
PLC与变频器之间的通讯通过直接调用系统功能块SFC14和SFC15实现，只需简单设置系统功能块的参数即可完成，使系统通讯程序简单可靠。各种操作联锁信号通过PLC在综合信号屏上进行显示，对操作维护人员具有很强的操作指导作用。 5 性能特点
采用先进的现代交流变频调速和可编程控制技术，对传统的桥式起重机的拖动系统进行技术改造，使桥式起重机能实现平稳操作，提高运行效率，改善超负荷作业，消除启制动冲击，降低电气故障，降低电能消耗，提高功率因数。同时该系统还具有过电流、过电压、欠电压、接地和输入缺相以及变频器超温、超载、超速、制动单元过热、电动机过热等保护。
新系统具有如下显著特点：（1）PLC的应用可以有效解决电气系统联锁和接线复杂的问题，由于采用网络通讯控制方式，极大简化了控制回路，减少了施工难度；（2）启动和停车时降低了机械传动冲击，可明显改善钢结构的承载性能，延长了起重机的使用寿命；（3）制动器通过变频器根据电机转矩及转速进行控制，只有当电机转矩达到设定值时才打开制动器，即实现有力矩开闸，在起升机构中不会出现重物下滑，确保系统安全可靠，而关闭制动器是通过变频器检测电机转速，当电机转速低到设定值后发出关闭制动器指令，即实现低速抱闸，减少对机械的冲击；（4）有超载限制器，过电流过转矩等各种完善的保护功能，可以最大限度地避免重大设备事故发生；（5）系统所用变频器，能较大提高系统的功率因数和整机工作效率，节能效果显著，平均节电率可达20%以上；通过PLC将所有信号综合检查比较，并在综合信号显示屏上显示，方便技术人员和操作人员的维护与现场监控，并缩短维修时间，提高了设备的可开动率；PLC可以通过自身通讯接口或扩展通讯模块与上级监控网络进行通讯，方便实现集中网络控制和监控。
6 变频器-PLC控制系统的要求及探讨
第一，变频器-PLC控制系统要求环境温度控制在0℃～40℃；相对湿度5%～95%；环境温度不能保证时，电气室需安装空调。
第二，对金属粉尘要求较高，所以电气室密封要好，平时维护保养过程中要注意除尘。
第三，电网电压波动要求控制在±10%以内，确保变频器可靠工作。
第四，由于采用通讯方式进行系统控制，当通讯部分出现故障时，可能造成系统失控现象，所以最好通过硬接线加入变频器紧急停车信号，以确保在出现故障的情况下发出停车指令。
参考文献
[1] 姜泓，赵洪恕.电力拖动交流调速系统[M].武汉：华中理工大学出版社，1996.
[2] 许谬.工厂电气控制设备[M].北京：机械工业出版社，1999.
[3] 沈玉梅.变频调速在桥式起重机拖动系统中的应用
[J].煤炭技術，2012，（3）.
[4] 王国强.基于PLC桥式起重机变频调速控制系统[J].仪器仪表用户，2010，（6）.
[5] 李伟.起重机工业触摸屏监控变频无级调速系统[J].电工技术，2003，（10）.
（责任编辑：秦逊玉）
关键词：桥式起重机；电工新技术；变频器；Profibus-DP总线；PLC（可编程控制器） 文献标识码：A
中图分类号：TH215 文章编号：1009-2374（2015）18-0048-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.18.025
1 现有起重机的现状
桥式起重机应用广泛，在工业生产和设备检修中起到重要作用，所以起重机运行正常与否将影响生产的顺利进行和设备人身的安全。传统的桥式起重机是采用绕线式交流异步电机拖动，利用转子串电阻的方式进行调速，采用凸轮控制器-继电器-接触器进行系统控制，这种控制系统具有以下特点：（1）继电接触器控制系统在频繁工作时故障率高，特别是在环境条件较差的情况下，设备维护成本较高；（2）转子串电阻调速属于能耗性调速，大量的转差功率消耗在转子电阻上，浪费能源，与现行环保节能要求相悖；（3）机械特性软，调速范围小，调速平滑性差，起制动不平稳，对机械冲击较大，影响设备寿命，系统保护功能不够完善，容易导致故障扩大。
针对这种情况，必须改进调速方式和控制设备，完善各项保护功能，提高设备运行可靠性，才能确保核心设备的稳定运行。随着电力电子技术的发展，PLC（可编程控制器）及变频调速技术普遍应用于电力拖动领域，在起制动频繁的桥式起重机上可以充分发挥高效节能、故障率低、可靠性高的特点。
2 系统构成
变频器调速桥式起重机电气控制部分由核心部件变频器、PLC及相关控制元件和保护元件组成。在本系统中，变频器采用了Siemens公司的6SE70系列通用矢量变频器，该系列变频器集成度高、通用性强，具有矢量控制、恒磁通控制及恒功率通风机控制等多种控制模式，在有编码器等反馈器件的闭环控制模式下，可以在0.2～400Hz之间实现无级平滑调速，特别是采用矢量控制模式后，变频器控制性能及精度得到完美发挥，完全可以和直流调速传动系统媲美。系统控制PLC采用了Siemens公司的S7-300CPU，处理器为CPU315-2DP，它具有强大的处理能力，并集成了2个Profibus-DP现场总线接口装置，可通过总线接口直接连接外部设备。操作台发出的控制指令，由司机室的ET200远程机架通过通讯网络将信号送入CPU，其他相关联锁信号和保护信号则直接送到PLC主机架，PLC采用Profibus-DP网络与变频器通讯，将控制信号通过网络送给变频器，变频器的工作状态也通过Profibus-DP网络传输到PLC，形成一个控制上的闭环系统。为了提高系统控制精度，在起升机构中使用了速度编码器构成速度闭环控制，PLC在检测各种联锁信号及变频器工作状态后，向变频器发送相应控制指令，因此系统的保护功能及相关安全联锁在相同硬件条件下，比继电系统更加完善。
3 变频器参数设置及调试
在变频器调试过程中，利用Siemens驱动设备配套编程工具DriveMonitor进行参数的设置，可以在Windows操作界面下对变频器的相应参数进行直观快捷的设置。
3.1 恢复工厂设置值
恢复工厂设置值的方法此处不再详述。
3.2 快速参数设置
在恢复变频器参数到出厂设置值后，即可利用快速参数化进行变频器控制参数的快速设置。在DriveMonitor中选择相应参数菜单，所有相关参数全部显示在主窗口中。
在选择快速参数设置方式后，如果用DriveMonitor进行参数设置，则所有参数显示在相应窗口中，直接进行设置即可；如果无相应软件而直接利用变频器简易操作面板进行参数设置，则相关参数会随着参数下移自动显示出来，根据需要正确设置对应参数后，设置P370=1完成参数设置，变频器进行其他相关参数的自动计算。
3.3 特殊参数调整
对于控制系统中使用到的一些特殊控制要求，还需对个别参数进行设置。例如在本系统中使用到的机械制动功能就需要激活制动功能控制块和设置相应参数，其中开闸力矩和抱闸速度必须根据现场使用情况进行合理设置，以确保机械制动器动作时序正确可靠。并将开闸指令通过通讯网络返回到PLC中对制动接触器进行控制。抱闸控制输出信号为B275，相应信号必须通过在通讯返回参数中设置后才能返回到PLC对机械抱闸进行
控制。
4 控制软件设计
本系统采用Siemens配套编程工具STEP7完成硬件组态、参数设置、PLC程序编制、调试和文档处理。
4.1 网络硬件组态
由于整个系统采用Profibus-DP网络通讯，在STEP7中必须进行相应硬件组态。在系统中，首先要对每个PLC本身进行硬件组态，如S7-300的机架、CPU模块、电源模块、输入输出模块及ET200远程站等，同时还要对各机构变频器的网络参数进行组态。
4.2 PLC控制程序設计
系统控制程序由组织块（OB）、功能（FC）、功能块（FB块）及相应背景数据块（DB）组成。在本控制系统程序编制过程中，利用模块化程序设计方法，由于各个机构的控制接口及功能十分相似，只是具体参数不同，因此将高级语言中的面向对象程序设计方法应用到了本控制系统程序的设计中，实现了代码重用，简化了控制程序的设计、调试和维护。
PLC与变频器之间的通讯通过直接调用系统功能块SFC14和SFC15实现，只需简单设置系统功能块的参数即可完成，使系统通讯程序简单可靠。各种操作联锁信号通过PLC在综合信号屏上进行显示，对操作维护人员具有很强的操作指导作用。 5 性能特点
采用先进的现代交流变频调速和可编程控制技术，对传统的桥式起重机的拖动系统进行技术改造，使桥式起重机能实现平稳操作，提高运行效率，改善超负荷作业，消除启制动冲击，降低电气故障，降低电能消耗，提高功率因数。同时该系统还具有过电流、过电压、欠电压、接地和输入缺相以及变频器超温、超载、超速、制动单元过热、电动机过热等保护。
新系统具有如下显著特点：（1）PLC的应用可以有效解决电气系统联锁和接线复杂的问题，由于采用网络通讯控制方式，极大简化了控制回路，减少了施工难度；（2）启动和停车时降低了机械传动冲击，可明显改善钢结构的承载性能，延长了起重机的使用寿命；（3）制动器通过变频器根据电机转矩及转速进行控制，只有当电机转矩达到设定值时才打开制动器，即实现有力矩开闸，在起升机构中不会出现重物下滑，确保系统安全可靠，而关闭制动器是通过变频器检测电机转速，当电机转速低到设定值后发出关闭制动器指令，即实现低速抱闸，减少对机械的冲击；（4）有超载限制器，过电流过转矩等各种完善的保护功能，可以最大限度地避免重大设备事故发生；（5）系统所用变频器，能较大提高系统的功率因数和整机工作效率，节能效果显著，平均节电率可达20%以上；通过PLC将所有信号综合检查比较，并在综合信号显示屏上显示，方便技术人员和操作人员的维护与现场监控，并缩短维修时间，提高了设备的可开动率；PLC可以通过自身通讯接口或扩展通讯模块与上级监控网络进行通讯，方便实现集中网络控制和监控。
6 变频器-PLC控制系统的要求及探讨
第一，变频器-PLC控制系统要求环境温度控制在0℃～40℃；相对湿度5%～95%；环境温度不能保证时，电气室需安装空调。
第二，对金属粉尘要求较高，所以电气室密封要好，平时维护保养过程中要注意除尘。
第三，电网电压波动要求控制在±10%以内，确保变频器可靠工作。
第四，由于采用通讯方式进行系统控制，当通讯部分出现故障时，可能造成系统失控现象，所以最好通过硬接线加入变频器紧急停车信号，以确保在出现故障的情况下发出停车指令。
参考文献
[1] 姜泓，赵洪恕.电力拖动交流调速系统[M].武汉：华中理工大学出版社，1996.
[2] 许谬.工厂电气控制设备[M].北京：机械工业出版社，1999.
[3] 沈玉梅.变频调速在桥式起重机拖动系统中的应用
[J].煤炭技術，2012，（3）.
[4] 王国强.基于PLC桥式起重机变频调速控制系统[J].仪器仪表用户，2010，（6）.
[5] 李伟.起重机工业触摸屏监控变频无级调速系统[J].电工技术，2003，（10）.
（责任编辑：秦逊玉）