基于PLC控制系統(tǒng)的懸臂吊應(yīng)用方案設(shè)計(jì)*

余名憲，沈國(guó)平，許益芳，鄒麗玲，吳欣煒，宋莉潔

（浙江經(jīng)濟(jì)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，杭州 310018）

0 引言

實(shí)訓(xùn)教學(xué)在物流管理專(zhuān)業(yè)（智能物流方向）人才培養(yǎng)體系中占有極其重要的作用，需要在理論的指導(dǎo)下培養(yǎng)學(xué)生的綜合創(chuàng)新能力[1-4]。懸臂吊起重機(jī)具有高效、節(jié)能、省事、占地面積小、易于操作與維修等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于港口、工業(yè)制造、物流等重要行業(yè)[5]。隨著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的興起，通過(guò)PLC控制技術(shù)、變頻技術(shù)、紅外傳感技術(shù)的應(yīng)用，讓?xiě)冶鄣醺又悄芑?、?shù)字化以及安全化，不僅實(shí)現(xiàn)了懸臂吊起重機(jī)的自動(dòng)化運(yùn)作，監(jiān)控運(yùn)行狀態(tài)，而且提高了勞動(dòng)生產(chǎn)效率，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備的改造與升級(jí)。

中國(guó)是懸臂吊制造大國(guó)，但不是強(qiáng)國(guó)。中國(guó)生產(chǎn)的工程機(jī)械已經(jīng)占全球工程機(jī)械總產(chǎn)量的一半，但一些高端裝備與國(guó)際先進(jìn)企業(yè)的產(chǎn)品相比，還是存在較大差距。懸臂吊的現(xiàn)狀是大而不強(qiáng)，因此怎樣讓?xiě)冶鄣醺拥闹悄芑?、安全化以及更有效益化就是需要考慮的問(wèn)題。肖海峰[6]研究了PLC在起重機(jī)控制中的應(yīng)用；黃明鑄[7]研究了變頻器和PLC在起重機(jī)的應(yīng)用；李海東[8]研究了橋式起重機(jī)控制系統(tǒng)改造中PLC和變頻器的應(yīng)用；謝南煊[9]研究了解析變頻器和PLC在大型起重機(jī)控制中的應(yīng)用；周煒明，許娜[10]研究了氣動(dòng)采摘機(jī)械手快速控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。以上研究為PLC控制系統(tǒng)和MCGS在起重機(jī)中的應(yīng)用提供了很好的參考。

1 設(shè)計(jì)思路

根據(jù)懸臂吊起重機(jī)的現(xiàn)有技術(shù)，結(jié)合PLC控制技術(shù)、變頻技術(shù)、紅外傳感技術(shù)與MCGS觸摸屏技術(shù)的綜合運(yùn)用。具體思路為在懸臂吊起重機(jī)加裝PLC控制器與變頻器，在MCGS觸摸屏的使用下，將自動(dòng)和手動(dòng)兩種模式自由切換。

本文是基于PLC的懸臂吊起重機(jī)控制系統(tǒng)利用觸摸屏進(jìn)行自動(dòng)化和手動(dòng)化操作，控制系統(tǒng)選取三菱FX3U-32M為控制器，實(shí)現(xiàn)對(duì)懸臂吊起重機(jī)起動(dòng)、停止、反向運(yùn)動(dòng)、吊鉤升降等一系列控制，在速度調(diào)控方面采用三菱D700 3Ф400V變頻器對(duì)各機(jī)構(gòu)進(jìn)行變頻調(diào)速。系統(tǒng)中還設(shè)計(jì)了完善的運(yùn)行指示模塊，操作人員能夠清晰直觀地監(jiān)測(cè)起重機(jī)各部位運(yùn)行情況?？删幊绦蚩刂破鳎≒LC）是懸臂吊起重機(jī)自動(dòng)控制的核心環(huán)節(jié)，其作用是將操作者的控制指令進(jìn)行處理，通過(guò)其內(nèi)部軟件程序的運(yùn)算和轉(zhuǎn)化，形成對(duì)起重機(jī)運(yùn)行系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制信號(hào)，并通過(guò)接口程序輸出給執(zhí)行機(jī)構(gòu)。因而，懸臂吊起重機(jī)的智能化和自動(dòng)化程度，很大程度上取決于PLC的配置及其內(nèi)部軟件程序的結(jié)構(gòu)和算法等因素。系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

懸臂吊起重機(jī)主要功能是完成大型物品的起吊及運(yùn)輸，PLC作為控制系統(tǒng)的核心，其控制系統(tǒng)主要涉及兩方面的功能：檢測(cè)輸入信號(hào)和控制輸出。懸臂吊起重機(jī)控制系統(tǒng)要完成對(duì)操作按鈕輸入檢測(cè)、限位開(kāi)關(guān)檢測(cè)、變頻器反饋檢測(cè)等。PLC為核心控制器，通過(guò)檢測(cè)面板、限位面板、開(kāi)關(guān)、操作按鈕輸入，將輸入的控制信息、速度反饋信息和路徑信息進(jìn)行處理，經(jīng)過(guò)計(jì)算和轉(zhuǎn)換，生成變頻電機(jī)的轉(zhuǎn)速信號(hào)輸出給變頻器，完成設(shè)備運(yùn)行、停止和調(diào)速控制，從而控制懸臂吊起重機(jī)的自動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

PLC作為該系統(tǒng)的大腦，負(fù)責(zé)整個(gè)控制系統(tǒng)的工作。作為主控制系統(tǒng)，它接收主令控制器（起重機(jī)操作平臺(tái)）和其他電器元件采集來(lái)的各種信號(hào)，通過(guò)內(nèi)部程序運(yùn)算，輸出控制指令給變頻器。變頻器根據(jù)PLC的輸入指令，控制著起重機(jī)各電機(jī)的啟停、正反轉(zhuǎn)和調(diào)速。同時(shí)PLC接收到信號(hào)有異常，經(jīng)過(guò)內(nèi)部程序運(yùn)算，PLC會(huì)向變頻器發(fā)出停車(chē)指令而使得懸臂吊停止工作，并指令電源及安保系統(tǒng)使得起重機(jī)電源斷開(kāi)。從而實(shí)現(xiàn)懸臂吊起重機(jī)更加安全、智能。

2 設(shè)計(jì)原理

2.1 懸臂吊結(jié)構(gòu)

懸臂吊起重機(jī)工作強(qiáng)度為輕型，由立柱、回轉(zhuǎn)臂回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置、吊鉤、動(dòng)滑輪、定滑輪及電動(dòng)葫蘆組成，立柱下端通過(guò)地腳螺栓固定在混凝土基礎(chǔ)上，由擺線針輪減速裝置來(lái)驅(qū)動(dòng)懸臂回轉(zhuǎn)，電動(dòng)葫蘆在懸臂工字鋼上作左右直線運(yùn)行，并起吊重物。起重機(jī)旋臂為空心型鋼結(jié)構(gòu)，自重輕，跨度大，起重量大，經(jīng)濟(jì)耐用。內(nèi)置式行走機(jī)構(gòu)，采用帶滾動(dòng)軸承的特種工程塑料走輪，摩擦力小、行走輕快、結(jié)構(gòu)尺寸小，特別有利于提高吊鉤行程。

2.2 PLC控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。PLC控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)是至關(guān)重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，這關(guān)系著其運(yùn)行的可靠性、安全性、穩(wěn)定性。主要包括輸入和輸出電路兩部分。在進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)的同時(shí)可以著手軟件的設(shè)計(jì)工作，軟件設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是根據(jù)控制要求將工藝流程圖轉(zhuǎn)換為梯形圖，這是PLC應(yīng)用的最關(guān)鍵的問(wèn)題，程序的編寫(xiě)是軟件設(shè)計(jì)的具體表現(xiàn)。在控制工程的應(yīng)用中，良好的軟件設(shè)計(jì)思想是關(guān)鍵，優(yōu)秀的軟件設(shè)計(jì)便于工程技術(shù)人員理解掌握、調(diào)試系統(tǒng)與日常系統(tǒng)維護(hù)。

采用三菱FX3U-32M PLC控制系統(tǒng)，如表1、表2所示，實(shí)現(xiàn)懸臂吊自動(dòng)化，根據(jù)設(shè)計(jì)要求工作流程以及控制功能，在系統(tǒng)啟動(dòng)之后，電源指示燈亮起，設(shè)備初始化數(shù)據(jù)。當(dāng)抱閘充電之后松開(kāi)，此時(shí)操作人員便可以對(duì)各機(jī)構(gòu)進(jìn)行操作。操作人員在駕駛室經(jīng)由上位機(jī)發(fā)出指令信號(hào)，指令傳輸至PLC之后經(jīng)過(guò)處理發(fā)送至變頻器，再傳輸至電動(dòng)機(jī)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。在運(yùn)行的過(guò)程當(dāng)中，操作員根據(jù)實(shí)際情況判斷是否進(jìn)行變頻調(diào)速以控制運(yùn)行機(jī)構(gòu)和起升機(jī)構(gòu)的運(yùn)行速度。運(yùn)行過(guò)程中操作員根據(jù)起升機(jī)構(gòu)的水平位置以及吊鉤的垂直位置與指定位置的偏移方向與偏移量確定是否到位，如若不到位則需要重新進(jìn)行方向控制，對(duì)各機(jī)構(gòu)的運(yùn)行進(jìn)行修正，當(dāng)各機(jī)構(gòu)運(yùn)行至指定位置時(shí)抱上抱閘。

表1 設(shè)備型號(hào)

表2 技術(shù)參數(shù)

PLC執(zhí)行用戶程序時(shí)，首先從第一條程序開(kāi)始掃描，在沒(méi)有中斷或跳轉(zhuǎn)指令的情況下，按程序存儲(chǔ)順序的先后逐條執(zhí)行用戶程序，直到程序結(jié)束。然后再?gòu)念^開(kāi)始掃描執(zhí)行，重復(fù)運(yùn)行。

2.3 PLC基本結(jié)構(gòu)

PLC基本結(jié)構(gòu)包括：（1）電源，可編程邏輯控制器的電源在整個(gè)系統(tǒng)中起著十分重要的作用；（2）中央處理單元（CPU），CPU是可編程邏輯控制器的控制中樞，它需要檢查電源、儲(chǔ)存器、I/O以及警戒定時(shí)器的狀態(tài)，并能診斷一些程序錯(cuò)誤；（3）儲(chǔ)存器，存放系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件；（4）輸入輸出接口電路；（5）擴(kuò)展單元，可以根據(jù)所控制對(duì)象的控制規(guī)模大小去靈活組成電器控制系統(tǒng)；（6）通信模塊，PLC通過(guò)這些通信接口可以與監(jiān)視器、打印機(jī)、等設(shè)備實(shí)現(xiàn)通信。

2.4 功能

功能設(shè)計(jì)包括：（1）現(xiàn)場(chǎng)，首先通過(guò)按鈕選擇手動(dòng)操作還是自動(dòng)操作；（2）手動(dòng)，通過(guò)按鈕進(jìn)行懸臂吊作業(yè)；（3）自動(dòng)，通過(guò)設(shè)置好的程序進(jìn)行自動(dòng)化作業(yè)；（4）遠(yuǎn)程，在MCGS觸摸屏上設(shè)置兩個(gè)按鈕，一個(gè)手動(dòng)，一個(gè)自動(dòng)；（5）手動(dòng)，通過(guò)觸摸屏上的按鈕進(jìn)行監(jiān)控并操作；（6）自動(dòng)，通過(guò)觸摸屏設(shè)定的程序進(jìn)行作業(yè)。

3 電路設(shè)計(jì)

PLC控制系統(tǒng)在懸臂吊中的電路設(shè)計(jì)如圖2～4所示。

圖2 總電路圖

圖3 自動(dòng)情況下PLC電路圖

圖4 手動(dòng)情況下PLC電路圖

PLC控制系統(tǒng)點(diǎn)位表設(shè)計(jì)如表3、4所示。

表3 點(diǎn)位表

表4 手動(dòng)點(diǎn)位表

達(dá)到上限位X0通電，M0置0，Y6置1，T0計(jì)時(shí)1 s，當(dāng)C1為1時(shí)，電鈴響1 s后斷電，C1達(dá)到一次加1，當(dāng)C1為1的時(shí)候M2置1，當(dāng)?shù)竭_(dá)上限位時(shí)通電，當(dāng)同時(shí)到達(dá)上限位、左限位和C1為1時(shí)M2復(fù)位。

4 MCGS組態(tài)控制屏幕設(shè)置

MCGS系統(tǒng)對(duì)懸臂吊的動(dòng)作進(jìn)行管理和調(diào)度，使懸臂吊的性能發(fā)揮到最佳狀態(tài)，實(shí)驗(yàn)步驟如圖5～9所示。

圖5 觸摸屏首頁(yè)

圖6 策略屬性設(shè)置

圖7 工作臺(tái)界面

圖8 屬性設(shè)置

圖9 操作界面

當(dāng)輸送帶進(jìn)行輸送，紅外線技術(shù)感應(yīng)到物體時(shí)，懸臂吊下降至下限位，抓取物體1 s后上升到達(dá)上限位進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，到達(dá)左限位后開(kāi)始下降，懸臂吊下降至下限位，抓手松開(kāi)1 s后上升至上限位。

5 設(shè)計(jì)效果

為了提高懸臂吊的控制效率，將PLC控制和MCGS組態(tài)軟件引入到了懸臂吊的控制系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)了懸臂吊的快速控制和狀態(tài)監(jiān)測(cè)，從而提高了懸臂吊的控制效率。為了驗(yàn)證方案的可行性，對(duì)懸臂吊控制系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試（包括PLC控制效率和MCGS的監(jiān)測(cè)效果）。測(cè)試結(jié)果表明:MCGS可以成功地監(jiān)測(cè)懸臂吊的作業(yè)狀態(tài)數(shù)據(jù)，采用PLC控制系統(tǒng)具有較高的控制效率和準(zhǔn)確性，抓取物料的破損率較低，需要的抓取時(shí)間較短，可以滿足懸臂吊快速控制的設(shè)計(jì)需求。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)運(yùn)用PLC控制技術(shù)在懸臂吊中的應(yīng)用，提高了懸臂吊的控制水平，改進(jìn)了懸臂吊的運(yùn)作性能，促進(jìn)了懸臂吊的可靠性，提高了懸臂吊的安全系數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)了運(yùn)作效率的提升。