PLC和旋轉編碼器在塔式起重機位置控制中的應用

翁振粵

（廣東省建筑科學研究院，廣東廣州 510640）

1 概述

塔式起重機是臂架安置在垂直的塔身頂部的可回轉臂架型起重機。塔式起重機又稱塔機或塔吊，是現代工程建設中一種主要的起重機械[1]。

目前大部分的塔機由于牽引小車牽引幅度過大（長達上百米）以及起升高度太高，操控人員很難在工作室內通過目測的方式得到準確數據，一般都是通過地面指揮人員利用對講機協助操控人員反復移動工件得到大致位置，這就給操作者帶來了很多不便，大大降低了工作效率，亦有可能造成安全事故。

此外，GB/T 5031-2008《塔式起重機》國家標準中第5.6.12.2條明確指出塔機應安裝有顯示記錄裝置，該裝置應以圖形和/或字符方式向司機顯示塔機當前主要工作參數和額定能力參數[2]。主要工作參數又包括塔機的工作幅度和起升高度，因此在原有塔機的基礎上加裝一套數控顯示系統對上述參數進行測量就顯得尤為重要了。

2 改造的可行性分析

塔機起吊貨物的工作主要是由牽引小車組成的牽引鋼絲繩系統以及與電機連接的起升鋼絲繩繞繩系統來完成。牽引小車在吊臂上前進或后退帶動貨物作水平方向的移動，與電機相連的起升鋼絲繩系統則控制貨物在垂直方向的上升下降運動。該旋轉編碼器安裝在牽引卷筒的卷軸中心并隨牽引卷筒旋轉，牽引卷筒由牽引電機驅動，當牽引卷筒運轉時，牽引小車運動，此時旋轉編碼器隨牽引卷軸運動并向PLC系統發出連續的AB相脈沖，PLC 系統接收到這些脈沖通過計算即可轉換為牽引小車的位置。

目前大多PLC 都具有高速計數器功能，不需增加特殊功能單元就可以處理頻率高達幾十或上百千赫的脈沖信號。而塔機對水平方向、垂直方向精度和響應速度要求不是很高，因此可以對塔機水平方向、垂直方向運動信號通過齒輪嚙合進行采樣，合理地選用編碼器，讓脈沖頻率既在PLC 能處理的范圍內又可以滿足測量的精度要求。在測量時，讓PLC 對所接收的脈沖數與設定數值進行比較，根據比較結果驅動相應的輸出點對牽引小車變頻器進行輸出頻率的控制，實現接近設定值時電機輸出頻率降低，從而減小系統慣性，達到精確定位的目的[3]。整個系統的改造方案如圖1和圖2所示。

圖1 系統結構圖

圖1 表示系統的結構框圖，從中可以看出，通過對2 個編碼器的信號高速計數處理得到相應的距離在觸摸屏上顯示，也可以通過觸摸屏設置數據控制執行機構停留在期望位置。

3 編碼器的選取與安裝

旋轉編碼器是一種光電式旋轉測量裝置，它能將被測的角位移直接轉換成數字信號（高速脈沖信號）[4]。因此可將旋轉編碼器的輸出脈沖信號直接輸入給PLC，利用PLC 的高速計數器對其脈沖信號進行計數，以獲得測量結果。編碼器的選取要符合兩個方面，一是PLC 接收的最高脈沖頻率，二是測量的精度（10 mm）。選用的編碼器分辨率是100 P/r（每轉每相輸出100 個脈沖）的。以測量水平方向位移為例，電機最高轉速是1 500 r/min、卷揚機卷筒直徑為400 mm，卷揚機卷筒大齒輪數為40，檢測用的減速小齒輪數10，齒輪減速比為4。驗證如下。

本系統脈沖最高頻率＝25 r/s×100 個/r×2（A/B兩相）/4＝1.25 kHz。

理論測量分辨率＝3.14×400×1/（4×100）=3.14 mm=0.003 14 m。

同時由上面的數據知道系統每發一個脈沖行走了3.14 mm。由于系統脈沖最高頻率遠遠低于PLC 采用的最高頻率，因此滿足了第一個條件；行走距離精度要求是10 mm，可知理論精度完全滿足此要求。

在旋轉編碼器屬于精密元件，塔吊機工作環境極為惡劣，在使用中遇到的重要問題是如何抗干擾。具體措施有：

（1）在編碼器外部再加裝一個防護殼，以加強對其進行保護；

（2）在安裝使用時不要劇烈震動和敲打，安裝于檢測齒輪上的編碼器要求其安裝與傳動軸誤差不大于0.2 mm；

（3）信號傳輸時用屏蔽電纜，屏蔽線接地；

（4）選用不怕雨水、灰塵，耐酸、堿腐蝕防護等級IP68的工業級編碼器。

4 PLC控制系統編程

本文以三菱FX2N系列PLC 與精工SEIKO 型旋轉編碼器為例，介紹編碼器與PLC 的硬件接線方式以及編程[5]。

如圖1 所示是輸出兩相脈沖的旋轉編碼器與FX 系列PLC 的連接示意圖。編碼器有4 條引線，其中2條是脈沖輸出線，1條是COM端線，1條是電源線。編碼器的電源可以是外接電源，也可直接使用PLC 的DC24V 電源。電源“-”端要與編碼器的COM 端連接，“＋”與編碼器的電源端連接。編碼器的COM 端與PLC 輸入COM 端連接，A、B 兩相脈沖輸出線直接與PLC 的輸入端連接，連接時要注意PLC 輸入的響應時間。有的旋轉編碼器還有一條屏蔽線，使用時要將屏蔽線接地。

圖2 觸摸屏控制示意圖

此工程中程序的難點主要在于數據的處理上。在牽引機構工作過程中除手動讓重物進行水平和起升外，還要實現在觸摸屏上設定數據讓重物在具體位置定位功能，并且觸摸屏上還要即時顯示定位機構的當前位置。為了簡化程序中的計算，采用了兩個高速計數器C251 和C253。C251通過計算前進后退的脈沖數，再進行換算后用于顯示牽引機構水平方向的當前位置；C253通過計算上升和下降的脈沖數，再進行換算后用于顯示牽引機構垂直方向的當前位置。定位過程是這樣的，以水平移動為例，在觸摸屏上設置好需要定位的位置后，通過計算把需要的脈沖數送到一個D寄存器，根據機構前進還是后退C251進行加減計數，時刻比較D寄存器與C251中的數值，根據比較結果驅動相應的輸出點對變頻器進行輸出頻率的控制，實現接近設定值時進給速度變慢，從而達到精確定位。圖3 是水平方向距離顯示的部分程序。

圖3 PLC控制系統編程

根據上面計算得知，編碼器發出一個脈沖相當于走了0.003 14 m。也就是一個脈沖當量的距離為0.003 14 m（D200），C251 表示的當前的脈沖數，用脈沖當量乘以脈沖數即可得到當前的距離（D204），單位為米。X6 為初始位置觸發點，當X6有效時，把當前的距離通過換算成D206（初始位置）后輸入C251即可初始位置復位。垂直方向等控制程序類似。

5 結束語

塔式起重機是房屋建筑等生產的關鍵設備，采用旋轉編碼器和PLC 構成的實時監測系統對鋼絲繩與卷筒之間的相對滑動進行實時監測，具有以下特點。

（1）操作靈活。用戶只需要通過觸摸屏即可監視和控制負載的位置。

（2）可靠性高。系統易操作，編程簡單，PLC抗干擾能力強。

（3）控制精度高。旋轉編碼器是一種精密元件，試用PLC 高速計數器采集數據，利用PLC 的強大計算功能精確地計算車卷筒和鋼絲繩之間的相對滑動距離。

（4）現場安裝方便，試用壽命長，旋轉編碼器小巧，而PLC 大多采用模塊式組合，安裝方便。采用光電碼盤的旋轉編碼器無機械損耗，試用壽命長。

該應用徹底告別了以往靠人工、靠估計的歷史，極大地提高了工作效率和安全系數。

［1］孫在魯.塔式起重機應用技術［M］.北京：中國建材工業出版社，2003.

［2］GB/T 5031-2008.塔式起重機［S］.

［3］王信義.機電一體化技術手冊［M］.北京：機械工業出版社，1994.

［4］常春.光電旋轉編碼器的研究與應用［J］.儀表技術與傳感器，2001（12）：34-35.

［5］三菱公司.三菱PLC.FX 系列全部技術手冊［Z］.2011.