基于PLC的起重機主梁加工設備控制系統設計

吳昊，王鵬，陳鐵，張樹文

(1.齊魯工業大學(山東省科學院)山東省科學院自動化研究所 山東省機器人與制造自動化技術重點實驗室，山東 濟南 250014；2.山東德魯克起重機有限公司，山東 新泰 271208)

起重機設備的主要作用是對物料進行運輸、卸裝等，廣泛應用于各個行業中，對企業提高生產效率、減輕工人勞動強度以及降低生產成本等起著重要的作用[1]。起重機常用型號有電動單、雙梁，單主梁起重機、雙主梁龍門起重機等。主梁是其重要組成部分，傳統加工方式一般需要單段折彎、單段組裝拼焊，再根據起重機的跨度分段組裝拼焊。但是隨著質量要求越來越高，對起重機主梁加工時的焊接質量、裝配精度等都有了更高的要求，傳統的加工方式常常會因為焊接缺陷、裝配偏差等問題，導致整個起重機主梁需要重新加工，另外噪聲以及空氣污染也給生產線上的工人帶來了負面的影響，與國家節能減排的要求不符。

本文利用可編程邏輯控制器(programmable logic controller,PLC)為平臺，以起重機主梁加工系統為研究對象，設計開發了一款起重機主梁自動加工設備，具有將鋼板自動對中、自動擠壓成型、模具自動調節以及設備狀態預警等功能，該加工設備與傳統的拼焊加工方法相比，減少了人工操作，提高了生產效率，且性能穩定可靠。

1 起重機主梁加工方法

1.1 傳統起重機主梁加工方法

一般常用的起重機主要有橋式起重機、門式起重機、履帶式起重機等[2]，其主梁結構都是由U型箱體結構組成。

傳統的起重機主梁加工方法一般采用全焊接或折彎焊接。全焊接方法由于鋼板尺寸的限制，每段長度不超過1.5 m，將側板通過工裝內襯支架焊接在一起，再將每段拼焊組成主梁。不同類型起重機主梁通過全焊接方法加工的橫截面如圖1所示。

圖1 兩種起重機主梁全焊接加工的焊縫位置

折彎焊接方法是將鋼板按照起重機主梁三面展開尺寸下料后，由折彎機進行兩處折彎，折成U型箱體，再根據起重機的總跨度將每段拼焊到一起。折彎機工作臺有長度限制，一般在3 m以內，相比全焊接方法增加了單段主梁的長度，減少了整段主梁橫向焊縫，見圖2。

圖2 兩種起重機主梁通過折彎機加工的焊縫位置

由此可見折彎焊接方法比全焊接方法可以減少主梁上的焊縫數量，但是這兩種加工方法都存在以下問題：焊接的固有特性會引起主梁焊后變形，由焊接導致的應力會引起單段主梁變形，在焊接時需要對主梁矯正，矯正后焊接主梁存在內應力，使得整個主梁在焊接后變形[3]；由于多段拼焊會累積誤差，最終組裝的質量依靠后期校正實現，導致主梁的質量不容易控制；使用折彎機對單段主梁進行折彎，需要多人多次協作完成，效率低下。

1.2 改進的起重機主梁加工方法

鑒于傳統起重機主梁加工方法的缺陷，本文加工方法是將6 m長的鋼板根據起重機主梁三面的展開寬度下料，再將鋼板放到加工設備沖壓成型。這種方法可將起重機主梁的三面通過起重機主梁加工設備(見圖3～4)一次加工成型，相比傳統的全焊接方法縱向減少兩條焊縫；相比折彎焊接方法，焊縫的數量沒有減少，但是本加工設備可以一次折出起重機主梁的三面，減少了工作流程，提高了工作效率。本設備可一次加工長度為6 m的單段起重機主梁，而全焊接方法一次只能加工出1.5 m的主梁，折彎焊接方法根據折彎機工作臺的不同長度，一般可加工出2～3 m的單段主梁，相比之下本文加工方法效率大為提高。

圖3 基于PLC的起重機主梁加工設備三維圖

圖4 起重機主梁加工設備樣機

2 起重機主梁加工設備總體結構設計及工作流程

起重機主梁加工設備由橫梁、上模位置調整裝置、液壓缸、上模、送料裝置、下模等組成。圖5為起重機主梁生產裝備總體結構圖。各組成部分的作用如下：(1)橫梁：主要用來承受模具和液壓缸的重量以及沖壓鋼板時的壓力；(2)上模位置調整裝置：安裝在橫梁的齒條上，由伺服電機驅動左右移動，調整上下模的左右位置關系；(3)液壓缸：設備的沖壓裝部分,由3個相同液壓缸組成，安裝在上模調整裝置上，用于沖壓鋼板。每個液壓缸都裝有壓力傳感器、上下限位、行程限位傳感器，用來限制液壓缸的運行距離、保護液壓缸的安全；(4)上模：安裝在液壓缸下，根據起重機主梁內腔的尺寸可選用不同大小的模具；(5)送料裝置：安裝在下模的一側，用于將鋼板推送到設定的沖壓位置；(6)下模：由左右兩個擋板組成，其中一個固定，另一個由伺服電機驅動左右移動，用來調整下模的寬度。下模底面裝有滾輪，方便沖壓完成后起重機主梁的運輸。

圖5 起重機主梁加工設備總體結構圖

接通電源后，將提前裁剪好的定制鋼板使用行車等輔助設備運送到送料裝置的物料臺上。物料臺表面裝有滾珠，方便大型鋼板的滑動。根據工作需求在人機界面選擇工作模式，包括手動模式和自動模式，設備根據選擇的模式進行判斷并調用相應的控制程序。手動模式一般在調試或設備出現錯誤時使用，在手動模式下可點擊人機界面相應的按鈕，控制上模調整裝置和下模調整裝置的左右移動以及液壓缸的上下移動(在手動模式下液壓缸不受行程限位傳感器的限制)。自動模式下，首先設定鋼板和主梁寬度，按下啟動按鈕后，上模調整裝置自動運行到設定位置，送料裝置通過控制器的計算自動運行將鋼板推送到沖壓位置，下模調整裝置調整到設定寬度，液壓缸從行程上限位處開始運行，運行到行程下限位處保持2 s后，沖壓動作完成。這時單段起重機主梁三面已經成型，隨后下模調整裝置運行到原點位置，單段起重機主梁被松開(省去了下模的頂出裝置，結構簡單)，整個自動工作過程結束。最后利用下模底面的滾輪將單段起重機主梁拉出，運送到下一工位。

3 基于PLC的控制系統

3.1 硬件設計

根據起重機主梁加工設備的加工原理、控制過程要求，設計的設備控制系統硬件結構如圖6所示。設備的系統硬件主要包括PLC、人機交互界面、傳感器、伺服電機、伺服電機驅動器以及液壓缸等。PLC 是一種可編程控制器，相當于控制設備，采用梯形圖或語句表編程，還可以與人機界面數據交互，主要應用于工業自動化領域，能滿足工業現場多狀態、多工況變化的需要[4]。通過分析，采用臺達PLC 公司生產的 EH系列，其可靠性、擴展性、維護性等比較好。

圖6 起重機主梁加工設備控制系統硬件結構圖

PLC作為整個硬件系統的核心，用于接收數據采集設備采集的數據，并對所采集的數據進行綜合分析處理[5]，從而控制整個設備的工作；伺服電機驅動器與PLC相連，接收PLC的指令；傳感器用來采集數據，執行元件為液壓缸和伺服電機；人機界面通過串口與PLC進行通信，主要用于控制整個系統的運行和參數設置。

3.2 軟件設計

基于PLC的起重機主梁加工設備的控制系統分為人機界面模塊、運動控制模塊、參數設置模塊、狀態監測模塊和程序管理模塊，見圖7。

圖7 起重機主梁加工設備控制系統結構圖

運動控制模塊是整個控制系統的核心模塊，主要包括伺服控制模塊和I/O模塊，I/O模塊用來輸出電機、液壓缸的啟停命令，接收傳感器信號。參數設置模塊的作用是設置電機參數、延時時間、沖壓鋼板尺寸和起重機主梁成型參數。狀態監測模塊包括報警提示和I/O狀態顯示，操作人員可以通過I/O狀態顯示對設備當前狀態進行監測，在錯誤發生時報警模塊會發出提示。程序管理模塊主要作用是實現不同型號起重機主梁加工程序的調用和保存。人機界面模塊是將以上模塊的輸出輸入狀態顯示在人機界面上，方便操作人員使用。

3.2.1 人機界面設計

人機界面是用戶與控制系統交互的橋梁，為用戶全面準確地掌握設備運行情況提供了極大的便利[6]。用戶通過人機界面將加工程序、加工參數、電機參數等指令發送給系統，控制加工過程。控制系統將運行狀態、故障報警等信息通過人機界面反饋給用戶，便于對起重機主梁的加工過程進行監視控制。

開機時初始化自動跳到主界面，如圖8所示，此時會以紅色字體走馬燈閃爍形式提示回零操作，按下回零按鈕，系統自動回零，回零結束后提示消失，系統才可以正常操作。主界面分為手動界面、自動界面、參數設置和報警監測。手動界面中，可以對伺服電機和液壓缸進行正向點動或負向點動調節，為設備調試提供方便。自動界面中，可以對自動加工程序進行啟動和停止操作，同時還可以根據加工型號對程序進行選擇。參數設置中，包括電機參數設置和加工參數設置，可修改電機運行參數，對加工程序參數進行設置，見圖9。報警監測界面主要用于顯示包括行程限位信號、壓力信號、系統運行狀態和故障報警提示，方便操作人員了解設備的健康狀態。當系統出現錯誤時會彈出報警界面提示，錯誤處理完后，按下報警復位，提示消除。

圖8 主界面

圖9 參數設置

3.2.2 PLC程序設計

本設計中由于需要對3臺伺服電機和液壓缸進行定位控制，所以選用DVP64EH00T3，其具有4路高速脈沖輸出接口，同時具有32路輸出、32路輸入，完全滿足設備的控制要求，輸入輸出元件地址分配見表1。由于控制系統具有手動操作和自動操作兩種工作方式，在程序編寫時，本設計按手動程序和自動程序這兩大模塊進行編寫[7]。

表1 輸入輸出元件地址分配表

手動程序的編寫需要滿足3臺伺服電機(上模調整裝置、下模調整裝置和送料裝置)的點動控制和液壓缸的上升下降這些運動的控制要求。自動程序包括上模調整裝置、下模調整裝置和送料裝置自動運行到設定后計算得到的位置，液壓缸沖壓，沖壓完成后下模調整裝置松開，液壓缸回到初始位置，手動、自動程序的切換通過人機界面按鈕實現。整個程序結構有初始化程序、手動程序、自動程序和回零程序組成[8-9]。控制系統程序流程設計見圖10。在初始化程序運行時，要對PLC中各個信號、回零狀態和各軸狀態等進行初始化，防止誤操作造成的人員傷害或設備損壞。

圖10 控制系統程序流程圖

在初始化程序中，復位了回零完成標志，在每次設備開機時會出現回零提示，必須點擊回零按鈕，完成回零動作后，才可以進行手動、自動程序的操作。圖11給出了自動程序流程圖。

圖11 自動程序流程圖

自動程序控制過程分析：上電開機后，首先點擊回零按鈕，上模調整裝置、下模調整裝置、送料裝置向零點方向以設定速度運行，碰到各自零點傳感器后停止，并將當前位置設置為零點。正確放置好鋼板后，設置鋼板寬度和起重機主梁成型參數后，按下啟動按鈕，上模調整裝置、下模調整裝置、送料裝置自動運行到設定計算位置，全部到位后，液壓缸開始沖壓。直到遇到液壓缸下限位信號，液壓缸停止并保持2 s，下模調整裝置回到零點，液壓缸返回到初始位置，自動程序結束。

4 運行測試

起重機主梁加工設備控制系統設計完成后，進行了運行測試。運行測試時分別按照自動模式和手動模式的操作流程進行操作。測試結果表明，基于PLC的起重機主梁加工設備控制系統運行穩定，且實現了自動控制要求。選擇人機界面作為上位機使用方便，可對不同型號加工板材的加工數據進行分組設置。運行過程中根據實際情況實時顯示報警信息，方便操作人員及時排除故障。

起重機主梁加工設備控制系統已經成功應用于某公司的起重機主梁加工生產設備中。經實踐驗證，使用該系統的加工設備加工一段6 m的主梁U型箱體只需要2～4 min，加工一臺18 m的主梁U型箱體只需要6～12 min。而傳統的加工方式加工，同樣18 m的主梁U型箱體需要2 d。與企業原有加工方法相比，使用該系統的設備也節約了人力，降低了用工成本。

5 結論

基于PLC的起重機主梁加工設備控制系統很好地解決了傳統起重機主梁加工方法效率低、誤差大等問題，目前已在某企業的起重機主梁生產中得到應用。通過調試實驗證明，本控制系統加工的產品由于采用沖壓一次成型，減少了焊(接)縫數量，提高了主梁的美觀程度和產品質量，提高了生產效率，降低了焊接帶來的污染。