S7-200 PLC在交流橋式起重機中的改造方案

1 引言
橋式起重機是廠礦、倉庫等部門常用的起重設備，在工業生產過程中起重舉足輕重的作用。傳統的橋式起重機主要是有交流凸輪控制器進行控制，采用繞線式電動機轉子串電阻調速，交流控制器由于頻繁的動作和高壓的影響，經常會出現觸點燒損的現象，電阻箱受工作環境的影響容易腐蝕、老化。頻繁的生產事故勢必會影響生產。
隨著工業自動化的發展，PLC、變頻器工廠設備中的應用越來越廣泛。由于PLC的工作可靠性高，因此用PLC來代替傳統的交流控制器已成為一種必然趨勢。

2 兩種改造方案
橋式起重機的主要設備有:大車電機2臺、小車電機1臺、主鉤電機1臺、副鉤電機1臺，若仍采用繞線式電動機進行控制，則可以只選用PLC進行改造。若車間工作環境比較惡劣，如腐蝕性粉塵，容易對電阻箱及電動機碳刷等設備部件腐蝕和過早老化，則可以采用鼠籠式電動機進行控制。此時可以采用PLC加變頻器進行改造。
第一種方案優點是改造過程簡單，可以節約部分設備費用。缺點是:
(1) 電動機轉子所串電阻易燒損和斷裂;
(2) 轉子串電阻調速，機械特性比較軟，負載變化時轉速也變化，調速效果不理想;
(3) 所串電阻長期發熱，電能浪費大，效率低。
而第二種方案中鼠籠式電動機價格便宜、經久耐用，在生產中受到工程歡迎，并且由PLC加變頻器進行控制，其調速效果更加穩定，電能可以充分利用。

3 系統設計
3.1 PLC繞線電機改造方案
此種方案只需對原交流控制器進行編程即可，為了節省I/O點，改為有主令控制器控制電機的正反轉、前后行走和鉤子的升降。電機的提速與減速有兩個按鈕開關進行控制。本系統有20路輸入、30點輸出共50點，采用西門子S7-200(CPU為224)PLC，其擴展2塊數字量模塊EM222、1個EM223模塊。I/O點如表1所示。

表1 繞線電機方案I/O點分配

(1) 主程序
為節省輸入點，編程時，將交流凸輪控制器程序作為公用程序調用，其程序結構如圖1所示。

圖1 主程序結構

(2) 公用程序
設置公用程序可以充分利用PLC的I/O點，減少外部接線，其程序主要是實現電機的正反轉、與提減速，其間用輔助繼電器輸出為后面的程序調用作準備。
該程序主要用比較的指令來實現電機的提減速，在按I0.1或I0.2時，使存儲器VB100中存儲的數字在1~5間順序變化，控制串入轉子電阻的數量來實現調速，其部分程序如下。
LD I0.4
EU
LD M11.0
ED
OLD
LD M11.1
ED
OLD
LD Q0.0
ED
LDB= VB100, 0
= M10.0
LDB>= VB100, 5
= M10.2
LDN M10.2
A I0.5 EU
LD M11.0
O M11.1
LDN M10.0
A I0.6
EU
LD M11.0
O M11.1
LDB= VB100, 1
= M10.3
LDB= VB100, 2
= M10.4
LDB= VB100, 3
= M10.5
LDB= VB100, 4
= M10.6
LDB= VB100, 5
= M10.7
LDB= VB100, 0
= Q0.1
(3) 電機控制程序
電機控制程序只需將公用程序中的輔助繼電器與電機相應的輸出對應起來即可。由于程序比較簡單，這里不再詳述。

3.2 PLC變頻器改造方案
橋式起重機有大車2臺、小車電機1臺、主鉤電機1臺、副鉤電機1臺，共五臺電機，由于大車2臺電機是同步，因此在改造過程中共用一對號變頻器進行控制，這樣共需要4臺變頻器。結構圖2所示。

圖2 方案結構圖

(1) 輸入、輸出點的確定及設備選型
本系統共有輸入點:14點，輸出點:24點，共38點。 如表2所示。

表2 鼠籠電機方案I/O點分配

本方案采用西門子S7-200(224)型PLC，其外部再擴展四個EM222模塊。在方案中變頻器為電動機提供頻率可調節的交流電源，是實現時機速度調節的關鍵設備。大車、小車是普通反抗性負載，只需配用普通型或高功能型變頻器即可，而主鉤及副鉤為位能性負載，應配用可實現四象限運行的矢量控制型變頻器，同時變頻器應配備制動電阻，防止在生產過程中電動機處于再生制動時將動能反饋到變頻器直流電路中。
對于是變頻器的參數設置，技術人員可根據其使用的不同廠家變頻器的操作手冊進行設置。
(2) 控制程序設計
在設計程序時，可以繼續采用方案一中的設計方法，將主令控制器的程序作為公用程序，節省部分輸入點。在設計公用程序時根據不同型號的變頻器速度輸入的編號對進行編程。PLC輸出除電源外，其它均采用小型繼電器，程序通過控制小型繼電器動作來實現電動機的正反轉、升降、前后行走及速度調節。由于程序設計與方案一大致相同，其速度輸出程序如下。
LDN I0.1 //停止按鈕
A Q0.0 //電源啟動
LPS
LDB= VB100, 1 //一檔
OB= VB100, 2 //2檔
OB= VB100, 3 //3檔
OB= VB100, 4 //4檔
OB= VB100, 5 //5檔
ALD
LPS
A I0.3
= Q0.1 //正轉
LPP
A I0.4
= Q0.2 //反轉
LRD
LDB= VB100, 1
O M10.0
O M10.1
ALD
= Q0.3 //變頻速度輸出選擇1
LRD
LDB= VB100, 2
O M10.0
ALD= Q0.4 //變頻速度輸出選擇2
LRD
LDB= VB100, 4
O M10.1
OB= VB100, 3
ALD
= Q0.5 //變頻速度輸出選擇3
= M10.0
LPP
AB= VB100, 5
= M10.1

4 結束語
在使用V4.0E STEP 7 MicroWIN進行編程時，證明了S7-200PLC的強大功能，在沒有實物的情況下，設計人員可以運行S7-200仿真軟件對所編程序進行仿真。為實際改造打下基礎。上述兩種方案均經過S7-200仿真軟件驗證，其仿真過程中與設計的要求均相符，在改造過程中根據實際情況稍加修改即可。