基于PLC的輪軌式提梁機起升機構卷揚機同步性運動控制設計

文曉娟，李 偉，張君霞

(1.鄭州鐵路職業技術學院機電工程系，鄭州450052;2.鄭州輕工業學院機電工程學院，鄭州450002)

基于PLC的輪軌式提梁機起升機構卷揚機同步性運動控制設計

文曉娟1，李 偉2*，張君霞1

(1.鄭州鐵路職業技術學院機電工程系，鄭州450052;2.鄭州輕工業學院機電工程學院，鄭州450002)

為了解決輪軌式提梁機起升機構卷揚機同步性難以實現的問題，針對起升機構工作要求，制定了解決方案，設計了一種基于PLC、變頻器、光電編碼器的多卷揚機聯動電氣控制系統，著重闡述了系統的硬件、軟件設計及模擬調試。結果表明本控制系統設計合理正確，實現了卷揚機工作的同步性，提高了起升機構工作的可靠性、穩定性。

提梁機;同步性;PLC;變頻器;光電編碼器

隨著現代科技的高速發展，以PLC為控制核心的自動控制系統在各種起重機械中得到廣泛應用，其中大部分應用都集中在起重機械基本功能的實現。輪軌式提梁機是我國高速鐵路干線建設至關重要的施工設備之一，主要用于高架橋建設中900噸箱梁的吊裝。由于提梁機工作現場條件復雜，且起升機構負載較重，在多吊鉤聯動時難以實現卷揚機的同步性，造成載荷重心偏轉失控現象。本設計采用PLC、變頻器及光電編碼器等自動控制技術，實現了起升機構卷揚機的閉環自動控制，保證了多吊鉤聯動的同步性，提高了提梁機的工作性能［1-4］。

1 起升機構多吊聯動卷揚機同步性控制策略

起升機構多卷揚機同步控制屬于交流電動機的閉環控制，又稱反饋控制，實質是利用負反饋的作用來減少系統的誤差機構。閉環控制系統中，控制信號經計算比較，通過執行部件至被控對象，然后又經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，使系統的輸出量趨向于給定的數值。其原理框圖見圖1所示。

圖1 按偏差調節的閉環控制系統原理方框圖

起升機構采用4臺變頻器分別驅動4臺卷揚機的變頻電機，各臺變頻電機上采用帶光電編碼器反饋的閉環控制。當產生控制信號時，PLC控制系統結合變頻器向交流電動機發出具體信號，使得電動機按照具體頻率運轉，經由傳動系統實現提升機構卷揚機吊鉤的運動。在電動機運轉過程中，與電動機同軸安裝的光電編碼器需檢測電動機實際轉動角位移，經由內部信號處理電路，以脈沖的形式向PLC控制系統反饋電動機運轉相關數據，由PLC控制系統對數據進行比較和處理，結合變頻器向電動機發出新的運行信號，消除多臺電機運行誤差，即可實現多臺卷揚機的同步運行［5-6］。

2 PLC控制系統硬件設計

2.1 控制系統組成

輪軌式提梁機起升機構PLC控制系統由PLC硬件系統、PLC軟件系統、變頻器、增量式光電編碼器、儀表系統(開關與保護信號)組成，其構成如圖2所示。

圖2 PLC控制系統框圖

系統采用PLC、變頻器、增量式光電編碼器作為控制核心，對卷揚機電機運轉進行控制和調節。當工作現場出現超載、超速、超風速、超限位等情況時，相關傳感器提供的保護信號將終止機構的運行［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，可擴展至128位IO點，能滿足控制系統所需求的輸入、輸出點數量;且內置4通道高速計數器，可結合光電編碼器滿足四臺卷揚機聯動時對電動機同步性運轉的控制;

(2)變頻器采用西門子MM440型通用變頻器，具有低速高轉矩輸出、良好的動態特性和過載能力強等特點，特別適合于起重機械。本設計中利用操作面板設置5段固定頻率，通過PLC程序控制變頻器5、6、7號數字量輸入端口的通斷情況來輸出相應頻率驅動電機運行。

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

2.3 配置I/O

依據系統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控制系統軟件設計

3.1 模塊功能

依據控制系統硬件設計和起升機構的工作過程，控制系統軟件運用結構化和模塊化的設計。系統軟件中雙吊聯動與4吊聯動運行模塊涉及同步性控制。主要內容如下:

(1)雙吊聯動運行模塊:通過調用PLC雙吊聯動子程序來實現兩卷揚機聯動，由兩個單吊運行程序和同步性控制程序組成。此模塊功能為實現雙吊聯動時兩卷揚機電動機的同步、同速運行。

(2)4吊聯動運行模塊:通過調用PLC4吊聯動子程序來實現四卷揚機聯動，由4個單吊運行程序和同步性控制程序組成。此模塊功能為實現4吊聯動時四卷揚機電動機的同步、同速運行。

3.2 程序運行流程圖

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

控制系統工作時，根據PLC程序內容，變頻器輸出相關頻率驅動卷揚機電機運轉，與電機同軸相連的光電編碼器輸出連續脈沖至PLC高速計數器通道，數值保存在PLC相關內部寄存器里。對比4組內部寄存器值來確定最大值以表示目前運行超前的卷揚機電機，通過PLC程序，將其余3臺電動機變頻器狀態調整為輸出高一級的電流頻率，驅動3臺滯后電機更快速度運行。直至4數據寄存器值相等，表示4卷揚機電機保持同步運轉，通過程序，將4電機變頻器輸出頻率調整為初始設定值，此時四臺卷揚機電機保持同步、同速運轉。

圖3 4吊聯動模塊的程序運行流程圖

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 控制系統局部梯形圖

4 模擬調試

利用實驗室設備對控制系統硬件、軟件設計進行模擬調試。由于I/O部分接口眾多不便全部顯示，現將部分模擬調試面板顯示如圖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，利用個人計算機通過RS232數據接口可將程序傳輸給PLC。

圖5 部分模擬調試面板

下面以4吊聯動程序為例說明模擬調試過程。模擬調試過程分兩種情況:①對PLC高速計數器四通道數據寄存器DT9044、DT9048、DT9104、DT9108寫入不同初始值，表示4吊卷揚機電機光電電編碼器反饋的脈沖值不同，即4吊不同步，PLC執行程序后通過輸出判斷是否保持最高設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對四通道數據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吊變頻器原有設定頻率不變。即可模擬同步程序是否功能正確。4吊聯動模擬調試結果見表2所示。

表2 4吊聯動程序模擬調試結果

模擬結果顯示:4吊聯動子程序的執行符合前述對4吊聯動運行的控制要求。

5 結束語

將PLC、變頻器和光電編碼器技術融合在一起，用于輪軌式提梁機起升機構卷揚機同步性控制系統，簡化了電氣控制系統，實現了機、電一體化的控制。充分利用PLC硬、軟件資源進行模擬調試，結果表明控制系統PLC軟、硬件設計正確，程序執行能夠滿足提梁機起升機構卷揚機同步性的工作需求，可應用于工業現場。本系統解決了原有系統中故障率高、電機同步性難以實現、可靠性低等缺點，具有很大的推廣應用價值。

［1］廖騰勇，周文飛.特殊環境下自動收放系統的設計［J］.艦船電子工程.2009(09):205-207.

［2］周武.卷揚機電控系統變頻改造在我礦的應用［J］.中國井礦鹽.2012，43(02):35-38.

［3］陳宇，鄧子龍，李淑敏.履帶起重機桅桿起升機構與變幅卷揚機構同步問題［J］.遼寧石油化工大學學報.2012，32(02):58-61.

［4］金旭華.可編程控制器在小型污水處理站的應用［J］.電子器件，2000，23(03):224-226.

［5］李斌貴，丁巖，鄧唯一.卷揚機的變頻操控系統［J］.起重運輸機械.2010(11)43-44.

［6］王振臣，劉薇，楊麗華等.基于PLC的供熱網絡遠程監控系統研究［J］.傳感技術學報，2004(03)436-439.

［7］趙燕，傳感器原理及應用［M］.北京:北京大學出版社，2010.

［8］李鵬飛，聶玲，李文龍.高爐主卷揚PLC——變頻器控制系統設計［J］.可編程控制器與工廠自動化(PLC FA).2010(02): 33-36，80.

［9］翟磊，許利君，馬少群.DLT900型輪胎提梁機起升系統設計［J］.建筑機械化.2011，32(11):54-55，69.

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 文獻標識碼: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，鄭州鐵路職業技術學院機電工程系教師，研究方向為機械研究與設計，PLC系統研究與設計，wenxiaojuan198255@163.com;

張君霞(1979-)，女，講師，碩士，鄭州鐵路職業技術學院機電工程系教師。研究方向為機械研究與設計，PLC系統研究與設計。

李 偉(1957-)，男，教授，碩士，鄭州輕工業學院機電工程學院教學副院長，河南省機電產品開發協會理事。研究方向為機械研究與設計，PLC系統研究與設計;