S7-200 PLC在交流桥式起重机中的改造方案

1 引言
桥式起重机是厂矿、仓库等部门常用的起重设备，在工业生产过程中起重举足轻重的作用。传统的桥式起重机主要是有交流凸轮控制器进行控制，采用绕线式电动机转子串电阻调速，交流控制器由于频繁的动作和高压的影响，经常会出现触点烧损的现象，电阻箱受工作环境的影响容易腐蚀、老化。频繁的生产事故势必会影响生产。
随着工业自动化的发展，PLC、变频器工厂设备中的应用越来越广泛。由于PLC的工作可靠性高，因此用PLC来代替传统的交流控制器已成为一种必然趋势。

2 两种改造方案
桥式起重机的主要设备有:大车电机2台、小车电机1台、主钩电机1台、副钩电机1台，若仍采用绕线式电动机进行控制，则可以只选用PLC进行改造。若车间工作环境比较恶劣，如腐蚀性粉尘，容易对电阻箱及电动机碳刷等设备部件腐蚀和过早老化，则可以采用鼠笼式电动机进行控制。此时可以采用PLC加变频器进行改造。
第一种方案优点是改造过程简单，可以节约部分设备费用。缺点是:
(1) 电动机转子所串电阻易烧损和断裂;
(2) 转子串电阻调速，机械特性比较软，负载变化时转速也变化，调速效果不理想;
(3) 所串电阻长期发热，电能浪费大，效率低。
而第二种方案中鼠笼式电动机价格便宜、经久耐用，在生产中受到工程欢迎，并且由PLC加变频器进行控制，其调速效果更加稳定，电能可以充分利用。

3 系统设计
3.1 PLC绕线电机改造方案
此种方案只需对原交流控制器进行编程即可，为了节省I/O点，改为有主令控制器控制电机的正反转、前后行走和钩子的升降。电机的提速与减速有两个按钮开关进行控制。本系统有20路输入、30点输出共50点，采用西门子S7-200(CPU为224)PLC，其扩展2块数字量模块EM222、1个EM223模块。I/O点如表1所示。

表1 绕线电机方案I/O点分配

(1) 主程序
为节省输入点，编程时，将交流凸轮控制器程序作为公用程序调用，其程序结构如图1所示。

图1 主程序结构

(2) 公用程序
设置公用程序可以充分利用PLC的I/O点，减少外部接线，其程序主要是实现电机的正反转、与提减速，其间用辅助继电器输出为后面的程序调用作准备。
该程序主要用比较的指令来实现电机的提减速，在按I0.1或I0.2时，使存储器VB100中存储的数字在1~5间顺序变化，控制串入转子电阻的数量来实现调速，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) 电机控制程序
电机控制程序只需将公用程序中的辅助继电器与电机相应的输出对应起来即可。由于程序比较简单，这里不再详述。

3.2 PLC变频器改造方案
桥式起重机有大车2台、小车电机1台、主钩电机1台、副钩电机1台，共五台电机，由于大车2台电机是同步，因此在改造过程中共用一对号变频器进行控制，这样共需要4台变频器。结构图2所示。

图2 方案结构图

(1) 输入、输出点的确定及设备选型
本系统共有输入点:14点，输出点:24点，共38点。 如表2所示。

表2 鼠笼电机方案I/O点分配

本方案采用西门子S7-200(224)型PLC，其外部再扩展四个EM222模块。在方案中变频器为电动机提供频率可调节的交流电源，是实现时机速度调节的关键设备。大车、小车是普通反抗性负载，只需配用普通型或高功能型变频器即可，而主钩及副钩为位能性负载，应配用可实现四象限运行的矢量控制型变频器，同时变频器应配备制动电阻，防止在生产过程中电动机处于再生制动时将动能反馈到变频器直流电路中。
对于是变频器的参数设置，技术人员可根据其使用的不同厂家变频器的操作手册进行设置。
(2) 控制程序设计
在设计程序时，可以继续采用方案一中的设计方法，将主令控制器的程序作为公用程序，节省部分输入点。在设计公用程序时根据不同型号的变频器速度输入的编号对进行编程。PLC输出除电源外，其它均采用小型继电器，程序通过控制小型继电器动作来实现电动机的正反转、升降、前后行走及速度调节。由于程序设计与方案一大致相同，其速度输出程序如下。
LDN I0.1 //停止按钮
A Q0.0 //电源启动
LPS
LDB= VB100, 1 //一档
OB= VB100, 2 //2档
OB= VB100, 3 //3档
OB= VB100, 4 //4档
OB= VB100, 5 //5档
ALD
LPS
A I0.3
= Q0.1 //正转
LPP
A I0.4
= Q0.2 //反转
LRD
LDB= VB100, 1
O M10.0
O M10.1
ALD
= Q0.3 //变频速度输出选择1
LRD
LDB= VB100, 2
O M10.0
ALD= Q0.4 //变频速度输出选择2
LRD
LDB= VB100, 4
O M10.1
OB= VB100, 3
ALD
= Q0.5 //变频速度输出选择3
= M10.0
LPP
AB= VB100, 5
= M10.1

4 结束语
在使用V4.0E STEP 7 MicroWIN进行编程时，证明了S7-200PLC的强大功能，在没有实物的情况下，设计人员可以运行S7-200仿真软件对所编程序进行仿真。为实际改造打下基础。上述两种方案均经过S7-200仿真软件验证，其仿真过程中与设计的要求均相符，在改造过程中根据实际情况稍加修改即可。