橋式起重機(jī)電磁吊自動定位方案探討

李世強(qiáng)

（柳州市瑞中運鋼材儲運有限公司，廣西 柳州545002）

橋式起重機(jī)（簡稱行車）是工礦企業(yè)必不可少的重要生產(chǎn)工具之一，特別在鋼鐵企業(yè)中，為了產(chǎn)品的快捷運輸及裝卸需要，很多橋式起重機(jī)在吊鉤下安裝電磁吸盤吊具（簡稱電磁吊）來進(jìn)行鋼材吊裝作業(yè)，有效提高了生產(chǎn)效率。在對棒線鋼材進(jìn)行卸車時，為了堆放整齊、安全，需要將棒線堆放層與層之間按90°交叉碼垛，如果廠房的方向定義為0°，那么電磁吊就需要相應(yīng)在0°與90°之間頻繁調(diào)整[1]；目前電磁吊的角度調(diào)整基本是人工操作電機(jī)正反轉(zhuǎn)來進(jìn)行的，由于起重機(jī)使用鋼絲繩及吊鏈撓性工具來懸掛電磁吊，這給電磁吊的角度調(diào)整帶來很大的困難，有時需要多次反復(fù)調(diào)整才能找到合適的角度，這種操作方式的生產(chǎn)效率較低，勞動強(qiáng)度大，對行車操作工的技能有一定的要求，至少半年以上的操作經(jīng)驗，才能很好勝任棒線的90°交叉碼垛操作；隨著智能吊裝的發(fā)展，如何檢測及自動控制電磁吊的角度，需要找到合適的解決方案。

1 常用角度傳感器

要檢測電磁吊的角度位置就需要角度傳感器，角度傳感器是用來檢測與角度相關(guān)的各種參數(shù)（角位移、角加速度等）的傳感器。目前用于角度測量的傳感器有很多種，常見的有以下幾種：

（1）陀螺儀：是通過慣性原理測量角速度。陀螺儀的種類很多，按用途來分，它可以分為傳感陀螺儀和指示陀螺儀。傳感陀螺儀用于飛行體運動的自動控制系統(tǒng)中，作為水平、垂直、俯仰、航向和角速度傳感器；指示陀螺儀主要用于飛行狀態(tài)的指示，作為駕駛和領(lǐng)航儀表使用。

（2）電子羅盤：又稱數(shù)字羅盤，是通過磁電效應(yīng)測量地球磁場，能夠解算出方位角。在現(xiàn)代技術(shù)條件中電子羅盤作為導(dǎo)航儀器或姿態(tài)傳感器已被廣泛應(yīng)用。電子羅盤與傳統(tǒng)指針式和平衡架結(jié)構(gòu)羅盤相比能耗低、體積小、重量輕、精度高、可微型化，其輸出信號通過處理可以實現(xiàn)數(shù)碼顯示，不僅可以用來指向，其數(shù)字信號可直接送到自動舵，控制船舶的操縱。

（3）旋轉(zhuǎn)編碼器：也稱為軸編碼器，是將旋轉(zhuǎn)位置或旋轉(zhuǎn)量轉(zhuǎn)換成模擬或數(shù)字信號的機(jī)電設(shè)備。一般裝設(shè)在旋轉(zhuǎn)物體中垂直旋轉(zhuǎn)軸的一面。旋轉(zhuǎn)編碼器用在許多需要精確旋轉(zhuǎn)位置及速度的場合，如工業(yè)控制、機(jī)器人技術(shù)、專用鏡頭、計算機(jī)輸入設(shè)備（如鼠標(biāo)及軌跡球）等。旋轉(zhuǎn)編碼器可分為絕對型編碼器及增量型編碼器兩種。增量型編碼器也稱作相對型編碼器，利用檢測脈沖的方式來計算轉(zhuǎn)速及位置，可輸出有關(guān)旋轉(zhuǎn)軸運動的信息，一般會由其他設(shè)備或電路進(jìn)一步轉(zhuǎn)換為速度、距離、每分鐘轉(zhuǎn)速或位置的信息；絕對型編碼器會輸出旋轉(zhuǎn)軸的位置，可視為一種角度傳感器。

2 自動定位改造方案

2.1 改造前控制方式

電磁吊控制電路圖很簡單，就是用一個開關(guān)的兩個擋位來控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)；而電磁吊的橫梁長度及電磁吊下的棒線長度往往9 m以上，電磁吊及電磁吊下的吊物重量在20 t以上，電磁吊旋轉(zhuǎn)后慣性很大，需要人工進(jìn)行觀察和判斷，并反復(fù)調(diào)整旋轉(zhuǎn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)來得到合適的角度。

2.2 改造思路

要做到橋式起重機(jī)電磁吊角度自動定位，就必須知道電磁吊當(dāng)前處于什么角度狀態(tài)。用編碼器可以檢測動滑輪組與吊鉤之間角度變化，但由于起重機(jī)的動滑輪組是利用鋼絲繩牽引的，吊鉤旋轉(zhuǎn)時，鋼絲繩也受到一定的反向力，鋼絲繩受力產(chǎn)生一定的角度扭曲，扭曲的角度跟旋轉(zhuǎn)加速度及吊物慣性有關(guān)，因此使用編碼器來檢測電磁吊的偏轉(zhuǎn)角度不好實現(xiàn)。

陀螺儀的優(yōu)點是不受電磁干擾的影響，缺點是無法測量物體初始狀態(tài)的角度方向；陀螺儀是在初始上電時，將物體的角度狀態(tài)定義為0°，如果僅僅用陀螺儀來作為電磁吊的角度檢測傳感器，那么每次上電都要首先對電磁吊的角度進(jìn)行調(diào)整，很費時費力；電子羅盤的優(yōu)點是能檢測物體任何時候的角度狀態(tài)，缺點是容易受到電磁干擾，因電磁吊在吊裝時產(chǎn)生很大的電磁吸力，勢必對電子羅盤進(jìn)行強(qiáng)烈的干擾。

如果將陀螺儀和電子羅盤的優(yōu)點同時使用在橋式起重機(jī)電磁吊的角度檢測，就可以提供一種既能避免電磁吊干擾又能解決初始角度問題的方案了。

控制系統(tǒng)組成原理如圖1所示，系統(tǒng)主要由空氣開關(guān)QF1、觸摸屏、可編程控制器PLC、按鈕SB1、按鈕SB2、開關(guān)SB3、變頻器、吊鉤旋轉(zhuǎn)電機(jī)M1、電子羅盤、陀螺儀等組成；為便于操作控制，系統(tǒng)具有手動和自動兩種工作狀態(tài)，根據(jù)需要可設(shè)置手動、全自動的操作。

PLC采用的無錫信捷電氣股份有限公司生產(chǎn)型號XC2-24RT-E，14點NPN輸入，10點繼電器晶體管混合（RT）輸出，可外接擴(kuò)展BD板，可帶時鐘并對數(shù)據(jù)進(jìn)行掉電保持，支持基本的邏輯控制和數(shù)據(jù)運算，持高速計數(shù)、脈沖輸出、外部中斷、C語言編輯功能塊、I/O點的自由切換、自由格式通訊、MODBUS通訊等功能，滿足現(xiàn)場實際需要。

PLC作為主控制器，通過RS-485接口接收陀螺儀和電子羅盤采集來的角度信號，在內(nèi)部進(jìn)行程序運算，輸出控制指令，控制變頻器及相應(yīng)電氣元件動作。

變頻器作為執(zhí)行元件，接收PLC發(fā)出的指令，控制電動機(jī)按正確的方向和速度運轉(zhuǎn)。

觸摸屏作為人機(jī)對話界面，可以輸入電機(jī)速度、起始角度等參數(shù)。

現(xiàn)場傳感器使用陀螺儀和電子羅盤，陀螺儀用來來檢測角度的變化，電子羅盤用來檢測初始角度；陀螺儀安裝在電磁吊的橫梁上；電子羅盤安裝在橫梁的上方，要求距離電磁吊的線圈1 m以上，以免影響電子羅盤的檢測精度。

圖1 控制系統(tǒng)組成原理圖

PLC的輸出端Y1、Y2分別接到變頻器的S1、S2輸入端，控制變頻器的正反轉(zhuǎn)；用PLC模擬量輸出電流值A(chǔ)0+控制變頻器的輸出頻率，達(dá)到控制電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度。

2.3 工作過程

當(dāng)SB3處于中間位置時，使用手動操作模式，操作SB1、SB2可以手動控制電磁吊正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)；當(dāng)SB3處于非中間位置時，進(jìn)入自動操作模式，SB3處于左邊位置時，PLC的輸入端口X2得到控制電磁吊往平行廠房方向旋轉(zhuǎn)的信號，SB3處于右邊位置時，PLC的輸入端口X3得到控制電磁吊往垂直廠房方向旋轉(zhuǎn)的信號。

工作過程：合上空氣開關(guān)QF1后，可編程控制器PLC得電開始工作，輸出端口Y6閉合，電子羅盤得電，這時通過PLC的485端口A、B讀取安裝在電磁吊上的電子羅盤輸出的角度值θ1，完成電磁吊當(dāng)前角度位置讀取后斷開電子羅盤的輸入電源線路Y6，電子羅盤完成提供初始角度的使命；之后接通Y7，陀螺儀得電工作，這時陀螺儀初始狀態(tài)角度輸出為0°，電磁吊的角度就是為θ1；當(dāng)電磁吊角度變化時，陀螺儀開始輸出角度的變化值θ2，這時電磁吊的角度值就是θ1+θ2.假設(shè)電磁吊在平行于廠房方向的角度值為θ3，那么垂直于廠房方向的角度就是θ4=θ3+90°；當(dāng)開關(guān)SB3接通輸入端口X2時，進(jìn)入自動操作模式，PLC通過計算當(dāng)前角度與指定的角度差值，輸出Y1或Y2及模擬量電流A0+，對變頻器進(jìn)行控制，進(jìn)而控制電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向及旋轉(zhuǎn)速度，電機(jī)的旋轉(zhuǎn)帶動電磁吊的旋轉(zhuǎn)，當(dāng)電磁吊的方向接近平行廠房方向時，模擬量電流A0+減小，電機(jī)減速運行，當(dāng)電磁吊處于平行廠房方向時，PLC停止輸出；同樣道理，當(dāng)開關(guān)SB3接通輸入端口X3時，通過PLC程序運行就可以控制電磁吊處于垂直廠房的方向位置，達(dá)到電磁吊角度自動定位。

2.4 工作自動流程圖

以端口X3得到信號為例，說明程序的編寫流程。假設(shè)θ為當(dāng)前電磁吊角度，θ4為垂直于廠房方向的角度值，當(dāng)輸入端口X3得到信號時，電磁吊自動定位到垂直于廠房方向，工作自動流程圖如圖2所示。

圖2 工作自動流程圖

3 結(jié)束語

本電磁吊角度自動定位方案經(jīng)現(xiàn)場測試，得到預(yù)期自動角度定位效果。但由于電磁吊橫梁的慣性較大以及鋼絲繩的撓性特點，在電磁吊橫梁角度定位的過程中，電機(jī)需要反復(fù)正反轉(zhuǎn)來調(diào)整角度，比較耗費時間，雖然降低了操作工的勞動強(qiáng)度，但是生產(chǎn)效率沒有得到明顯提高，電磁吊自動角度定位方案還需進(jìn)一步的改進(jìn)和完善。