新一代西门子起重机电气控制系统
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桥式起重机电气控制系统设计
1 引言(或绪论）1．1 课题简介本次毕业设计课题为“20/5t桥式起重机电气控制系统设计”。
其主要任务是将接触—继电器控制的传统桥式起重机利用PLC进行改造.用到的实验台是THJPES-2型机床PLC电气控制实训考核装置,所以本次任务的重点是完成模拟实验.本次设计的控制部分主要是西门子S7—200 PLC系统，并结合STEP7软件进行了简单的控制编程。
1．2桥式起重机在现代工业中的发展情况桥式起重机是现代工业生产和起重运输中实现生产过程机械化、自动化重要的工具和设备.所以桥式起重机在室内外工矿企业、钢铁化工、铁路交通、港口码头以及物流周转等部门和场所均得到广泛的运用。
经过多年的发展,我国桥式起重机的应用不断扩大，随着技术进步，针对实际中桥式起重机的恶劣工作坏境及长时间超负荷作业而导致的事故，为桥式起重机改造提出了新的要求，以便在实际操作更加安全、更加高效。
1．3PLC在工业自动控制中的应用可编程程序控制器简称PLC，是微机技术与继电器常规控制技术相结合的产物，是在顺序控制器和微机控制器的基础上发展起来的新型控制器,是一种以微机处理器为核心用作数字控制的专用计算机。
它不仅充分利用微处理器的优点来满足各种工业领域的实时控制要求，同时也照顾到现场电器操作维护人员的技能和习惯,摒弃了微机常用的计算机编程语言的表达形式，形成一套以继电器梯形图为基础的形象编程语言和模块化的软件结构，使用户程序的编制清晰直观、方便易学，调试和查错都很简单。
PLC现已成为现代工业控制三大支柱（PLC、CAD/CAM、ROBOT)之一，以其可靠性、逻辑功能强、体积小、可在线修改控制程序、具有远程通讯联网功能等优异性能,日益取代由大量中间继电器组成的传统继电—接触器控制系统在机械、化工、冶金等行业中的重要作用。
PLC的应用深度和广度已经成为一个国家工业先进水平的重要标志之一.微电子技术与计算机技术的结合,使PLC 的功能变得更加强大，通过可编程控制的实现，为PLC 增添了使用上的灵活性。
西门子新型港口起重技术在1500th卸船机上的应用
PLC控制主机采用S7-400，从站采用ET200。 1 500 t/h卸船机使 用新型平台的STS配置如图2所示。
图2 1 500 t/h卸船机使用新型平台的STS配置
2 控制系统实现的功能及功能实现的要点、难点
2.1 控制系统实现的功能 （1）起升、开闭机构的控制：起升支持、开闭机构可单独动
作，有各自的操作手柄手动分别控制；也可联动各自的操作手 柄，实现同步上升、下降动作。
（2）小车牵引机构的控制：小车机构的单独动作由小车操 作手柄控制，完成小车的前进、后退动作；此外，小车机构在防 摇及半自动工况下有对应的不同控制方法。
（3）抓斗的半自动或全自动控制：根据现场起升、开闭及 小车编码器的位置信号和S120变频器的状态信号反馈，由PLC 及SIMOTION D435运算处理后， 实现抓斗的半自动及全自动 控制功能。
（1）应用基于SIMOTION D435控制系统的卸船机相比过
68
Gongyi yu Jishu◆工艺与技术
去应用典型起重技术的卸船机有如下优点： 1）由于使用了直接通讯，系统反应更快； 2）可在一个程序中进行错误和故障诊断，故诊断方便； 3）工程耗费的时间短、费用低； 4）所用的元件和备件数量减少； 5）功能扩展和改变高度灵活； 6）系统即使在急停情况下也能保存信息，可以全面诊断； 7）SIMOTION D435将逻辑、运动和技术功能融为一体，系
关键词：卸船机；SIMATIC PLC；SIMOTION D435；SINAMICS S120
0 引言
在 以 往 的 起 重 机 应 用 方 案 中 ，MASTERDRIVES 驱 动 配 合 工 艺 板 T300 通 常 被 用 于 实 现起重设备专用基本工艺。 2007年中，新的起 重机解决方案“SIMOCRANE Basic Technology” 在 西门子业务单元“DT MC Cranes” 诞生了。 “SIMATIC+SIMOTION+SINAMICS ” 的 新 型 平 台技术能够清晰地分配各种任务， 其中 SIMATIC PLC S7承担I/O信号处理 、供电 控 制、安全监控、主驱动的设定值和控制指令及 制动控制等功能；SIMOTION负责所有系统化 集成的起重工艺，例如Basic Technology（基本 工 艺）、Sway-Control（防 摇）等 ；SINAMICS S120是西门子公司推出的集V/F、矢量控制及
增加桥式起重机PLC地面无线监控功能
增加桥式起重机PLC地面无线监控功能发布时间：2021-09-06T11:02:04.627Z 来源：《科学与技术》2021年第4月第11期(中）作者：周权[导读] 很多工厂企业桥式起重机控制PLC，不带PLC地面无线监控功能，不便于维修人员监周权沃尔沃汽车（中国）投资有限公司台州分公司浙江省台州市，邮编318000摘要：很多工厂企业桥式起重机控制PLC，不带PLC地面无线监控功能，不便于维修人员监控PLC程序，且人员携带维修笔记本电脑至离地面13米高的桥式起重机，监控PLC控制程序，存在设备和人身安全风险，同时影响起重机故障维修的故障诊断效率，本文通过通讯转换技术，将PLC通讯转换为以太网无线信号，从而实现桥式起重机PLC的地面无线监控功能。
关键词：无线监控 MPI 通讯转换模块无线路由器本文所述起重机为德马格50/25T桥式起重机，其功能用于冲压模具的吊运和安装。
冲压模具有上模和下模组成，上、下模之间放入钢板，压力机滑块运动带动上模与固定在工作台上平面的下模冲压出所需的车身零件。
桥式起重机通过挂在主钩上的吊绳或钢丝绳将模具吊起转运。
桥式起重机包括横梁、大车运行、小车运行、主钩升降、副钩升降等机构。
横梁通过大车车轮安装至大车轨道上，大车轨道安装在厂房立柱的钢结构上，横梁上方安装有小车运行机构，起重机横梁是起重机的承载结构，每两年质量监督局，会对其进行年检，对其对角线，大梁旁弯，轨道直线度，拱度，两根轨道的水平高差等进行测量，确保起重机的安全使用。
大车运行通过变频器对电机控制，电机输出轴连接减速箱和制动器，实现桥式起重机的大车运行与停止，制动器采用的是液压推杆制动器，通过闸瓦对其制动，利用液压推杆打开抱闸。
小车运行机构安装在起重机的横梁上，由小车和小车运行轨道组成，小车上安装有主、副钩卷扬、小车电机、减速箱和制动器等，小车电机采用变频器控制，电机输出至减速箱和制动器，制动器使用的是液压推杆制动器，实现小车的运行和停止。
SIEMENS起重机行业的新型标准解决方案
解 决方 案
Ａ ｗ ｔ ｎ ｒ ｌ ｉ ｎ ｆ ｒＳ ＥＭ ＥＮＳ Ｃｒ ｎｅＦｉｌ Ｎｅ Ｓ ａ ｄａ ｄ Ｓｏｕｔｏ ｏ Ｉ ａ ｅｄ
Ｓｕ ｎｇ ａ ｉ Ｙｏ ｑｉ ｎｇ
（ Ｉ Ｍ Ｅ ｒ ｎ ｉｔ ｅ ｔｅ ＳＥ ＮＳＣ ａ ｅ ＡｂｌｙＣ ｎｒ ， ｉ
定。
俯 仰 机 构
４ 标 准化 的软 件 平 台
・
４４ ・
港口科技 ・ 口管理 港
每个 机 构集 成 了各 个机 构需 要用 到 的 ＳＭＯ— Ｉ
ＣＡ Ｒ ＮＥ工 艺模块 ，这 样更 容易 满足 客户 的要 求 。
准 的起 重机工 艺模 块 ，自由组合 ， 设计 出符合 自己 要求 的起 重机应用 程序 ，实现 客户 的设计 附加值 。
港 口科技 ・ 口管 理 港
ＳＥ Ｎ 起重机行业的新型标准解决方案 Ｉ ＭＥ Ｓ
隋永 强
（ 西门子起 重机 能力 中心 ，上海
２ ００ ０ ３７）
摘要 ： ＩＭ Ｎ 起重机新型标准解决方案—— “ ＩＯ Ｒ Ｎ 基本工艺” Ｓ ＥＥ Ｓ ＳＭ ＣＡ Ｅ 采用 “ＩＡ Ｉ ＳＭ Ｔ Ｃ
＋ ＳＭ ＴＯ Ｉ Ｏ ＩＮ Ｄ＋Ｓ Ｎ Ｍ Ｃ ” 的硬 件 平 台。它 不仅 适用 于港 口起 重机 ，也 同样适 用 于 ＩＡ ＩＳ
工 业起 重机 。该平 台能够 清晰地 分 配各 种任 务 。新 的 解 决方案 按 照各 个机 构 的功 能
而开发 标 准 的工 艺模 块 ，减 少起 重机 的设 计 和调 试 时间 ，提 高 了生 产效 率 。
关键 词 ：港 口 起 重机
ｓＭ ＣＡ Ｅ 工 艺 标 准化 ＩＯ Ｒ Ｎ
近 些年 来 ，大量 的起 重机 控 制系 统 已经使 用 了 ＳＭＯ Ｒ Ｉ Ｃ ＡＮＥ起 重 机新 型标准 解 决方案 。 实践 证 明 ，ＳＭＯＣ Ａ Ｉ Ｒ ＮＥ的推 出，不仅 大大 减少 了起
大型冶金起重机电气控制系统的设计与实现
２ ２ Ｐ Ｃ 自诊断 程序设 计 ． Ｌ
图 ２ 起重机 电气 系统控制部分
３０ ５ 一 ２ｍ 大型 淬火桥 式起 重机 对 安全 可 ２ ／０ｔ ２
量 式旋转 编 码 器 用 以 监 控 ２台减 速 器 的速 度 ，在
靠性要求很高 ，需要利用 Ｐ Ｃ自身监视 每个模块 Ｌ 及 编码器 的 工作 状 态 。该起 重机 采 用 的西 门子 ｓ ７ 系列 Ｐ Ｃ系统提 供 了相 应 的故 障 中断 模块 Ｏ ， Ｌ Ｂ
器 、限位 开 关 和保护 装 置等 。
控制 系 统 的核心 是 １台西 门子 Ｓ ７—３ ０可 编程 ０ 控制 器 ，它 通 过 Ｐ ｏ ｂ ｓ—Ｄ ｒｆ ｕ ｉ Ｐ总 线 将 Ｃ Ｕ和 ２个 Ｐ
位于主梁 内的 ＩＯ子站连接在 一起 ，并通过 Ｍ Ｉ ／ Ｐ 总线 与 ＨＭ 人 机 界 面交 换 数 据 。ＨＭ 用 于显 示 起 １ Ｉ 重机的过程状 态和故 障信息 ，通过故 障 自诊断程 序可迅速判断故障原因。
一
布到不同的周期里去计算 ，每经过一定数量循环才 产生 １ 个温度值 ，这样即可大大减小单周期 的计算
《 起重运输 机械》 加１ ７ １（ ）
３ 一 ２
基于 Ａ Ａ Ｄ ＭＳ的折 臂 式 随 车 起 重 机 受 力计 算
王 乐有 王 进强 才冬 涛 山西 长治 清华机 械 厂 长 治 ０ ６ １ ４ ０２ 文 章 编号 ：１ ０ — ７ ５ （ ０ １ ７— ０ ３— ２ ０ １ ０ ８ ２ １ ）０ ０ ３ ０
大型 冶 金 起 重 机 电气 控 制 系 统 的设 计 与 实现
吴 先文 李
１四川 工程 职 业技 术 学院 德阳
丽 张
丹 李
剑
６８０ １０ ０
图 ２ 起重机 电气 系统控制部分
３０ ５ 一 ２ｍ 大型 淬火桥 式起 重机 对 安全 可 ２ ／０ｔ ２
量 式旋转 编 码 器 用 以 监 控 ２台减 速 器 的速 度 ，在
靠性要求很高 ，需要利用 Ｐ Ｃ自身监视 每个模块 Ｌ 及 编码器 的 工作 状 态 。该起 重机 采 用 的西 门子 ｓ ７ 系列 Ｐ Ｃ系统提 供 了相 应 的故 障 中断 模块 Ｏ ， Ｌ Ｂ
器 、限位 开 关 和保护 装 置等 。
控制 系 统 的核心 是 １台西 门子 Ｓ ７—３ ０可 编程 ０ 控制 器 ，它 通 过 Ｐ ｏ ｂ ｓ—Ｄ ｒｆ ｕ ｉ Ｐ总 线 将 Ｃ Ｕ和 ２个 Ｐ
位于主梁 内的 ＩＯ子站连接在 一起 ，并通过 Ｍ Ｉ ／ Ｐ 总线 与 ＨＭ 人 机 界 面交 换 数 据 。ＨＭ 用 于显 示 起 １ Ｉ 重机的过程状 态和故 障信息 ，通过故 障 自诊断程 序可迅速判断故障原因。
一
布到不同的周期里去计算 ，每经过一定数量循环才 产生 １ 个温度值 ，这样即可大大减小单周期 的计算
《 起重运输 机械》 加１ ７ １（ ）
３ 一 ２
基于 Ａ Ａ Ｄ ＭＳ的折 臂 式 随 车 起 重 机 受 力计 算
王 乐有 王 进强 才冬 涛 山西 长治 清华机 械 厂 长 治 ０ ６ １ ４ ０２ 文 章 编号 ：１ ０ — ７ ５ （ ０ １ ７— ０ ３— ２ ０ １ ０ ８ ２ １ ）０ ０ ３ ０
大型 冶 金 起 重 机 电气 控 制 系 统 的设 计 与 实现
吴 先文 李
１四川 工程 职 业技 术 学院 德阳
丽 张
丹 李
剑
６８０ １０ ０
桥式起重机电路设计中PLC控制技术的应用
桥式起重机电路设计中PLC控制技术的应用电气控制系统、金属结构和传动机构是桥式起重机的三大组成部分。
其中传动结构主要是升降及大小车运行的机构,像卷筒、减速、钢丝绳等装置;电气控制则包括电器元件、供电系统和电控系统三部分。
一、起重机总体系统设计桥式起重机的PLC控制系统主要包括限位器、主令控制器、PLC、5台电动机(两台大车电动机)、4台变频器和保护输入等内容。
此系统有28个输出点, 25个输入点,I/O接口共53个。
控制核心选用西门子S7-224,通信接口为选用通信能力较强的RS-485接口。
连接外部数字量的扩展模块有7个,其输出方变压器为式为晶体管和继电器两种方式,控制能力较强。
其中晶体管输出更能适应频繁开合的运行节奏,使用寿命相对较长。
其系统具体设计如下:1.安全设计要求桥式起重机PLC信号输入方式是通过控制台或控制手柄来完成各种动作的信号输入。
如主副钩的起降、小车后退及前进、打车的左右行等,并且互锁同一动作的不同运动方向及执行装置的速度。
设置报警或电铃装置一旦出现故障可自动启动报警。
报警应在起重机启动之前,必须是电铃未响前起重机绝对不运行。
同时应设置各种限位开关、限制器和紧急断电开关,以满足各种情况下电源报警或自动切断的需要。
还应在通道口设置联锁保护电路,以控制门栏。
2.设计控制信号控制信号的设计应在桥式起重机的运行结构及情况和主电路分析的基础上进行。
控制信号主要包括:主副钩速度、升、降控制信号;大车及小车速度、前、后控制信号;运行的启、止及安全栏的开关;主副升限位、小车前进与后退限位、大车左右行限位等限位信号;超载限动、过流继电器和电铃信号等。
共有35个输入信号和反馈信号。
输出信号包括:主副钩降、升及其速度,小车高、低速、前、后和高速自保;大车速度、左、右和两个高速自保以及启动信号的输出,紧急停止和电铃输出等共计22个。
(其控制功能见下图1.)上述数据均是确定PLC的依据。
二、控制系统的设计与确定1.PLC设计确定PLC设计必须按照以下原则进行:符合控制分析系统要求,按照被控对象的情况来确定动作及其完成的顺序,并概括出顺序的功能;PLC类型的确定应适合工艺要求,确定I/O点类型及点数,估计其内存存量;而后选取相应硬件设计,了解所选PLC产品功能,并根据实际需要对其进行软件编程和设计外电路,绘制出控制系统接线原理图;按照控制系统要求把功能顺序图转为梯形图,并应用软元件列表将其程序用途详细标明,以供设计、维护、调试和检修使用;对PLC控制系统进行模拟调试和现场调试,检查各种外接信号源及控制信号的运行情况,并观察其输入、输出间的变化是否符合要求,并进行调整修改。
起重机设计规范-电气
3）调压调速系统在任何速度上的允许运行时 间相对于电阻器的发热时间常数来讲，均为 长期。故电阻元件的接电持续率应按100%选 用。但由于上升和下降时，机械传动效率相 反，电动机的工作电流不等，所以电阻元件 在JC=100%下的电流值为： I上= IN； I下= IN×η2。
变频调速系统
系统特点： 1）变频调速系统可实现额定频率以下恒转矩调速及 额定频率以上恒功率调速，弱磁升速范围取决于 电机允许的最高运行转速及在最高转速下输出的 转矩能否满足负载的加速要求。 2）动态特性较硬，即：动态速降小，因此适用于起 升及运行机构。运行采用变频调速较采用调压调 速系统其速度稳定性更好。 3）变频调速采用开环还是闭环控制，对于在起重机 上的应用来讲最大的差别在于闭环控制起动转矩 更大，低速运行更平稳，调速范围更宽。 一般起升采用闭环控制，运行采用开环控制。
对供给起重机的电源要求采用3φ+PE的供电
系统，强调了要提供接地线，轨道将不得作 为接地保护回路。原GB/T3811规定可以无 PE线，轨道接地可作为起重机接地回路；因 为当接地电流流经轴承和滚轮时，由于接地 电阻较大，会提高起重机结构对地电位，从 而影响人身安全。同时，对地电流经过轴承 时也会对轴承造成一定的损坏，考虑上述因 素并参考FEM标准，故本次修订时，要求供 电电源提供PE线。
运行机构稳态运行功率（静阻功率）与总质 量（M）、速度、摩擦系数等有关，惯性功率与 总质量、速度、加速度（加速时间）有关，通常 速度取值也是基于作业频繁程度（工作级别）， 那么可以通过给稳态运行功率乘以大于1的综合因 素系数K，以体现惯性功率与作业频繁率对电动机 发热的影响，该系数也是经过了实践验证的。
注：M5及以下K值可选1是因为太小的K值会在负荷试 车的静载试验时，机构不能起吊1.25倍额1工作制下的电动机功率值折算到 S3 JC =40%或S3 JC =60%下的电动机功率值可 参考下式折算： P40≈1.15~1.2 PS1 P60≈1.05~1.1 PS1 对于不同的电动机，其折算系数略有不同，若需 知道准确折算值，需向制造商索取
基于S7-300 PLC的双电机同步控制在龙门起重机中的应用
基于S7-300 PLC的双电机同步控制在龙门起重机中的应用摘要：双电机同步控制系统广泛应用于现场工业控制中，本文主要研究大起重量、大跨度龙门起重机两个门腿的同步控制。
文章详细分析了龙门起重机两门腿变频调速系统的结构，设计了两门腿电机同步运行控制系统和软件系统。
实验结果表明，该系统同步控制效果良好。
关键词：同步控制；PLC ；变频器；监控系统0 引言随着国民经济的发展，龙门起重机作为一种物料搬运机械在各个行业的应用越来越广泛。
而目前很多龙门起重机系统由于两个门腿不同步、超负荷作业以及机械振动冲击过大等因素导致比如脱轨这样的严重问题。
因此，本文主要针对该问题，设计了两个门腿的同步控制方案，改善电气传动，减少起制动冲击，保持起重机门腿的稳定的同步运动。
1 系统结构龙门起重机的两门腿系统结构如图1所示，它由工控机、可编程控制器（PLC）、两个变频器，两个异步交流电动机和编码器等构成。
其中工控机为监控层，用于对现场设备运行情况的监控。
PLC为控制层，它将设备的信息传送给工控机，并通过变频器实现对电机的同步控制。
变频器作为执行层，它把PLC的控制信号放大处理后，实现对电机的控制，并通过光电编码器实现对转速的闭环控制。
而各层之间的通信，根据现场设备到控制器的连接方式，采用PROFIBUS总线的线形结构。
下面对系统的主要部分作一下详细介绍：1）工控机工业控制计算机采用研华工控生产的CPU为Pentium Iv 1700MHZ的工控机。
由于在控制龙门起重机两个门腿电机的过程中，要同时运监控软件WinCC和PLC编程软件STEP7 V5.4这两个大型软件，因此内存采用512MB。
并且在计算机上插接了CP5611现场总线接口卡，使工控机通过PROFIBUS总线与PLC通信。
通过监控软件WinCC对系统进行开发，通过PROFIBUS总线实现与下位机PLC的通信，实现对现场设备的实时监控。
并通过其强大的人机界面，可以使操作员直观的看到现场设备的操作情况，并能够对现场故障等状况做出及时的反应。
《起重机设计规范》
《起重机设计规范》 起重机设计规范》
电气部分
主要内容
一、电源与供电 二、电气保护 三、控制系统 四、电机选择 附录P： 附录 ：电机初选 附录R： 附录 ：电机过载校验 附录S： 附录 ：电机发热校验 五、装置及电阻器选择
一、电源与供电
对电网电压波动范围按GB5226.2中 4.3.2交 中 对电网电压波动范围按 交 流电源的电压波动范围规定为： 流电源的电压波动范围规定为 ： 在正常工作 条件下，供电系统， 条件下 ， 供电系统 ， 在起重机械馈电线接入 处的电压波动不应超过额定值的± 处的电压波动不应超过额定值的 ±10%的要 的要 标准中规定为± ， 求，但FEM标准中规定为±5%，建议在应用 标准中规定为 中尽可能要求用户的供电电源符合± 的国 中尽可能要求用户的供电电源符合±5%的国 际通用要求。 际通用要求。
电气控制部分在修订时， 电气控制部分在修订时，其内容包括了原 GB3811-1983，FEM相关部分的内容，同时 相关部分的内容， ， 相关部分的内容 增加了变频调速和调压调速的说明。 对吊钩 增加了变频调速和调压调速的说明。(对吊钩 起重机，当起升机构的工作级别为M4、 起重机，当起升机构的工作级别为 、M5 和M6，且额定起升速度 ，且额定起升速度≥5m/min时要求制动 时要求制动 平稳，应采用电气制动方法，保证在0.2～ 平稳，应采用电气制动方法，保证在 ～ 1.0G范围内下降时 制动前的电动机转速降至 范围内下降时,制动前的电动机转速降至 范围内下降时 同步转速的1/3以下 该速度应能稳定运行.) 以下,该速度应能稳定运行 同步转速的 以下 该速度应能稳定运行
对于有机械偶合的多电机传动（ 对于有机械偶合的多电机传动（如大容量起升机构 采用大减速机方案由两台电动机拖动， 采用大减速机方案由两台电动机拖动，大车运行机 构前后两组电动机通过车轮和轨道的偶合）， ），当采 构前后两组电动机通过车轮和轨道的偶合），当采 用两套驱动装置并分别构成闭环控制时， 用两套驱动装置并分别构成闭环控制时，两套驱动 装置之间应设置负荷均衡控制功能，在起重机上， 装置之间应设置负荷均衡控制功能，在起重机上， 通常可采用如下两种负荷均衡方式： 通常可采用如下两种负荷均衡方式： 主装置为速度闭环控制、 ①主装置为速度闭环控制、从装置为转矩控制的主 从控制方式 采用下垂软化特性功能、 ②采用下垂软化特性功能、两台装置相对独立的负 荷均衡方式
电气部分
主要内容
一、电源与供电 二、电气保护 三、控制系统 四、电机选择 附录P： 附录 ：电机初选 附录R： 附录 ：电机过载校验 附录S： 附录 ：电机发热校验 五、装置及电阻器选择
一、电源与供电
对电网电压波动范围按GB5226.2中 4.3.2交 中 对电网电压波动范围按 交 流电源的电压波动范围规定为： 流电源的电压波动范围规定为 ： 在正常工作 条件下，供电系统， 条件下 ， 供电系统 ， 在起重机械馈电线接入 处的电压波动不应超过额定值的± 处的电压波动不应超过额定值的 ±10%的要 的要 标准中规定为± ， 求，但FEM标准中规定为±5%，建议在应用 标准中规定为 中尽可能要求用户的供电电源符合± 的国 中尽可能要求用户的供电电源符合±5%的国 际通用要求。 际通用要求。
电气控制部分在修订时， 电气控制部分在修订时，其内容包括了原 GB3811-1983，FEM相关部分的内容，同时 相关部分的内容， ， 相关部分的内容 增加了变频调速和调压调速的说明。 对吊钩 增加了变频调速和调压调速的说明。(对吊钩 起重机，当起升机构的工作级别为M4、 起重机，当起升机构的工作级别为 、M5 和M6，且额定起升速度 ，且额定起升速度≥5m/min时要求制动 时要求制动 平稳，应采用电气制动方法，保证在0.2～ 平稳，应采用电气制动方法，保证在 ～ 1.0G范围内下降时 制动前的电动机转速降至 范围内下降时,制动前的电动机转速降至 范围内下降时 同步转速的1/3以下 该速度应能稳定运行.) 以下,该速度应能稳定运行 同步转速的 以下 该速度应能稳定运行
对于有机械偶合的多电机传动（ 对于有机械偶合的多电机传动（如大容量起升机构 采用大减速机方案由两台电动机拖动， 采用大减速机方案由两台电动机拖动，大车运行机 构前后两组电动机通过车轮和轨道的偶合）， ），当采 构前后两组电动机通过车轮和轨道的偶合），当采 用两套驱动装置并分别构成闭环控制时， 用两套驱动装置并分别构成闭环控制时，两套驱动 装置之间应设置负荷均衡控制功能，在起重机上， 装置之间应设置负荷均衡控制功能，在起重机上， 通常可采用如下两种负荷均衡方式： 通常可采用如下两种负荷均衡方式： 主装置为速度闭环控制、 ①主装置为速度闭环控制、从装置为转矩控制的主 从控制方式 采用下垂软化特性功能、 ②采用下垂软化特性功能、两台装置相对独立的负 荷均衡方式
基于PLC 的塔式起重机控制系统设计
第21期2018年7月No.21July ，2018作者简介：张梅梅（1983—），女，江苏沭阳人，讲师，硕士；研究方向：高职电工教学。
基于PLC 的塔式起重机控制系统设计张梅梅（宿迁经贸高等职业技术学校，江苏宿迁223600）摘要：在高层建筑建设当中，需要通过塔式起重机运输建筑材料，塔式起重机是非常重要的起重机械，也是建筑施工中不可缺少的部分。
文章研究了基于PLC 的塔式起重机控制系统，分析了其软件和硬件设计。
关键词：塔式起重机；控制系统；设计中图分类号：TM571.61文献标识码：A 江苏科技信息Jiangsu Science &Technology Information引言在现今建筑建设当中，塔式起重机是非常重要的起重机械，也是建筑施工中不可缺少的部分。
对于塔式起重机而言，其属于建筑起重类设备，且具有较多的类型与型号。
根据具体架设地点的不同，可以将其分为固定以及移动两种卡类型，在移动式中，根据具体行走装置的不同可以将其分为汽车、履带、牵引以及轨道这几种类型。
根据塔身结构回转位置，则可以将其分为上、下回转起重机。
在实际应用当中，其实现对重物的上下、垂直运输。
塔式起重机由变幅运行、回转运行、大车行走以及起升运行机构这几部分组成。
而在传统的起重机运行中，由于使用的控制线路在具体应用可靠性方面存在着一定的不足，对实际工作效果以及起动机寿命影响较大的。
为了能够提高重机在应用中的可靠性和应用效率，需要做好起重机的控制系统设计工作，满足具体的施工要求［1］。
1总体方案在该项目中，起重机型号为QTZ63，即自升式塔式起重机，额定起重力矩为630kN·m 。
根据实际要求，需要对该起重机的控制系统进行改进，通过PLC 技术的应用对其智能化控制目标进行实现。
塔式起重机系统应包括机构的安全保护控制和运动控制。
为了实现上述功能，对机构进行了智能电气控制改造处理，即通过PLC 的应用对塔机的变幅、提升以及回转动作进行实现，通过传感器信号的应用保护塔机的位置、力矩以及重量等。
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陈忆文（19-）男，湖南湘潭人，学士学位，电气工程师，现就职于西门子工厂自动化工程有限公司上海分公司起重机部门，从事电气设计与调试工作。
摘要：西门子在起重机的发展中逐渐形成了对起重机电气控制的一整套解决方案，本文介绍新一代的西门子起重机电气控制系统及其在桥吊中的的应用。
关键词：SIMOCRANE；桥吊；主从控制；起升系统；行走系统；轴；工艺Abstract: During the progress of cranes development, Siemens makes a series solutionto improve its capability. This paper introduces a new electrical control system of crane designed by Siemens and its application for STS.Key words: SIMOCARNE; STS; Master-slave control; Hoisting system; Moving system;Axes; Technology1 概述在经济全球一体化的时代，在生产规模不断扩大的时代，在物资转运越来越频繁的时代，起重机发挥着越来越重要的作用，对起重机的性能也提出了越来越高的要求。
在起重机的发展历程中，西门子一直是起重机电气控制系统的引领者和行业标准的制定者。
随着对起重机系统性能要求日益提高，西门子开发了一套全新的起重机电气控制系统—SIMOCRANE。
该系统沿袭了以往控制系统业已成熟的结构模式，主要由供电系统、起升系统、行走系统（小车机构，大车机构）等组成,但电气控制系统发生了较大的改进，由PLC+SIMOTION+drive控制模式代替了原来的PLC+drive控制模式，SIMOTION可以直接控制驱动器，且控制速度比PLC快了一个数量级，这使得驱动器可以更快速地跟踪控制命令，控制器也可以更实时地监视系统运行状态。
西门子还开发了与该系统配套的辅助系统，可以无缝集成在主系统中，比如运用在桥吊和卸船机中的防摇系统。
本文以西门子在上海振华港机Antwerp项目港口起重机的电气控制系统为例介绍新系统的构成以及在STS中的应用。
2 系统构成2.1 硬件构成系统主要由PLC、SIMOTION D、CF卡、SINAMICS、ET200、DP通讯线路等构成。
由于对驱动器的控制部分功能转移到了SIMOTION D，对PLC的要求大大降低。
SIMOTION基本上处理了与驱动器有关的所有功能，PLC主要处理外围设备的功能和起重机的整体运行。
PLC与SIMOTION D之间通过DP通讯交换信息，而SIMOTION与SINAMICS或者集成在一起，或者通过SIMOTION整合的内部通讯系统DRIVE-CLiQ交换信息。
PLC与驱动器SINAMICS之间不再直接交换信息，而是通过SIMOTION D进行。
图1为Antwerp项目STS硬件组态图，主系统使用了1个CPU 319F，变频器的直流供电模块ALM（站号40）和SIMOTION D435（站号44，45）以及其它一些外围设备通过PROFIBUS总线挂接。
SIMOTIN D系统的组态如图2所示，集成了一个SINAMICS_Integrated再挂接了两个SIMOTION_CX32驱动控制器。
挂接驱动器的数量根据起重机的需要而定。
在Antwerp项目中使用了8个驱动器，因此使用了三台驱动控制器。
CF卡中包含了固件版本信息和起重机专用功能以及其它相关功能的授权：SIMOTION MultiAxes（适用于运动控制）；SIMOTION IT（适用于网络服务器的远程诊断和起重机专用功能）；SIMOTION Crane Basic Technology(用于“crane DCC-Library”中的功能)。
SIMOCRANE系统只有在安装这些授权的情况下才能正常运行。
.2 软件构成PLC和SIMOTION D中都已采用结构化程序模式，不同的机构对应各个程序块。
用户可按照自己的需要和习惯来编写PLC中的程序，并通过程序与SIMOTION交换数据，从而达到向SIMOTION的下达驱动的动作命令和速度设定值信息，并从SIMOTION取得驱动的实时信息。
图1 STS硬件组态图图2 SIMOTION D系统组态图SIMOTION D把起重机的控制划分成几个子部分，每一个部分负责起重机的一个机构。
各个机构分别是：起升机构(Hoist)，小车(Cross Travel），大车(Long Travel)，俯仰机构(Boom)，支撑/开闭机构(Holding and Closing Gear)，回转机构(Slewing Gear)。
各个机构程序的主要功能体现在二个函数库中：Crane DCC-Library (与驱动相关)和Crane FB-Library(与流程控制相关)。
根据不同用途的起重机组合使用各个机构，比如STS中就使用了起升、小车、大车、俯仰四个机构，而RMG（轨道吊）中只须使用起升、小车、大车三个机构。
各个机构的程序结构基本如下：由三个函数组成，一个函数进行PLC与SIMOTION D之间的信息交换，一个函数进行SIMOTION与SINAMICS之间的信息交换，还有一个函数进行信息处理。
3 硬件系统组态3.1 PLC的组态在硬件组态视窗中选择一个需要的PLC CPU模块，例如Antwerp项目选择CPU 319F模块，插入相应的I/O模块，然后构建一个由PROFIBUS总线组成的系统，再把需要使用的外部设备及其I/O模块挂接在总线上，将SIMOTION D及其组件组态为一个DP智能从站。
图3所示为Antwerp项目硬件组态，从中可以看到，这个系统除CPU及其包括扩展的I/O模块（ET200）和组态好的SIMOTION D站外，还有绝对值编码器、高压信息检测表、起重机状态信息显示表、重量测量系统、总线信息交换器等设备。
图3 硬件组态示意图3.2 SIMOTION D的组态SIMOTION D的组态过程是先组态SINAMICS控制器，然后组态SINAMICS驱动轴，最后组态SIMOTION 工艺轴。
下面以Antwerp项目驱动器的设置为例进行简单说明：在SCOUT软件中，如图4(a)所示，先在控制器SINAMICS下插入驱动器（Insert drive）,然后按照提示一步一步对驱动器的类型（伺服还是矢量），控制模式，所接入的电机型号，所接入的编码器型号，通讯格式等进行设置。
设置好后系统会生成一个完整的驱动系统。
然后，按此步骤设置好其它的驱动系统。
每一个SINAMICS控制器最多可以配置4个驱动。
在Antwerp项目中总共使用了三个SINAMICS控制器，一个是集成在SIMOTION D中的，另两个通过DRIVE-CLiQ接入SIMOTION D控制器。
这三个控制器总共配置了八个驱动轴，如图4(b)所示为其中的一个控制器配置的三个驱动轴。
配置好后可以通过SINAMICS下的Topology查看该控制器及其所连接的设备的拓扑结构图。
(a) (b)(c) (d)图4 SIMOTION D 组态示意图驱动轴配置好后再配置工艺轴，将配置好的驱动都连接到适当的工艺轴上，SIMOTION通过对工艺轴的控制来控制驱动。
如图4(c)所示，在AXES下插入轴（Insert axis）,然后选择控制模式（速度、位置、同步），然后按照提示一步一步设置轴的类型（直线轴还是旋转轴）（电气轴、压力轴还是虚轴），电机类型（标准电机还是直线电机），轴测量系统所使用的单位（如长度m、mm、km、ft等，时间s、min、h等，加速度m/s等，加加速度，角度等），编=码器测量方式，选择驱动轴，通讯格式，使用哪个编码器及编码器类型等。
设置好后一个轴就配置好了。
注意在这个配置之后有些内容在配置结束以后是不能更改的，例如控制模式，编码器测量方式。
如果一定要改，只能删掉工艺轴并重新配置。
在Antwerp 项目中总共配置了八个工艺轴轴，如图4(d)所示。
在SIMOTION D中，还可以设置其它工艺轴。
例如实现主-从控制的轴。
4 控制结构工艺轴配置好后，下一步就是如何控制这些轴。
只要这些轴按照要求动作，就完成了起重机的相关功能。
例如对起升工艺轴的控制就完成了起升功能。
下面看看工艺轴的结构。
每一个工艺轴都对应一个MCC单元和DCC单元。
每一个MCC 单元中都具有两个MCC程序。
一个程序执行周期较长，它和PLC通讯；另一个程序执行周期较短，它和SINAMICS通讯，并设一个单独的MCC单元对当前轴的状态进行监控。
在这些程序中，根据控制的需求调用库“Crane FB-Library”中的功能块。
除了小车、大车和主从力矩控制中的从机，所有工艺轴的结构基本相同。
但不管怎样都是在MCC 程序中调用其他功能块（库中的功能块），且调用结构形式相同。
下面以在Antwerp项目中起升和大车的单元结构为例进行说明。
图5 慢周期起升机MCC程序结构图6 慢周期大车机构MCC程序结构图5所示为慢周期起升机构MCC程序的结构，图6所示为慢周期大车机构MCC程序的结构。
可以看出，两个单元结构略有不同。
各功能块的作用：Receive S7: 从SIMATIC S7接收数据。
这些数据会在DCC中进一步处理。
Control Axis: 设置驱动对象和工艺对象中的控制字和状态字。
Traction Control: 读取电机编码器和外部编码器的实际速度。
其结果在DCC中继续处理。
Operation Mode: 管理操作模式和执行运动指令。
Error Priority: 读取工艺对象、驱动对象和功能块的故障和报警。
Send S7: SIMOTION发送数据到SIMATIC S7。
图7为快周期各机构MCC程序的结构，各个机构的单元结构都是一样的。
各功能块的作用：Receive Sinamics: 读取驱动器的数据到SIMOTION。
Send to Sinamics: SIMOTION发送数据到驱动器。
DCC单元的功能：根据各种条件计算速度、加速度、计算最终发送到驱动器的数据。
图7 快周期各机构MCC程序结构5 附加功能及发展为了适应技术的发展和起重机的新要求，在系统中附加了一些辅助的功能，将来可能成为基本功能，如防摇系统。
随着时代的发展，将来可能有更多更好的功能加入其中，比如起重机自动运行系统，模式识别功能。
不久的将来，起重机控制系统功能必将更加强大和完善。