起重機無線控制技術研究與設計

王麗麗

（山西平舒煤業有限公司，山西 晉中 045400）

引言

起重機是一種能夠將物料精確運送到指定位置的機械裝置，集機械、液壓、電氣系統為一體，具有系統復雜、作業面廣、起重量大等特點。與國外起重機發展水平相比，國內起重機在智能化、安全性、可靠性等方面還存在一定的差距，迫切需要實現起重機控制系統的智能化和信息化，以滿足市場對起重器的性能要求。芬蘭的Betrox、德國的Wolf、意大利的Nauva、法國的BPR等起重機廠家已經將現有起重機產品實現了無線控制，即只需利用無線控制平臺以及無線監視平臺就可完成對起重機的所有控制[1-3]。應用起重機無線控制方案，可大幅縮減電纜用量，降低控制系統安裝成本、安裝錯誤率和維護成本；提高控制信號傳輸效率，提升系統穩定性；優化控制系統設計結構、減少工作量、降低人工成本；方便調試和查找故障點。本文基于無線通信技術，優化起重機控制系統，使得起重機司機通過無線控制平臺控制起重機動作，保障起重機穩定、安全、高效運行。

1 系統設計

起重機無線控制方案系統設計目標是通過無線遠程控制平臺，完成起重機的起升、回轉、變幅、限位、系統升級等動作，并通過無線遠程監控平臺實時監控起重機的運行狀態、參數設置，進行操作事件記錄、故障記錄以及遠程升級等。起重機無線控制方案系統設計框圖如圖1所示，核心為起重機智能控制系統，用于控制起升變頻器、回轉變頻器、變幅變頻器并完成起升動作、回轉動作、變幅動作的控制[4-5]。同時，智能控制系統還需處理控制手柄、操作開關、限位開關等控制指令。

另外，設置無線控制平臺，以無線通信（5G）模式與智能控制系統進行交互，替代控制手柄、操作開關控制起重機運行；設置無線遠程監控平臺，以無線通信（5G）模式與智能控制系統進行交互，實時顯示起重機運行狀態、參數設置以及故障報警信息。

圖1 起重機無線控制系統設計

2 硬件設計

根據起重機無線控制系統設計目標以及系統設計框架，統計控制系統輸入、輸出點并選擇赫斯曼公司的IMC A 4040G控制器。該控制器支持40路數字量輸入及40路數字量輸出，集成了數據監控、數據記錄、GPRS無線模塊遠程控制功能，供電電壓為9～36 V DC，程序存儲空間達1MBFLASH，支持CAN2.0A/2.0B、RS232通信，防護等級為IP66，滿足起重機控制系統運行環境要求[6-7]，下頁表1所示為部分起重機無線控制系統控制器地址分配。變頻器選用法國施耐德的ATV71HD45N4，該變頻器的輸出功率為45 kW，額定電壓為三相380～480 V，額定輸入電流為20.5 A，額定頻率為50 Hz，支持無PG矢量控制、帶PG矢量控制、V/F控制以及帶PGV/F控制，過載能力為2倍額定電流。

起重機高度限位器選擇型號為DXZ1-360W，幅度限位器選擇的型號為DXZ（A）-1-5-4-W，回轉限位器選擇的型號為DXZ（1）-1-4-4-W，具有體積小、精度高、限位可調的特點，可防止起重機撞車或者將其行駛距離限制在一定范圍之內[8]。無線遙控裝置選用Spectrum B型無線發送器和FSE 726 radiobus型無線接收裝置，采用無線通信模式控制起重機的起升、回轉等動作。

表1 起重機無線控制系統控制器地址分配

3 軟件設計

3.1 控制器程序設計

根據起重機無線控制系統設計、控制器硬件地址分配表設計并編寫控制器軟件程序。按照起重機完成的功能將控制器軟件系統劃分為基本動作控制、安全保護控制、遠程控制、數據記錄四個模塊，具體如圖2所示。基本動作控制模塊用于完成起動機的起升、回轉、變幅控制，控制器通過CAN總線通信方式對起升變頻器、回轉變頻器、變幅變頻器進行恒速變頻控制，保證起重機動作過程的平穩、安全。安全保護控制模塊用于完成對起動機運行過程的限位控制，如頂升、力矩、重量、變幅限位等，控制起重機在安全范圍內作業，防止發生撞車等安全事故。遠程控制模塊用于完成對起重機控制系統的遠程控制、遠程數據監控以及遠程系統升級，遠程控制平臺以無線通信方式代替控制手柄、操作開關等按鈕，實現控制系統的智能化。數據記錄模塊用于完成起重機運行過程中的操作事件記錄、故障記錄等，使得起重機運行過程可追述回溯。起重機控制器程序基于CodeSys3.5軟件平臺，采用FB編程語言進行模塊化設計，定義模塊接口函數，實現模塊間數據、指令、參數共享。起重機控制器程序編寫完成后，基于CodeSys3.5平臺可完成單元測試、系統測試，最后進行系統聯調。

圖2 起重機無線控制系統控制器軟件程序設計

3.2 監控平臺程序設計

起重機無線控制系統監控平臺程序基于北京力控組態王軟件平臺實現，監控平臺于控制器間以CAN2.0A總線通信完成數據傳輸，并在ICP6600顯示器開發開機界面、工況確認界面、主界面，如圖3所示。在主界面中設計“系統設置”系統查詢”“面板調試”“工況設置”四個按鈕。“系統設置”按鈕可實現各傳感器報警閾值、區域報警閾值、防碰撞距離以及起重機車型、系統的設定等功能。“系統查詢”按鈕可實現起重機故障代碼、運行狀態、保養狀態、性能要求以及系統版本等關鍵參數的查詢。“面板調試”按鈕可完成起重機高度、回轉、幅度、重量以及繼電器延時調試，并可進行單元模塊測試以及系統聯調。“工況設置”按鈕可完成起重機高度、臂長以及倍率設置，保證起重機運行參數符合該工況要求。起重機監控平臺與控制器間定義CAN總線通信協議，并按照該協議進行數據打包、數據解析工作。監控平臺完成數據解析后，將該數據關聯至本地變量用于顯示、動畫聯動以及報警。

圖3 起重機無線控制系統監控平臺界面設計

4 應用效果分析

為驗證設計并實現的起重機無線控制技術方案，在山西平舒煤業公司進行為期3個月的實際應用并查驗實際應用效果。系統上電后，通過監控平臺對報警范圍、區域報警范圍以及車型進行設置，確認塔身高度、臂長、倍率參數后，利用面板對起重機及逆行高度、回轉、服務、重量調試，從而控制起重機的起升、回轉以及變幅動作，起重機運行平穩。人為修改起重機起升限位值后，監控平臺立即發出聲光語音報警，并提示“起升限位故障”。通過設計的監控平臺可回溯參數數據記錄、故障數據記錄以及操作事件記錄并可實現在線遠程系統控制和升級，達到了起重機無線控制系統設計目標和要求，能夠保障起重機安全、高效運行。