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2 系统硬件设计
由于本设计采用一台S7-200型PLC控制四台变频器操作5台电动机的运行，因此，四台变频器所需的输入口线均接在这台PLC上，再由四台变频器分别控制相应的电动机。下图（图2）画出了桥式起重机的PLC控制原理图。为简便起见，图中并未画出全部的I/O口线。
图2 桥式起重机的PLC控制原理图
2.1 PLC实现的主令控制器①
继电接触器为基础的桥式起重机电路，往往以凸轮控制器②实现大车、小车、副钩的操作，以主令控制器加继电器屏实现主钩的操作。但凸轮控制器操作中同时切换的触点毕竟太多，且切换的又多是电动机主电路的触点，为了切换大容量电流，触点都制造得厚重，这就为操作带来了阻力和很大的劳动强度。另一方面，凸轮控制器中有形的触点在频繁的切除中很容易出故障，给维修带来了不便。本设计中设法使用PLC实现起重机中各电动机主辅电路的逻辑连接关系，将有形的触点化为PLC内部无形的逻辑关系。表1给出了一个经精简后的主令控制器的开合表，并为各挡位接通的触点安排了PLC的输入口。为满足大电流切换的需要，
又名主令开关，主要用于电气传动装置中，按一定的顺序分合触头，达到发布命令或其他控制线路联锁、转换的目的，包含凸轮控制器。 ②
亦称接触式控制器，是一种大型的控制电器，多档位、多触点，利用手动操作，转动凸轮去接通和分断通过大电流的触头转换开关。与主令控制器的区别在于其不需要加继电接触器就可以分断大电流。
①
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PLC的输出必须连接接触器及继电器。
表1 三档主令开关开合表 输入端口 I0.5 I0.6 I0.2 注 x--接通
向前 x 零位 x 向后 x 本设计使用图3所示的一个三档位主令控制器及两只升降速按钮作为操作器件，使用PLC及接触器模拟凸轮控制器工作。三档位的主令控制器的开合表如表1所示。该主令控制器可以实现电动机正向运行选择及反向运行选择间的机械互锁，汽车档位式的设计符合起重机操作人员的操作习惯，使用两只按钮进行升降速也更加方便，其实现的控制要求主要有： ⑴ 在按动接于I1.1及I1.0的按钮时，使加减速档位存储器VB100中存储的数字在1～5间依顺序变化，以控制输入电动机的电源频率大小。实现方法是加1及减1指令，在VB100中数值小于5时可加操作，大于0时可减操作。
⑵ 电动机的方向控制由主令控制器实现，手柄置向前位时，I0.5接通，正转接触器工作，驱动变频器带动电动机正转；手柄置向后位时，I0.6接通，反转接触器工作，带动电动机反转。由正转到反转，或由反转到正转都必须经过零位，手柄位于零位表示已关断正在运行的接触器，准备接通下一个接触器，同时零位亦将VB100清零，变频器将处于速度档位为0的位置。
图3 三档主令控制器及变速按钮示意图
2.2 限位器及安保电路
桥式起重机作为工矿、机械中重要的起吊设备，对安全性与可靠性的要求较高。起重机设有紧急开关，可以在出现事故时紧急停止，横梁（大车，下同）设有栏杆安全开关，操作舱设有舱口安全开关，横梁、小车、主副钩均设有安全限位开关和电磁抱闸系统，电路设有过电流继电器。这些保护可以保证起重机的安全运行，现分别叙述这些保护模块的功能。另外变频器中包含短路、过压、缺相、失压、过流、超速、接地等各种保护功能和故障自诊断及显示报警功能，可在电动机出现这些故障时起保护作用，在此不再赘述。
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2.2.1 限位器
桥式起重机限位器包含横梁前后向限位开关、小车左右向限位开关、主钩限位开关及副钩限位开关。本系统的限位开关使用直动式行程开关，它的动作原理是靠移动物体碰撞其可动部件使常开触头接通、常闭触头分断，实现对电路的控制。移动物体一旦离开，行程开关复位，其触点恢复为原始状态。
各开关按照电动机容量并留有一定余量选定，推荐选用LX31或 JLXK1系列开关。
2.2.2 安保开关
安保开关包括横梁栏杆安全开关、操作舱安全开关、紧急开关、各电动机过电流保护开关等。将这些开关接在PLC输入口上，构成起重机的安全保护电路。 2.2.3 电磁抱闸
起重机是一种间歇动作的机械，要经常地启动或制动。为保证起重机安全准确的吊物，无论起升机构中或者运行机构、旋转机构中都应该设有制动装置。本设计采用机械抱闸装置YA，将该装置并联在三相交流电源A、C两相上。当按下启动按钮后，YA得电打开，按下停止按钮时，YA抱紧，起制动作用，YA与电动机同步。
2.3 可编程控制器
PLC是本系统的控制核心，负责接收主令控制器、限位器、开关等输入器件和变频器等输出器件的开通与关断。 2.3.1 可编程控制器特点
2.3.1.1 高可靠性、抗干扰能力强
⑴所有的I/O接口电路均采用光电隔离，使工业现场的外电路与PLC内部电路之间电气上隔离。
⑵各输入端均采用R-C滤波器，其滤波时间常数一般为10~20ms. ⑶各模块均采用屏蔽措施，以防止辐射干扰。 ⑷采用性能优良的开关电源。 ⑸对采用的器件进行严格的筛选。
⑹良好的自诊断功能，一旦电源或其他软、硬件发生异常情况，CPU立即采用有效措施，以防止故障扩大。
⑺大型PLC还可以采用由双CPU构成冗余系统或有三CPU构成表决系统,使可靠性更进一步提高。
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2.3.1.2 丰富的I/O接口模块
PLC针对不同的工业现场信号，如：交流或直流，开关量或模拟量，电压或电流，脉冲或电位， 强电或弱电等，有相应的I/O模块与工业现场的器件或设备，如：按钮、行程开关、接近开关、传感器及变送器、电磁线圈、控制阀等直接连接。
另外为了提高操作性能，它还有多种人-机对话的接口模块，为了组成工业局部网络，它还有多种通讯联网的接口模块等。 2.3.1.3 采用模块化结构
为了适应各种工业控制需要，除了单元式的小型PLC以外，绝大多数PLC均采用模块化结构。PLC的各个部件，包括CPU、电源、I/O等均采用模块化设计，由机架及电缆将各模块连接起来，系统的规模和功能可根据用户的需要自行组合。
2.3.1.4 编程简单易学
PLC的编程大多采用类似于继电器控制线路的梯形图形式，对使用者来说，不需要具备计算机的专门知识，因此很容易被一般工程技术人员所理解和掌握。 2.3.1.5 安装简单，维修方便
PLC不需要专门的机房，可以在各种工业环境下直接运行。使用时只需将现场的各种设备与PLC相应的I/O端相连接，即可投入运行。各种模块上均有运行和故障指示装置，便于用户了解运行情况和查找故障。由于采用模块化结构，因此一旦某模块发生故障，用户可以通过更换模块的方法，使系统迅速恢复运行。 2.3.2 可编程控制器选型
在控制上，要求PLC可靠工作，基本实现无触点控制，方便整个系统升级，且更加节能。目前，国内外有多家公司生产了一系列的PLC，它们都具有各自的特点。例如三菱公司生产的PLC环境适应能力较强，往往用于重工业领域等环境复杂的地方，典型应用为机床；欧姆龙公司生产的PLC功能强大，系列齐全，但是环境适用能力不如其他的PLC，通常用于电子行业；而西门子公司的PLC编程简单，很容易实现结构化编程，通信能力强，较适用于初学者适用。
综合各种PLC的性能、价格以及易用性，本设计选用西门子的S7-200系列PLC。该系列的PLC属于小型可编程控制器，有很强的通信功能，在大型网络控制系统中能充分发挥作用，方便日后整个起重机系统升级。
S7-200系列PLC提供5种不同的基本单元（CPU），其中，CPU221型PLC不提供扩展功能，其数字量I/O为6入/4出，无法满足系统设计要求。考虑到桥式起重机的I/O口较多，选择CPU224或CPU226外加EM223模块的PLC均可满足
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本系统的设计要求。本设计选用CPU型号为CPU224的PLC，外加三个EM223（8入/8出）数字量扩展模块，这样I/O数量扩展就为38入/34出，满足系统要求。日后若要对系统进行升级，只需增加数字量扩展模块即可。桥式起重机PLC控制原理图如图2所示。
其主要功能如下：
1）变频器运行、停止控制；
2）控制制动器，保证电动机停止时能够及时制动，既不提前，也不延后； 3）升降变频器控制方式切换； 4）电气闭锁保护控制；
5）升降、开闭变频器中任意一台变频器报警故障时，两台变频器均能够立即停止输出，并同时制动；
6）任何时刻断电，系统将会立即停止运行，制动器制动。 2.3.3 I/O端口分配
表2 I/O端口分配表 I/0点 I0.0 I0.1 I0.2 I0.3 I0.4 I0.5 I0.6 I0.7 I1.0 I1.1 I1.2 I1.3 I1.4 I1.5 I1.6 用途 主回路启动 主回路停止 主令控制器零位 前限位 后限位 主令控制器向前 主令控制器向后 主回路过电流保护 主令控制器加速 主令控制器减速 急停 复位 大车启动按钮 大车停止按钮 大车故障保护 I/0点 I1.7 I2.0 I2.1 I2.2 I2.3 I2.4 I2.5 I2.6 I2.7 I3.0 Q0.0 Q0.1 Q0.2 Q0.3 Q0.4 用途 小车启动按钮 小车停止按钮 小车故障保护 主钩过电流保护 主钩启动按钮 主钩停止按钮 主钩故障保护 副钩启动按钮 副钩停止按钮 副钩故障保护 主电源输出 急停输出 复位输出 大车电源 大车正转 I/0点 Q0.5 Q0.6 Q0.7 Q1.0 Q1.1 Q1.2 Q1.3 Q1.4 Q1.5 Q1.6 Q1.7 Q2.0 Q2.1 Q2.2 Q2.3 用途 大车反转 大车变频器X1 大车变频器X2 大车变频器X3 小车电源 小车正转 小车反转 小车变频器X1 小车变频器X2 小车变频器X3 主钩过电流保护 主钩电源 主钩正转 主钩反转 主钩变频器X1 I/0点 Q2.4 Q2.5 Q2.6 Q2.7 Q3.0 Q3.1 Q3.2 Q3.3 M11.2 M11.3 M10.4 M10.5 M10.6 用途 主钩变频器X2 主钩变频器X3 副钩电源 副钩正转 副钩反转 副钩变频器X1 副钩变频器X2 副钩变频器X3 电机正接 电机反接 变频器X1 变频器X2 变频器X3 本系统的输入口包括主回路启停、主令控制器各位置、各电动机限位、各电动机启停、各电动机故障输入、过电流保护、急停、复位等；输出口包括主电路电源、急停输出、复位输出、各电动机电源、各电动机正反转、各电动机变频器输出、过电流保护输出等。
其中主回路启停输入由按钮开关接入PLC，用以控制总电路的通断，当按下停止按钮时，整个系统将完全停止，PLC中保存的档位信息清零，各电动机继电接触器断开，电磁抱闸机构开通，各电动机抱闸，保证现场工作人员的安全。主令控制器各位置接入PLC的输入端口，操作人员可通过控制屏控制电动机的正反转，加减速等操作。各电动机限位开关保证电动机在规定的位置内移动，过电流保护输入是防止由于过电流造成的电动机过载。各电动机启停与故障输入接在
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毕业设计--基于PLC的桥式起重机的设计
