桥式起重机在各行业有着广泛的应用，其作用主要是用来实现物体的升降和转运，其能否正常工作，直接影响到企业生产效率的提高。传统的起重机驱动，一般使用线绕式异步电动机及鼠笼式异步电动机，采用改变极对数、转子串电阻等方法，具有起动冲击电流大、设备冲击严重、噪声大等缺点，严重影响设备使用寿命及定位精度等。

　　桥式起重机基本结构，主要由起重小车、桥架金属结构、桥架运行机构以及电气控制设备4个部分组成。机构主要有主起升机构、副起升机构、小车运行机构、大车运行机构。

　　随着现代控制技术的发展，变频调速技术以其优越的起制动控制特性，在各种行业得到了广泛应用。在起重机控制系统中，起升机构采用变频器驱动，可使用鼠笼式异步电动机取代以往使用的绕线式异步电动机。同时，变频器驱动控制的电机，起动冲击电流小，转速变化平稳，起升、行走定位准确，能够有效地提高生产效率。

1 系统控制要求及设计

　　桥式起重机运行机构，分为主起升设备、副起升设备、大车、小车运行机构4个部分。起重机大车运动方向有前后、小车运动方向有左右要求，根据运动速度要求又分为1～4挡，加减速时间为3～6S；通常小车行走机构采用1台电动机，而大车行走机构需采用2～4台电动机，大、小车本身的惯性也较大，为防止电动机被倒拖动处于发电状态时产生过电压，因此大、小车控制部分均配备制动控制单元及制动电阻来释放能量。在设计中，电气控制系统引人PLC控制技术，四大运行机构调速均采用变频调速，变频器通过开关量端子接受PLC控制信号。为了减少对电网的谐波污染，每个变频器均加有输入电抗器，不仅可以减少高次谐波分量，同时也有效地抑制了输入电流峰值，有利于提高整流二极管使用寿命。电源输入端使用断路器，作为变频器的短路保护。

　　改造后的桥式起重机变频调速系统，主要由上位机(工业触摸屏系统)、下位机(PLC控制系统)、变频调速控制系统组成。桥式起重机变频调速系统结构图如图1所示。

　　下面分别对各主要机构调速控制进行说明。

　　1.1起升机构

　　起升机构属位能负载机构。主、副起升机构的2台电动机各使用1个变频器。变频器的选择，以变频器的额定电流为基准，一般以电动机的额定电流、负载率、变频器运行的效率为依据。

　　起升机构的控制方式选用带PG的矢量控制方式。PLC接受电动机的旋转编码器经数模转换卡送达的反馈信号，避免吊钩的下滑。

　　1.2运行机构

　　运行机构中2台电动机使用1个变频器。考虑到运行机构的工作频率较少，为节省成本，在运行机构调速控制系统中，共用1台变频器。变频器的选择，一般以电动机的额定功率作为选择的依据。通常选额定功率大一级的变频器。

　　运行机构的控制方式选用无PG v/f的变频控制方式。

2 各模块的功能

　　在改进后的桥式起重要控制系统中，PLC控制系统的主要任务，是接受外部开关信号(如按钮、继电器)的输入，判断当前的系统状态以及输出信号控制接触器、继电器等器件，以完成相应的控制任务。除此之外，PLC控制系统还要接受上位机的控制命令，以自动进行采样。PLC的软件设计部分，采用模块化的方法，程序共有4个模块，即按钮处理模块、通信模块、PID控制模块、故障报警模块。

　　(1)按钮处理模块。主要处理各个电动机和电磁阀的启停控制。

　　(2)通讯模块。由于系统主要由PLC控制变频器完成对电机的控制，因此，通讯模块主要是接收主令控制器、按钮开关等发出的控制指令，集中在CPU中进行运算，并将程序运算结果通过输出模块和Profibus现场总线传送给变频器等执行设备，从而驱动电动机完成生产任务。

　　(3)PID控制模块。桥式起重机主副起升机构速度的控制，是一很重要的技术指标，本系统通过使用旋转编码器测得电动机速度，由数模转换卡转换成数字量传递给变频器，与预先设定速度进行比较，采用常规的PID控制算法，在效果上就能够达到较为理想的结果。因此，本系统起升机构控制方案，为常规的数字PID算法并结合PLC中的PID控制模块来完成。

　　(4)故障报警模块。为了能够实时显示故障信息，以便尽快地排除故障，确保整个系统正常运行，控制系统应具有良好的故障报警功能。所以在PLC程序设计中，始终对相应的传感器输入信号进行扫描，一旦有诸如变频器故障、超重等故障现象出现，可以立即切断该设备，并启动蜂鸣器进行报警。考虑到工业现场可能的干扰，在程序中采用延迟报警控制，即只有当报警信号持续一定的时间(一般为数十毫秒到数百毫秒)才认为有故障。报警处理利用组态软件的画面元素和PLC变量直接对应，无需编程。

3 PLC与变频器的通讯

　　由于采用变频器对起重机电机进行调速，所以本系统中对起重机的调速，实际上就是对其变频器的控制。西门子S7系列PLC支持多种通信协议。控制系统使用的s7—200CPU支持一个或多个协议，包括通用协议和公司专用协议。专用协议包括点到点(point—to—point)接口协议(PPI)、多点(Multi—Point)接口协议(MPI)、Profibus通讯协议、自由通信协议和USS协议等。

　　本系统采用工业触摸屏监控起重机变频调速系统主要由上位机、下位机，经MPI多点接口卡与PLC连接，组成一个小型的MPI网。S7—200向人机界面产品提供全局数据服务，其数据传输速率位187.5kB/s。

　　3.1上位机和PLC之间的通信设计

　　(1)硬件设计。上位机(PC)通过CP561l卡与PLC的串行通信接口连接，对PLC进行集中监视和管理。

　　(2)软件设计。变量是上位机与PC之间，用于数据交换的最重要的通讯方式，PLC和上位机通讯，是通过变量来实现的。

　　变量有两种类型：全局变量和局部变量。全局变量是带有PLC链接的变量，其在PLC上占据一个定义的存储器地址，从上位机与PLC都可以对之进行读、写访问，是通信的关键；局部变量不连接到PLC上，仅在上位机上使用。

　　表1为系统变量表。

　　STEP 7-Micro/Win32软件工具包，提供了LISS通信协议，从减少软件的工作量和提高可靠性出发，采用LISS协议来完成PLC与变频器的通信。与变频器的通信，对PLC的CPU扫描是异步的，完成一个变频其通信事务通常需要数次CPU扫描。这取决于连接的变频器数目、波特率以及CPU的扫描时间。

　　3.2使用USS协议指令的编程顺序

　　(1)通过调用USS_INIT以启动或改变USS通信参数。调用USS_INIT指令，以修改USS通信参数，如启用或禁止USS协议、设定波特率，指示哪些地址的变频器是激活的(即可与之通信)。USS_INIT指令置于用户程序，会自动将数个隐含的子程序和中断程序加到程序内，标志为激活的变频器，都自动地在后台进行轮询控制、汇集状态，并防止变频器的串行链路超时。

　　(2)将一个V存储器地址分配给USS全局符号表中的第—个存储单元，所有其他地址都是自动地分配的。注意，在用户程序内每一个激活变频器只能有一条DRV_CTRL，可以任意添加READ_PM和WRITE_PM指令，但是每次只能激活其中的一个指令。

　　(3)通过调用DRV_CTRL指令来控制指定变频器，如电动机的启停、控制方向、设定速度、查询变频器返回的状态字等。

　　(4)调用READ_PM或WRITE_PM指令，来读取或写变频器参数，以便于设置变频器参数，程序中所用的波特率和地址相匹配。

　　采用上述方法，可以很好地控制网带的速度，并查询变频器的状态，把诊断信息反馈给PLC。

4 结束语

　　利用PLC结合变频调速技术，改进桥式起重机控制系统，使整机性能有较大提高，起重机行走平滑、稳定，被吊物件定位准确，并且减少了起动时对电网的冲击。采用变频器调速，结合PLC的强大控制功能、可靠性以及基于组态软件所开发出来的良好人机界面和通信能力，实现了可以在控制室对电机的远程控制运行参数、行走系统的各挡速度、加速时间和制动减速时间等进行调节，简单方便，并且变频器的故障信息，可以在人机界面上实时反映出来，以用来提示用户，防止安全事故的发生。