门式起重机PLC控制系统改造方案：实现大车小车起升机构联动控制

0 引言

门式起重机（又称龙门吊）是港口、货场、工厂车间等场所广泛应用的物料搬运设备，其核心动作由大车行走机构、小车横行机构和起升机构协同完成。在实际作业中，操作人员需要根据物料位置同时或依次操作三个机构，传统控制方式下各机构采用独立的继电器—接触器控制或单台变频器独立控制，操作台面上密布按钮和转换开关，操作步骤繁琐，对操作人员的熟练度要求极高。。也可参考本站起重机相关内容。

说起工业自动化技术的普及，以PLC为核心的控制系统已在众多起重设备中获得成功应用。本文针对现有门式起重机控制系统存在的不足，设计了一套基于PLC的联动控制改造方案，通过合理的硬件配置和软件算法，实现了”一键联动”的自动化操作模式，显著降低了操作难度，提升了作业效率。

1 原系统存在的问题与改造目标

1.1 原控制系统概况

某厂区现有20t/30m门式起重机一台，原控制系统采用传统继电器控制系统，大车机构配置两台15kW绕线式异步电动机转子串电阻调速，小车机构配置两台5.5kW电动机，起升机构配置一台30kW电动机。各机构通过操作室内的凸轮控制器直接控制接触器，实现电机的正反转和调速。该控制系统存在以下突出问题：

1. 操作复杂：操作员需同时关注大车前进/后退、小车左行/右行、起升上升/下降三个维度，频繁操作三个凸轮控制器，劳动强度大；
2. 调速性能差：转子串电阻调速为有级调速，启停冲击大，机械制动磨损严重；
3. 缺乏保护联动：各机构独立控制，缺乏负载—速度—位置的关联判断，容易发生误操作导致吊物摇摆剧烈；
4. 维护成本高：继电器触点多、接触器频繁动作，故障率高，备件消耗大。

1.2 改造目标

本次改造确定的总体目标为：

2 系统架构设计

基于上述目标，本方案采用”PLC + 变频器 + HMI”的三层控制架构，其系统结构如图1所示。

图1 多机构联动PLC控制系统架构图（大车/小车/起升变频器→PLC→HMI）

2.1 硬件选型

控制系统核心硬件选型如下：

3.2 联动控制算法

在联动模式下，PLC采用”分段规划—协调调速”的策略来实现多机构协同控制：

1. 路径规划：根据当前坐标（X₀, Y₀, Z₀）和目标坐标（X₁, Y₁, Z₁），PLC自动分解为三段运动：先水平移动（大车+小车同时动作），再垂直升降（起升动作），或按预设的安全策略（如”先升后移”）执行。
2. 速度协调：PLC根据各轴移动距离的比例关系，按”最慢轴优先”原则计算各变频器的频率给定值，确保各机构同时启动、同时到达，实现最高的水平/垂直协同效率。速度给定值通过PROFINET周期性通信写入各变频器。
3. 位置闭环：在每个控制周期（通常为100ms），PLC比较各机构的实际位置（由编码器反馈）与计划位置，采用增量式PID调节器对变频器输出频率进行微调，消除累积误差。
4. 安全联锁：联动模式下，系统自动激活以下联锁保护功能：起升高度限位与小车大车运动的互锁、负载超重时禁止大车快速移动（防倾覆）、门限开关关联急停等。

4 PLC程序设计与HMI组态

4.1 PLC程序结构

PLC程序采用模块化设计，主要功能块（FC）包括：

主程序OB1按固定周期（Cycle Time = 100ms）循环调用上述功能块，确保控制的实时性和确定性。

4.2 HMI组态设计

HMI触摸屏设计了三个主画面：

• 主控画面：显示各机构当前运行状态（运行/停止、方向、速度、电流），提供模式切换按钮和单动操作按钮。顶部设状态指示灯条，实时显示系统报警信息。
• 联动控制画面：数字输入框用于输入目标三维坐标，点击”启动联动”按钮后实时显示各机构运行进度条和预计剩余时间。提供”急停”和”暂停/恢复”按钮。
• 参数设置画面：设置各轴最大速度、加减速时间、PID参数（Kp, Ki, Kd）、限位值等运行参数，具有三级密码保护（操作员/工程师/管理员）。

5 改造效果与效率对比

为评估联动控制的实际效果，笔者在某货场进行了实际作业测试。选取典型的”从堆场A区取货移至装车区”作业流程，分别采用手动单动控制和PLC联动控制两种模式进行对比测试，每种模式测试20次，取平均耗时。对比结果如图2所示。

图2 手动单动控制与PLC联动控制的作业效率对比图

测试结果表明：在短距离搬运（<30m）场景中，联动控制的单次作业耗时约为手动控制的60%~65%；在长距离搬运（50~80m）场景中，联动控制的效率优势更为明显，单次作业耗时仅为手动控制的45%~50%。操作员反馈联动控制模式下操作强度大幅降低，平均培训时间从原来的2周缩短至2天。

此外，联动控制模式下，由于PLC自动执行平滑的速度曲线和准确的定位算法，吊物摇摆幅度由原来的±500mm减小到±80mm以内，显著提升了作业安全性和精准度。

6 结语

本文提出的门式起重机PLC控制系统改造方案，通过”PLC + 变频器 + HMI”的系统架构，实现了大车行走、小车横行、起升升降三个机构的单动/联动可切换控制。改造后的系统具有以下显著优势：

1. 各机构无级调速，启停平稳，有效避免了机械冲击；
2. 联动控制模式大幅简化了操作流程，提高了作业效率；
3. 完善的联锁保护功能增强了系统安全性；
4. HMI触摸屏的人机交互界面提升了设备可操作性和可维护性。

该方案已在实际应用中验证了其可靠性和经济性，对于同类老旧门式起重机的自动化改造具有较高的参考价值和推广意义。

参考文献

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3. SIEMENS AG. S7-1200 System Manual[Z]. 2022.
4. 刘伟, 赵刚. 多电机协同控制策略在起重设备中的应用[J]. 制造业自动化, 2021, 43(8): 112-116.
5. 徐海峰. 基于PROFINET的起重机控制系统通信设计[J]. 自动化与仪表, 2022, 37(6): 55-59.

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