多功能橋式行車實驗臺控制系統設計

文 學，李華強，朱梅玉，朱科軍，劉志輝，陳志剛

（1.邵陽學院 機械與能源工程學院，湖南 邵陽 422000；2.高效動力系統智能制造湖南省重點實驗室，湖南 邵陽 422000）

0 引言

橋式行車作為一種常見的起重設備，廣泛應用于工業領域。然而，在橋式行車的運行過程中，由于負載的擺動和行車的運動不穩定性，可能導致安全隱患和降低作業效率。隨著科學技術的進步，橋式吊車的控制方式從早期的繼電器-接觸器控制系統逐漸發展為采用現代化技術的控制系統，如PLC 技術、變頻器技術等。這些技術的引入有效地改善了吊車的控制精度和運行平穩性。

為了提高行車的自動化水平和操作安全性，研究人員和工程技術人員采用先進的控制技術，如輸入整形控制[1，2]、最優控制[3，4]、模糊控制[5，6]等，致力于起吊過程的自動化與智能化。相應控制方法對橋式行車的擺角抑制都能起到了很好的控制效果。孫立坤[7]利用PLC 結合變頻調速技術，改進控制系統，使起重機行走平滑、穩定。楊新軍[8]結合PLC 和PC 設計一種抑制行車擺動的控制方案，闡述了軟件和硬件設計過程。胡佳辰[9]介紹PLC 與變頻控制技術的基礎上，分析了PLC 與變頻控制技術在港口行車中的具體應用和應用效果。邱光繁等[10]設計并搭建了一個三維橋式行車實驗平臺，模擬防搖控制系統實際動態特性和運行過程。

傳統研究中所構建的實驗平臺使用了簡化的物理模型，只能實現負載升降、左右移動等簡單的邏輯控制，或者只針對特定功能或控制算法進行測試，忽略了一些實際情況中的復雜因素，例如海上的波浪和風力等。為此，設計一種多功能實驗臺，并滿足其實驗測試需求，對該實驗臺進行控制系統設計。

1 實驗測試與控制方案設計

1.1 實驗臺模型

橋式行車實驗平臺基本功能結構參考實際橋式行車按比例縮小。橋式行車是主要由桁架模塊、大車移動模塊、小車移動模塊、升降模塊、驅動控制模塊、工況模擬模塊和各種安全保護裝置組成。實驗平臺如圖1 所示。

圖1 橋式行車實驗平臺

該實驗臺能實現在X向（大車移動方向）、Y向（小車移動方向）和Z向（負載上下移動方向）平穩的三維運動，即可以實現在陸地工廠完成重物精確平穩移動。若橋式行車處于船舶上，受波浪起伏影響，該實驗臺可以啟動振動電機或氣缸電機，使臺架振動或晃動，再控制負載在XYZ向上的移動，實現該工況的模擬。

1.2 功能需求與總體方案

1.2.1 功能需求

橋式行車實驗臺控制系統主要實現以下控制功能：

（1）大車、小車、起吊的啟停及運動控制：通過PLC 控制變頻器實現大車、小車在水平方向上的運動，包括前進、后退、和變速運動。觸發左、右限位開關時，伺服電機停止運轉，同時可以對伺服電機進行點動控制，實現大車、小車位置的微調。起吊在觸發上限位開關時，電機停止運轉，可以對伺服電機進行點動控制。

（2）工況模擬：模擬船舶上的波浪起伏影響，也就是12 振動和13 晃動帶來的起吊過程中擺角變化，需要模擬其狀態進行實驗。

1.2.2 總體控制方案

根據橋式行車實驗臺系統的功能需求，設計制定了實驗臺控制系統總體設計方案（圖2）。

圖2 實驗臺控制系統總體設計方案

控制系統主要包括上位機、下位機和各種傳感器。上位機設置實驗參數、在線監控各個執行機構的運行狀態及故障信息等；由PLC 及對應硬件組成的下位機接收限位開關、姿態傳感器的信息，然后PLC執行上位機對應指令，控制變頻器，實現各個伺服電機的點動、復位和自動運行等功能。

該實驗臺采用兩臺電動機來控制大車的X向移動，由同一臺變頻器同時驅動控制。一臺電動機控制小車的Y向移動，再由一臺升降電動機通過控制卷筒的轉動來實現負載的Z向運動，各采用一臺變頻器驅動。變頻器可將交流電動機轉變為高精度可變驅動器，實現負載移動位置的高精度控制。通過繼電器控制振動電機及上下位移電機，實現船舶起伏工況的模擬。

2 硬件設計

2.1 變頻器的選型

該試驗臺采用兩臺伺服電機來控制大車的水平移動，一臺伺服電機控制小車的水平移動，另有一臺升伺服電機通過控制卷軸的轉動來實現負載的升降。本文采用FR-A740 性能卓越矢量變頻器來驅動大車電機、小車電機和起升電機。FR-A740 是三菱電機公司生產的一款性能卓越的矢量變頻器，是一種用于控制交流電動機轉速和扭矩的設備。它采用先進的矢量控制算法，能夠精確控制電機的轉速和扭矩，在低速和高負載情況下保持穩定運行。其具有：較寬的速度調節范圍，可適應不同工況下電機的速度調節需求；響應速度快，能夠實時響應變頻指令，實現電機的快速啟停和轉速調節；內置多種保護功能，如過載保護、過流保護、過壓保護等，保障電機和設備的安全運行；支持多種通信接口，如RS485、RS232、Ethernet 等，便于與上位機進行通信和集成控制。

2.2 PLC 的選型

要實現橋式行車的自動化，PLC 裝置必不可少，其廣泛應用于工業自動化等領域。本文所設計的橋式行車采用三菱FX2N 系列的PLC，該系列PLC 具有高速運算能力和快速響應特性，可以實現對橋式行車的實時控制和高精度定位；具有較高的抗干擾能力和穩定性，適用于各種惡劣的工作環境。同時由于輸入多輸出少，設計的I/O 地址共有53 位輸入和18 位輸出，因此可以挑選FX2N-48MR，再添加2 路FX2N-16EX，總共56 位輸入和24 位輸出，有預留輸入輸出。同時，三臺變頻器由PLC 發出的模擬電壓信號來驅動，再選擇FX2N-4DA，該模塊包括四個模擬輸出。限位開關等接到PLC 的輸入端，電機與變頻器接PLC 的輸出端，上位機與PLC 進行組網連接通訊。

2.3 PLC 的I/O 地址分配

考慮實驗臺的實際工況和控制要求，PLC 的I/O分配如表1 和表2 所示，根據I/O 分配，設計的PLC端口連接如圖3 所示。

表1 試驗臺控制系統輸入口分配

表2 試驗臺控制系統數字量輸出口分配

圖3 PLC 端口連接

3 軟件設計

3.1 PLC 程序框架

本實驗臺采用三菱編程軟件來完成PLC 的軟件開發，實現模塊化編程。在實驗臺機械主體的基礎上，通過選用三菱FX2N 系列PLC，設計接近開關與伺服電機的運動控制方案。整個橋式行車PLC 程序如圖4 所示，主要分為大車控制、小車控制、起吊控制三個過程。

圖4 PLC 程序總體流程

3.2 大車程序

當大車運行開始時，首先進行各項安全電路檢查，如變頻故障檢查，過載檢查，左、右限位檢查。隨后給大車移動設置速度，啟動電機，大車移動，到達指定位置后大車停運。大車移動控制程序如圖5。

圖5 大車控制程序

3.3 小車程序

小車的控制邏輯同大車相似，其移動控制程序如圖6。

圖6 小車控制程序

3.4 臺架振動與晃動功能程序

進行振動和晃動工況模擬時，首先檢查繼電器和電機故障，然后進行工況選擇：振動、晃動、振動及晃動，啟動相應的電機，臺架實現振動或晃動，再對大結束車、小車的控制。臺架振動與晃動功能程序如圖7所示。

4 人機界面設計

本設計方案利用GT Designer3 三菱觸摸屏數控編程軟件構建了試驗臺觸摸顯示屏仿真模型，調試完成了對橋式行車實驗臺的監管。根據模擬和調試，驗證了應用程序的正確性，完成了試驗臺的控制要求。

觸摸屏作為控制系統的上位機可以顯示和輸入控制參數，并可以在線修改、監控和顯示報警詳細信息。圖8 為人機界面的主界面，用于顯示設備狀態，設有大車控制按鈕、小車控制按鈕和吊鉤控制按鈕，分別實現對大車、小車和吊鉤的精準控制，并設有啟動按鈕、停止按鈕、急停按鈕、復位按鈕等功能按鈕。同時還設置各種速度選擇按鈕和各種故障指示燈。

圖8 人機界面

5 系統測試

應用PLC 軟件的模擬功能并配合觸摸屏對系統進行測試，驗證大車移動控制程序。如圖9 所示，采用邏輯控制編程方式對大車移動進行控制；其中M100是大車的使能條件，M101 為啟動信號，X14、X15 為右極限、左極限。選擇按下X3 時則Y0 得電后正轉大車以1 檔速度向右移動，遇到右極限位Y0 斷電停止。選擇按下X7 時則Y1 得電后反轉大車以1 檔速度向左移動，遇到左極限位Y1 斷電停止。選擇按下X17時則實現大車的點動移動，按下X16 實現復位。通過不同速度X3、X4、X5 或X7、X10、X11 之間聯鎖，Y0和Y1 互鎖，大車只能以一個速度移動。這種控制方式控制可靠，能讓大車準確停靠在目標位置。

圖9 邏輯控制程序

經過充分的仿真試驗后，需要搭建實驗平臺來進一步對系統的控制程序進行調試實驗。根據所選設備進行硬件的安裝與調試，搭建與實際橋式行車結構相近的橋式行車實驗平臺物理模型，其中包括起重機主體、計算機、位移傳感器和控制箱等，如圖10 所示。

圖10 橋式行車模型實物

在該實驗平臺實際應用后，實現了對大車、小車和吊鉤的啟停及運動控制，證實了該控制系統在橋式行車運動控制方面的精確性和穩定性滿足了實際生產的需求。

6 結語

本文在多功能橋式行車實驗臺結構設計基礎上，結合實驗臺擬實驗功能，設計了一套基于三菱PLC的多功能橋式行車控制系統，主要取得以下成果：（1）對控制系統所需硬件進行選型設計；（2）設計了多功能模塊的PLC 程序；（3）結合實驗測試需求，設計了人機界面。并通過仿真模擬證實了該控制系統在橋式行車運動控制方面的精確性和穩定性，實現了對吊鉤的啟停及運動控制，滿足了實際生產的需求。