■应知点:

1.了解西门子S7－200 PLC系统的扩展配置。

2.了解西门子USS协议应用基本概念。

3.了解20/5 t桥式起重机电气控制线路的PLC改造方法。

4.了解起重机变频器调速系统中防止滑钩现象的处理方法。

■应会点:

1.掌握桥式起重机电气控制线路PLC改造的I/O分配及接线。

2.掌握桥式起重机电气控制线路PLC改造的软件逻辑设计及调试。

一、任务简述

桥式起重机作为物料搬运机械在整个国民经济中有着十分重要的地位。经过几十年的发展，我国桥式起重机制造厂和使用部门在设计、制造工艺、设备使用维修、管理方面，不断积累经验，不断改造，推动了桥式起重机的技术进步。但在实际使用中，结构开裂仍时有发生。究其原因是频繁的超负荷作业及过大的机械振动冲击所引起的机械疲劳。因此，除了机械上改进设计外，改善交流电气传动，减少起制动冲击，也是一个很重要的方面。由于传统桥式起重机的电控系统采用转子回路串接电阻进行有级调速，致使机械冲击频繁，振动剧烈，因此电气控制上应采用平滑的无级调速是解决问题的有效手段。

针对桥式起重机控制系统中存在的上述问题，把PLC控制的变频拖动系统应用于桥式起重机控制系统上，使得起重机的整体特性得到较大提高，解决了传统桥式起重机控制系统存在的诸多问题。

二、相关知识

(一)S7－200的扩展配置

当主机单元模板上的I/O点数不够时，或者涉及模拟量控制时，除了CPU221外，可以通过增加扩展单元模板的方法，对输入/输出点数进行扩展，这就涉及扩展配置问题。

S7－200的扩展配置是由S7－200的基本单元(CPU222、CPU224和CPU226)和S7－200的扩展模块组成，如图8－13所示。其扩展模块的数量受两个条件约束。一个条件是基本单元能带扩展模块的数量，另一个条件是基本单元的电源承受扩展模块消耗5V DC总线电流的能力。

1.S7－200扩展配置的地址分配原则

图8－13　S7－200的扩展配置

S7－200的扩展配置的地址分配原则有两点:第一是数字量扩展模块和模拟量模块分别编址。数字量输入模块的地址要冠以字母“I”，数字量输出模块的地址要冠以字母“Q”，模拟量输入模块的地址要冠以字母“AI”，模拟量输出模块的地址要冠以字母“AQ”；第二是数字量模块的编址是以字节为单位，模拟量模块的编址是以字为单位(即以双字节为单位)。地址分配是从最靠近CPU模块的模块开始从左到右按字节递增。输入地址按字节连续递增，输入字节和输出字节可以重号。模拟量模块的地址从最靠近CPU模块的模拟量模块开始从左到右地址按字递增，模拟量输入和模拟量输出字可以重号。

2.由CPU224组成的扩展举例

由CPU224组成的扩展配置可以由CPU224基本单元和最多7个扩展模块组成，CPU224可以问扩展单元提供的5V DC电流为660mA。

如果扩展单元是由4个16点数字量输入/16点数字量输出继电器输出的EM223模块和2个8点数字量输入的EM221模块构成。CPU224可以提供5VDC电流660mA。而4个EM223模块和2个EM221模块消耗5VDC总线电流为660 mA，可见扩展模块消耗的5VDC总电流等于CPU222可以提供5VDC电流。故这种组态还是可行的。此系统共有94点输入，74点输出。如果扩展模块的连接顺序是从CPU224开始分别为4个EM223模块，而第5个和第6个模块为EM221。

CPU224基本单元的I/O地址:

输入点地址为:I0.0~I0.7、I1.0~I1.5。

输出点地址为:Q0.0~Q0.7、Q1.0、Q1.1。

第1个扩展模块EM223的I/O地址:

输入点地址为:I2.0~I2.7、I3.0~I3.7。

输出点地址为:Q2.0~Q2.7、Q3.0~Q3.7。

第2个扩展模块EM223的I/O地址:

输入点地址为:I4.0~I4.7、I5.0~I5.7。

输出点地址为:Q4.0~Q4.7、Q5.0~Q5.7。

第3个扩展模块EM223的I/O地址:

输入点地址为:I6.0~I6.7、I7.0~I7.7。

输出点地址为:Q6.0~Q6.7、Q7.0~Q7.7。

第4个扩展模块EM223的I/O地址:

输入点地址为:I8.0~I8.7、I9.0~I9.7。

输出点地址为:Q8.0~Q8.7、Q9.0~Q9.7。

第5个扩展模块EM221的I/O地址:

输入点地址为:I10.0~I10.7。

第6个扩展模块EM221的I/O地址:

输入点地址为:I11.0~I11.7。

(二)USS协议应用基本概念

在工业控制中，交流电机的拖动控制越来越多地采用变频器完成。由于变频器输出侧的高次谐波成分，在实际工程实施时，变频器与控制核心分装于两个控制柜中。变频器的启动、停止、方向、告警、故障指示以及故障复位通常使用开关量控制，速度控制采用模拟量给定完成，由于受现场的电磁干扰，有时会造成误动作的情况。随着基于现场总线的底层控制网络的发展，许多电气传动的生产厂家推出了具有数据通信功能的产品，一般采用基金会总线、LonWorks、PROFIBUS、CAN等总线等，以方便系统组态，但一般作为附件需要另外购置。大多数厂商采用RS485通信接口，用于系统配置和监控。作为低成本的连接方案，采用基于RS485通信接口对有关拖动设备进行控制，无疑是具有吸引力的选择。

1.USS协议简介

USS协议(Universal Serial Interface Protocol通用串行接口协议)是SIEMENS公司所有传动产品的通用通信协议，它是一种基于串行总线进行数据通信的协议，通信介质采用RS－485屏蔽双绞线，最远通讯距离可达1000m。USS协议是主－从结构的协议，规定了在USS总线上可以有一个主站和最多30个从站；总线上的每个从站都有一个站地址(在从站参数中设定)，主站依靠它识别每个从站；每个从站也只对主站发来的报文做出响应并回送报文，从站之间不能直接进行数据通信。另外，还有一种广播通讯方式，主站可以同时给所有从站发送报文，从站在接收道报文并做出相应的响应后可不回送报文。USS通信协议可支持变频器与PC或PLC之间建立通信连接，常适合于规模较小的自动化系统。

2.使用USS协议的优点

(1)USS协议对硬件设备要求低，减少了设备之间布线的数量。

(2)无须重新布线就可以改变控制功能。

(3)可通过串行接口设置来修改变频器的参数。

(4)可连续对变频器的特性进行监测和控制。

(5)利用S7－200 CPU组成USS通信的控制网络具有较高的性价比。

3.USS通信硬件连接

(1)通信注意事项。

①条件许可的情况下，USS主站尽量选用直流型的CPU(针对S7－200系列)；

②一般情况下，USS通讯电缆采用双绞线即可(如常用的以太网电缆)，如果干扰比较大，可采用屏蔽双绞线；

③在采用屏蔽双绞线作为通讯电缆时，把具有不同电位参考点的设备互连会在互连电缆中产生不应有的电流，从而造成通讯口的损坏。要确保通讯电缆连接的所有设备，或是共用一个公共电路参考点，或是相互隔离的，以防止不应有的电流产生。屏蔽线必须连接到机箱接地点或9针连接的插针1。建议将传动装置上的0V端子连接到机箱接地点。

④尽量采用较高的波特率，通信速率只与通讯距离有关，与干扰没有直接关系；

⑤终端电阻的作用是用来防止信号反射的，并不用来抗干扰。如果在通讯距离很近，波特率较低或点对点的通讯的情况下，可不用终端电阻。多点通讯的情况下，一般也只需在USS主站上加终端电阻就可以取得较好的通讯效果；

⑥当使用交流型的CPU22X和单相变频器进行USS通讯时，CPU22X和变频器的电源必须接成同相位；

⑦建议使用CPU226(或CPU224＋EM277)来调试USS通讯程序；

⑧不要带电插拔USS通讯电缆，尤其是正在通讯过程中，这样极易损坏传动装置和PLC的通讯端口。如果使用大功传动装置，即使传动装置掉电后，也要等几分钟，让电容放电后，再去插拔通讯电缆。

(2)S7－200与MM440变频器的连接。

将MM440的通信端子为P＋(29)和N－(30)分别接至S7－200通信口的3号与8号针即可，S7－200通信接口的引脚分配如表8－3所示。

表8－3　S7－200通信接口的引脚分配

4.USS通讯指令简介

使用USS指令，首先要安装指令库，正确安装结束后，打开指令树中的“库”项，出现多个USS协议指令，且会自动添加一个或几个相关的子程序。USS协议指令库包括预先组态好的子程序和中断程序，这些子程序和中断程序都是专门为通过USS协议与驱动通讯而设计的。通过USS指令，就可控制不同的物理驱动(例如变频器)，并读/写驱动参数。编程时，在STEP7－Micro/WIN指令树的库文件夹中找到这些指令并选择一个USS指令，系统会自动增加一个或多个相关的子程序。STEP 7－Micro/WIN指令库提供了8条指令来支持USS协议，它们分别是:

(1)USS－INIT指令。该指令用来使能、初始化或禁物理驱动的通讯。USS－INIT指令必须无错误地执行后，才能够执行其他的USS指令。指令完成后，在继续进行下一个指令之前，其“Done”位立即被置位。

(2)USS＿CRTL指令。USS－CRTL指令用于控制被激活的物理驱动器，该指令将选择的命令放到通讯缓冲区内，如果某物理驱动器已经被USS＿INIT指令激活，则此命令中的驱动参数将被发送该物理驱动中。对于每一个驱动只能使用一个USS＿CRTL指令。

(3)USS＿RPM＿x指令。USS＿RPM＿x指令是USS协议的读指令，共有三个用条:USS＿RPM＿W指令，读取一个无符号字类型的参数；USS＿RPM＿D指令，读取一个无符号双字类型的参数；USS＿RPM＿R指令，读取一个浮点数类型的参数。对于读指令，同时只能有一个被激活。

(4)USS＿WPM＿x指令。USS＿WPM＿x指令是USS协议的写指令，也有三个用条:USS＿WPM＿W指令，写一个无符号字类型的参数；USS＿WPM＿D指令，写一个无符号双字类型的参数；USS＿WPM＿R指令，写一个浮点数类型的参数。对于写指令，同时只能有一个被激活。

5.使用USS协议的步骤

(1)安装指令库后在STEP7－Micro/win32指令树的/指令/库/USSProtocol文件夹中将出现8条指令，用它门来控制变频器的运行和变频器参数的读写操作，这些子程序是西门子公司开发的，用户不需要关注这些指令的内部结构，只需要在程序中调用即可。

(2)调用USS＿INIT初始化改变USS的通讯参数，只需要调用一次即可，在用户程序中每一个被激活的变频器只能用一条USS＿CTRL指令，可以任意使用USS＿RPM＿x或USS＿WPM＿x指令，但是每次只能激活其中的一条指令。

(3)为USS指令库分配V存储区。在用户程序中调用USS指令后，用鼠标点击指令树中的程序块图标，在弹出的菜单中执行库内存命令，为USS指令库使用的397个字节的V存储区指定起始地址。

(4)用变频器的操作面板设置变频器的通讯参数，使之与用户程序中所用的波特率和从站地址相一致。

三、应用实施

(一)20/5 t桥式起重机电气控制的PLC改造设计

对20/5 t桥式起重机进行PLC改造设计，具体方案为:拆除原桥式起重机的所有凸轮控制柜、主令控制柜及3个电阻箱，增设主副起升控制柜，大小车控制柜及PLC控制柜，实现主、副起升，大、小车运行均为变频调速的全变频调速系统。

20/5 t桥式起重机车由大车运行机构、小车运行机构和升降运行机构所组成。小车运行机构和升降运行机构各为一台电动机驱动，大车运行机构为两台电动机驱动，升降机构有主钩和副钩之分，主钩和副钩各用一台电动机，因此整个起重机电力拖动系统共有5台电动机驱动运行。为了保证各机构运行互不影响，提高起重机电力拖动系统的稳定性、可靠性和安全性，保证起重机在起吊时正常工作，采用4台变频器拖动，并由1台PLC进行控制的硬件结构，其电气系统框图如图8－14所示。

图8－14　20/5 t桥式起重机电气控制PLC改造系统框图

变频器为电动机提供频率可调节的交流电源，是实现电动机速度调节的关键设备。大车、小车是普通反抗性负载，可以配用普通型或高功能型变频器，而主钩及副钩是位能性负载，应配用可实现四象限运行的矢量控制型变频器。由于大、小车本身有较大的惯性，可能出现电机被倒拖而处于发电状态产生过电压。另外，起重机放下重物时，由于重力作用电动机将处于再生制动状态，拖动系统的动能要反馈到变频器直流电路中，使直流电压不断上升，甚至达到危险的地步。因此，各变频器需配用制动电阻，其作用就是用来消耗再生到直流电路里的能量，使直流电压保持在允许范围内。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，它不仅减少了高次谐波分量，同时也抑制输入电流峰值，有利于提高整流二极管使用寿命。改造后的变频调速系统电气原理图如图8－15所示。

图8－15　桥式起重机变频调速系统电气原理图

1.硬件系统配置

(1)PLC选型。

根据桥式起重机电气控制系统的功能要求，以及其复杂程度，从经济性、可靠性等方面来考虑，选择西门子S7－200系列PLC作为桥式起重机电气控制系统的控制主机。由于桥式起重机电气控制系统涉及较多的输入/输出端口，但其控制过程相对简单，因此选用了CPU 226作为该控制系统的主机，CPU226主机提供24个输入和16个输出共40个数字I/O点。

在桥式起重机控制系统中使用的数字量输入点比较多，因此除了PLC主机自带的I/O外，还需扩展一定数量的I/O扩展模块。因此另外采用了一个EM221输入扩展模块，所选扩展模块具有16点数字输入，可以满足控制系统输入点的要求，并且输入、输出点均有余量，能为后期扩展功能提供硬件条件。

PLC完成系统逻辑控制部分，含接受各主令电器送来的操作信号、对变频器的控制及系统的安全保护，是系统的核心。其中，PLC采用RS－485通信方式对变频器实施控制。

(2)变频器。

在该系统中，采用西门子公司的MM4系列变频器，该系列变频器是最常用也是功能较强的一种变频器，主要应用于各种工业、冶金、建筑、水利、纺织、交通等领域，性能良好，价格实惠，是一种性价比较高的变频器。该系列中的MM440变频器是一种通用变频器，能适用于一切传动系统，采用了现代先进的矢量控制系统，使得当负载突然增加时仍能保持控制的稳定性。在对变频器进行通信控制之前，需要先对变频器的参数进行设置，主要设置的参数如表8－4所示。参数可通过基本操作面板(BOP)进行设置，也可以通过PC至变频器的连接组合件，连接到RS232接口，通过随机软件STARTER调试变频器，实现参数的上传、下载以及参数备份。

表8－4　西门子MM 440变频器参数设置表

对于在此系统中所选用的四个变频器，都采用通信控制，对于不同的变频器的控制，只需要将这四台变频器进行地址编号，在程序控制当中，通过对不同地址的变频器发送控制命令，实现对不同变频器的控制。对于控制不同的变频器，改变参数P2011中的值，即可设定其地址，在此系统中，控制大车变频器的地址为1，控制小车变频器的地址为2，主钩变频器地址为3，副钩变频器地址为4。

(3)各类按钮及限位开关。

启动按钮采用触点触发式按钮，即按下接通，松开复位；急停按钮使用旋转复位按钮，按下后系统停止，旋转后自动弹起复位。

在此系统中，共用了8个限位开关:前进限位开关、后退限位开关、左移限位开关、右移限位开关、主钩上升限位开关和下降限位开关、副钩上升限位开关和下降限位开关。限位开关主要是用来控制设备在运动过程中的停止时刻和位置。

(4)电动机。

采用变频器的交流起重机各电动机，可以使用专用的变频调速起重电机，也可以用起重机原有的线绕转子电动机，即去掉其集电环、碳刷并将其转子回路短接即可。

(5)安保系统。

起重机的保护中有一个重要的手段是电源控制，当出现任何意外时，首先是断开起重机的电源，这时起重机各环节的电磁抱间发挥制动作用，保障设备及人身安全，这套机制在采用变频器之后仍将保留。另外，由于变频器内部本身具有短路、过压、缺相、失压、过流、超速、接地等各种保护功能，因此改造时可以去掉各热继电器和过流继电器。当变频器出现短路、过流等故障时，变频器给出故障信号输入PLC，并停止输出，PLC接到故障信号后，切断变频器电源，控制制动器抱闸，并发出报警信号。

2.PLC系统I/O地址的分配

根据系统的功能要求，对PLC的I/O进行配置，具体分配介绍如下。

(1)数字量输入部分。

在此控制系统中，所需要的输入量基本上都属于数字量，主要包括各种控制按钮、旋钮和各种限位开关，共有34个数字输入量，如表8－5所示。

表8－5　PLC各输入点的地址分配表

(2)数字量输出部分。

在这个控制系统中，输出控制的设备很少，只有4个控制电磁制动器的接触器，对于各电动机的起动、停止以及正反转，可以通过控制相应的变频器实现，因此输出点使用比较少，只有4个输出点，其具体分配如表8－6所示。

表8－6　PLC各输出点的地址分配表(www.daowen.com)

3.软件设计

在完成硬件设计的基础上，就可以根据起重机的控制要求，进行软件设计。软件设计采用自上而下的设计方法，需要先设计出控制系统的功能流程图，然后根据具体的控制要求，逐步细化控制框图，最后完成每个功能模块的设计，然后进行编译、调试、修改过程。

根据系统的控制要求，控制过程全部在人工控制下运行，每个设备可单独运行，也可同时运行。系统可以通过按钮对大车、小车和起重机进行启停控制，并且可以通过按钮增大或减小变频器的频率来改变其速度。

(1)大车控制系统。

人工操作大车的运行、停止、加速及减速，按下启动按钮后，系统开始上电工作，其工作过程主要包括以下几个方面:

①通过按钮控制大车的运行；

②通过按钮控制大车的停止；

③通过按钮控制大车的加速；

④通过按钮控制大车的减速；

⑤前进限位开关防止大车向前运行超出范围；

⑥后退限位开关防止大车向后运行超出范围。

以上工作过程并不是顺序控制方式，而是按照PLC检测到按钮状态进行启停及运转控制，大车控制系统流程图如图8－16所示。

图8－16　大车控制系统流程图

(2)小车控制系统。

人工操作小车的工作过程与大车控制相似，其控制系统流程图如图8－17所示。

图8－17　小车控制系统流程图

(3)升降机控制系统。

人工操作升降机(主钩或副钩)的工作过程与大车控制相似，其控制流程图如图8－18所示。

图8－18　升降机控制流程图

(4)升降机悬停控制系统。

对升降机实施控制的过程中，在电磁制动器抱住之前和松开之后，容易发生重物由停止状态下滑的现象，即溜钩现象。发生此现象的原因就是电磁制动器在通电到断电或者断电到通电是需要时间的，大约为0.6s。解决办法是通过检测变频器的反馈来防止溜钩的发生，下面是两种情况下发生溜钩现象的解决思路:①重物悬停过程。设定一个停止频率，当变频器的工作频率下降至该频率时，变频器输出一个频率达到的信号，发出启动电磁制动器运行的指令，然后延时一段时间，该时间应略大于电磁制动器完全抱住重物所需时间，使得电磁制动器抱住重物，最后将变频器的频率降低到零；②重物悬空启动过程。设定一个上升起动频率，当变频器工作频率上升至该频率时，暂停上升，变频器输出一个频率到达的信号，发出停止电磁制动器运行的指令，然后延迟一段时间，该时间略大于电磁制动器完全松开重物所需时间，使得电磁制动器松开重物，变频器工作频率逐渐升高至所需频率。

升降机包括主钩及副钩，其控制方法完全相同，其工作过程主要包括以下几个方面:

①重物停止时，变频器频率逐渐降低，下降至某设定值后，停止下降，启动定时器；

②定时到，启动电磁制动器；

③电磁制动器启动后，变频器频率降低至0Hz；

④重物启动时，变频器频率逐渐升高，上升至某设定值后，停止上升，启动定时器；

⑤定时到，停止电磁制动器；

⑥电磁制动器停止后，变频器频率逐渐上升，重物在空中启动。

以上工作过程根据重物所处的位置，并按照PLC读取的变频器参数进行控制，升降机悬停控制流程图如图8－19所示。

图8－19　升降机悬停控制流程图

(二)20/5 t桥式起重机PLC改造

程序编写

1.PLC的I/O接线图

根据控制系统的功能要求、表8－7和表8－8所示的I/0分配情况以及如图8－14所示的硬件结构框图，可设计出改造后桥式起重机控制系统的PLC硬件接线图，其接线图如图8－20所示。桥式起重机的控制方式是以按钮实现的手动控制方式。

图8－20　20/5 t桥式起重机电气控制PLC改造I/O接线图

2.各模块梯形图程序设计

在设计程序过程中，会使用到许多寄存器、中间继电器、定时器等软元件，为了便于编程及修改，在程序编写前应先列出可能用到的软元件，本系统控制程序所用软元件如表8－7所示。

表8－7　软元件设置列表

续表

续表

(1)初始化控制梯形图。

初始化控制梯形图如图8－21所示，其功能是设置升降机构的下降、上升频率阈值，并设置大车、小车、主钩、副钩变频器频率的初始值。

图8－21　初始化控制梯形图

(2)系统起动、停止控制梯形图。

系统起动、停止控制梯形图如图8－22所示。

图8－22　起动、停止控制梯形图

(3)主钩电磁制动器控制梯形图。

主钩电磁制动器控制梯形图如图8－23所示。

图8－23　主钩电磁制动器控制梯形图

(4)大车控制梯形图。

大车控制梯形图如图8－24所示，加速或减速的幅度值是5%。

图8－24　大车控制梯形图

(5)小车控制梯形图。

小车控制梯形图如图8－25所示，加速或减速的幅度值是5%。

图8－25　小车控制梯形图程序

(6)主、副钩升降控制梯形图。

主、副钩升降控制梯形图相似，在此仅给出主钩升降控制梯形图，如图8－26所示。

图8－26　主钩升降控制梯形图

(7)主、副钩悬停/起动控制梯形图

主/副钩悬停/起动控制梯形图相似，在此仅给出主钩悬停/起动控制梯形图，如图8－27所示。程序中，当主钩速度降至设定阈值时，电磁制动器将抱闸，同时系统将所设定的下降阈值送至变频器，接着开始起动定时器，定时1秒后，将变频器的频率降至0赫兹，这就是悬停控制的动作过程。当主钩需要起动时，变频器频率上升，直至到达所设定的上升阈值，此时起动定时器，定时1秒后，将阈值送至变频器，然后切断电磁制动器使其松闸，从而实现起动而防止了溜钩情况的发生。

图8－27　主钩悬停/起动控制梯形图

(8)变频器控制程序。

大车、小车、主钩及副钩变频器控制通讯梯形图分别如图8－28和图8－29所示。

四、操作技能考评

通过对本任务相关知识的了解和应用操作实施，对本任务实际掌握情况进行操作技能考评，具体考核要求和考核标准如表8－8所示。

图8－28　大车、小车变频器控制通讯梯形图

图8－29　主钩、副钩变频器控制通讯梯形图

表8－8　任务操作技能考核要求和考核标准

教学小结

1.S7－200的扩展配置的地址分配原则有两点:第一是数字量扩展模块和模拟量模块分别编址。第二是数字量模块的编址是以字节为单位，模拟量模块的编址是以字为单位(即以双字节为单位)。

2.USS协议是主－从结构的协议，规定了在USS总线上可以有一个主站和最多30个从站；总线上的每个从站都有一个站地址(在从站参数中设定)，主站依靠它识别每个从站；每个从站也只对主站发来的报文做出响应并回送报文，从站之间不能直接进行数据通信。

3.西门子变频器在使用之前需要进行相应的参数设置，只有参数配置正确，才可实现对其实施控制。

4.对升降机实施控制的过程中，在电磁制动器抱住之前和松开之后，容易发生重物由停止状态下滑的现象，即溜钩现象。解决办法是通过检测变频器的反馈来防止溜钩的发生。

5.通过USS指令可以利用变频器来控制电动机的起动、停止及正反转。

思考与练习

1.S7－200的扩展配置的地址是如何分配的?试举例说明。

2.试说明USS通讯的结构方式及其优点。

3.试述起重机系统中电动机采用转子串电阻调速的缺点。

4.试述起重机系统中电动机采用变频器调速的优点。

5.请根据软元件设置列表中的定义编写出副钩悬停/起动控制的梯形图。