基于PLC的輪軌式提梁機(jī)起升機(jī)構(gòu)卷揚(yáng)機(jī)同步性運(yùn)動控制設(shè)計

文曉娟，李 偉，張君霞

(1.鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，鄭州450052;2.鄭州輕工業(yè)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，鄭州450002)

基于PLC的輪軌式提梁機(jī)起升機(jī)構(gòu)卷揚(yáng)機(jī)同步性運(yùn)動控制設(shè)計

文曉娟1，李 偉2*，張君霞1

(1.鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，鄭州450052;2.鄭州輕工業(yè)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，鄭州450002)

為了解決輪軌式提梁機(jī)起升機(jī)構(gòu)卷揚(yáng)機(jī)同步性難以實現(xiàn)的問題，針對起升機(jī)構(gòu)工作要求，制定了解決方案，設(shè)計了一種基于PLC、變頻器、光電編碼器的多卷揚(yáng)機(jī)聯(lián)動電氣控制系統(tǒng)，著重闡述了系統(tǒng)的硬件、軟件設(shè)計及模擬調(diào)試。結(jié)果表明本控制系統(tǒng)設(shè)計合理正確，實現(xiàn)了卷揚(yáng)機(jī)工作的同步性，提高了起升機(jī)構(gòu)工作的可靠性、穩(wěn)定性。

提梁機(jī);同步性;PLC;變頻器;光電編碼器

隨著現(xiàn)代科技的高速發(fā)展，以PLC為控制核心的自動控制系統(tǒng)在各種起重機(jī)械中得到廣泛應(yīng)用，其中大部分應(yīng)用都集中在起重機(jī)械基本功能的實現(xiàn)。輪軌式提梁機(jī)是我國高速鐵路干線建設(shè)至關(guān)重要的施工設(shè)備之一，主要用于高架橋建設(shè)中900噸箱梁的吊裝。由于提梁機(jī)工作現(xiàn)場條件復(fù)雜，且起升機(jī)構(gòu)負(fù)載較重，在多吊鉤聯(lián)動時難以實現(xiàn)卷揚(yáng)機(jī)的同步性，造成載荷重心偏轉(zhuǎn)失控現(xiàn)象。本設(shè)計采用PLC、變頻器及光電編碼器等自動控制技術(shù)，實現(xiàn)了起升機(jī)構(gòu)卷揚(yáng)機(jī)的閉環(huán)自動控制，保證了多吊鉤聯(lián)動的同步性，提高了提梁機(jī)的工作性能［1-4］。

1 起升機(jī)構(gòu)多吊聯(lián)動卷揚(yáng)機(jī)同步性控制策略

起升機(jī)構(gòu)多卷揚(yáng)機(jī)同步控制屬于交流電動機(jī)的閉環(huán)控制，又稱反饋控制，實質(zhì)是利用負(fù)反饋的作用來減少系統(tǒng)的誤差機(jī)構(gòu)。閉環(huán)控制系統(tǒng)中，控制信號經(jīng)計算比較，通過執(zhí)行部件至被控對象，然后又經(jīng)過測量部件反饋回來，形成一個閉路傳遞。偏差信號作用于控制器上，使系統(tǒng)的輸出量趨向于給定的數(shù)值。其原理框圖見圖1所示。

圖1 按偏差調(diào)節(jié)的閉環(huán)控制系統(tǒng)原理方框圖

起升機(jī)構(gòu)采用4臺變頻器分別驅(qū)動4臺卷揚(yáng)機(jī)的變頻電機(jī)，各臺變頻電機(jī)上采用帶光電編碼器反饋的閉環(huán)控制。當(dāng)產(chǎn)生控制信號時，PLC控制系統(tǒng)結(jié)合變頻器向交流電動機(jī)發(fā)出具體信號，使得電動機(jī)按照具體頻率運(yùn)轉(zhuǎn)，經(jīng)由傳動系統(tǒng)實現(xiàn)提升機(jī)構(gòu)卷揚(yáng)機(jī)吊鉤的運(yùn)動。在電動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，與電動機(jī)同軸安裝的光電編碼器需檢測電動機(jī)實際轉(zhuǎn)動角位移，經(jīng)由內(nèi)部信號處理電路，以脈沖的形式向PLC控制系統(tǒng)反饋電動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)相關(guān)數(shù)據(jù)，由PLC控制系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進(jìn)行比較和處理，結(jié)合變頻器向電動機(jī)發(fā)出新的運(yùn)行信號，消除多臺電機(jī)運(yùn)行誤差，即可實現(xiàn)多臺卷揚(yáng)機(jī)的同步運(yùn)行［5-6］。

2 PLC控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 控制系統(tǒng)組成

輪軌式提梁機(jī)起升機(jī)構(gòu)PLC控制系統(tǒng)由PLC硬件系統(tǒng)、PLC軟件系統(tǒng)、變頻器、增量式光電編碼器、儀表系統(tǒng)(開關(guān)與保護(hù)信號)組成，其構(gòu)成如圖2所示。

圖2 PLC控制系統(tǒng)框圖

系統(tǒng)采用PLC、變頻器、增量式光電編碼器作為控制核心，對卷揚(yáng)機(jī)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)進(jìn)行控制和調(diào)節(jié)。當(dāng)工作現(xiàn)場出現(xiàn)超載、超速、超風(fēng)速、超限位等情況時，相關(guān)傳感器提供的保護(hù)信號將終止機(jī)構(gòu)的運(yùn)行［7］。

2.2 硬件配置

(1)PLC采用松下電工的FP0型號，該控制器掃描速度高，可擴(kuò)展至128位IO點，能滿足控制系統(tǒng)所需求的輸入、輸出點數(shù)量;且內(nèi)置4通道高速計數(shù)器，可結(jié)合光電編碼器滿足四臺卷揚(yáng)機(jī)聯(lián)動時對電動機(jī)同步性運(yùn)轉(zhuǎn)的控制;

(2)變頻器采用西門子MM440型通用變頻器，具有低速高轉(zhuǎn)矩輸出、良好的動態(tài)特性和過載能力強(qiáng)等特點，特別適合于起重機(jī)械。本設(shè)計中利用操作面板設(shè)置5段固定頻率，通過PLC程序控制變頻器5、6、7號數(shù)字量輸入端口的通斷情況來輸出相應(yīng)頻率驅(qū)動電機(jī)運(yùn)行。

(3)增量式光電編碼器選用GSX型，在電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時輸出單路脈沖信號至PLC高速計數(shù)器通道，提供電機(jī)運(yùn)行狀況的反饋信號［8-9］。

2.3 配置I/O

依據(jù)系統(tǒng)的各個控制功能的需求，定義和分配PLC的I/O端子，具體見表1。它們當(dāng)中輸入信號一共有59點，輸出信號一共有55點。

表1 輸入/輸出地址分配

3 PLC控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 模塊功能

依據(jù)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計和起升機(jī)構(gòu)的工作過程，控制系統(tǒng)軟件運(yùn)用結(jié)構(gòu)化和模塊化的設(shè)計。系統(tǒng)軟件中雙吊聯(lián)動與4吊聯(lián)動運(yùn)行模塊涉及同步性控制。主要內(nèi)容如下:

(1)雙吊聯(lián)動運(yùn)行模塊:通過調(diào)用PLC雙吊聯(lián)動子程序來實現(xiàn)兩卷揚(yáng)機(jī)聯(lián)動，由兩個單吊運(yùn)行程序和同步性控制程序組成。此模塊功能為實現(xiàn)雙吊聯(lián)動時兩卷揚(yáng)機(jī)電動機(jī)的同步、同速運(yùn)行。

(2)4吊聯(lián)動運(yùn)行模塊:通過調(diào)用PLC4吊聯(lián)動子程序來實現(xiàn)四卷揚(yáng)機(jī)聯(lián)動，由4個單吊運(yùn)行程序和同步性控制程序組成。此模塊功能為實現(xiàn)4吊聯(lián)動時四卷揚(yáng)機(jī)電動機(jī)的同步、同速運(yùn)行。

3.2 程序運(yùn)行流程圖

軟件方面采用模塊化編程思路，以4吊聯(lián)動模塊為例，確定PLC程序運(yùn)行流程圖，如圖3所示。

控制系統(tǒng)工作時，根據(jù)PLC程序內(nèi)容，變頻器輸出相關(guān)頻率驅(qū)動卷揚(yáng)機(jī)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，與電機(jī)同軸相連的光電編碼器輸出連續(xù)脈沖至PLC高速計數(shù)器通道，數(shù)值保存在PLC相關(guān)內(nèi)部寄存器里。對比4組內(nèi)部寄存器值來確定最大值以表示目前運(yùn)行超前的卷揚(yáng)機(jī)電機(jī)，通過PLC程序，將其余3臺電動機(jī)變頻器狀態(tài)調(diào)整為輸出高一級的電流頻率，驅(qū)動3臺滯后電機(jī)更快速度運(yùn)行。直至4數(shù)據(jù)寄存器值相等，表示4卷揚(yáng)機(jī)電機(jī)保持同步運(yùn)轉(zhuǎn)，通過程序，將4電機(jī)變頻器輸出頻率調(diào)整為初始設(shè)定值，此時四臺卷揚(yáng)機(jī)電機(jī)保持同步、同速運(yùn)轉(zhuǎn)。

圖3 4吊聯(lián)動模塊的程序運(yùn)行流程圖

3.3 梯形圖

PLC程序控制部分的局部梯形圖，如圖4所示。

圖4 控制系統(tǒng)局部梯形圖

4 模擬調(diào)試

利用實驗室設(shè)備對控制系統(tǒng)硬件、軟件設(shè)計進(jìn)行模擬調(diào)試。由于I/O部分接口眾多不便全部顯示，現(xiàn)將部分模擬調(diào)試面板顯示如圖5所示。左邊部分為部分PLC輸入、輸出端口，右邊為FP0-C32型PLC。硬件接線正確后，利用個人計算機(jī)通過RS232數(shù)據(jù)接口可將程序傳輸給PLC。

圖5 部分模擬調(diào)試面板

下面以4吊聯(lián)動程序為例說明模擬調(diào)試過程。模擬調(diào)試過程分兩種情況:①對PLC高速計數(shù)器四通道數(shù)據(jù)寄存器DT9044、DT9048、DT9104、DT9108寫入不同初始值，表示4吊卷揚(yáng)機(jī)電機(jī)光電電編碼器反饋的脈沖值不同，即4吊不同步，PLC執(zhí)行程序后通過輸出判斷是否保持最高設(shè)定值所屬變頻器輸出頻率不變，而其他變頻器以高一級頻率輸出;②對四通道數(shù)據(jù)寄存器寫入相同初始值，表示4吊同步，通過程序輸出判斷是否保持4吊變頻器原有設(shè)定頻率不變。即可模擬同步程序是否功能正確。4吊聯(lián)動模擬調(diào)試結(jié)果見表2所示。

表2 4吊聯(lián)動程序模擬調(diào)試結(jié)果

模擬結(jié)果顯示:4吊聯(lián)動子程序的執(zhí)行符合前述對4吊聯(lián)動運(yùn)行的控制要求。

5 結(jié)束語

將PLC、變頻器和光電編碼器技術(shù)融合在一起，用于輪軌式提梁機(jī)起升機(jī)構(gòu)卷揚(yáng)機(jī)同步性控制系統(tǒng)，簡化了電氣控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了機(jī)、電一體化的控制。充分利用PLC硬、軟件資源進(jìn)行模擬調(diào)試，結(jié)果表明控制系統(tǒng)PLC軟、硬件設(shè)計正確，程序執(zhí)行能夠滿足提梁機(jī)起升機(jī)構(gòu)卷揚(yáng)機(jī)同步性的工作需求，可應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場。本系統(tǒng)解決了原有系統(tǒng)中故障率高、電機(jī)同步性難以實現(xiàn)、可靠性低等缺點，具有很大的推廣應(yīng)用價值。

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W inding Engine for Wheel-Rail Beam Gantry Crane Hoisting Mechanism Based on PLC a Synchronism M otion Control Design

WEN Xiaojuan1，LIWei2*，ZHANG Junxia1
(1.Zhengzhou Railway Vocational and Technical College，Zhengzhou 450052，China; 2.Zhengzhou Light Industry School，Electromechanical Engineering Department，Zhengzhou 450002，China)

In order to solve the problem to complete synchronization of wheel-rail Gantry Crane hoisting mechanism，based on theworking requirementofhoistingmechanism，we design amulti-hoistganged electrical control system comprising PLC，frequency converter，photoelectric encoder.Hardware，software in the design and simulation debugging are expounded in detail.The results of experiment show that the control system design is appropriate，implements the hoistwork of synchronicity，improve the reliability，stability of hoistingmechanism.

beam gantry;synchronism;PLC;frequency converter;photoelectric encoder

10.3969/j.issn.1005-9490.2014.01.030

U445.32;TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:1005-9490(2014)01-0127-04

2013-04-21修改日期:2013-05-19

EEACC:7210

文曉娟(1982-)，女，講師，碩士，河南西平縣人，鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系教師，研究方向為機(jī)械研究與設(shè)計，PLC系統(tǒng)研究與設(shè)計，wenxiaojuan198255@163.com;

張君霞(1979-)，女，講師，碩士，鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系教師。研究方向為機(jī)械研究與設(shè)計，PLC系統(tǒng)研究與設(shè)計。

李 偉(1957-)，男，教授，碩士，鄭州輕工業(yè)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院教學(xué)副院長，河南省機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)協(xié)會理事。研究方向為機(jī)械研究與設(shè)計，PLC系統(tǒng)研究與設(shè)計;