基于PLC的輪軌式提梁機起升機構(gòu)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(yè)技術學院機電工程系，鄭州450052;2.鄭州輕工業(yè)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(gòu)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(yè)技術學院機電工程系，鄭州450052;2.鄭州輕工業(yè)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(gòu)卷揚機同步性難以實現(xiàn)的問題，針對起升機構(gòu)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(lián)動電氣控制系統(tǒng)，著重闡述了系統(tǒng)的硬件、軟件設計及模擬調(diào)試。結(jié)果表明本控制系統(tǒng)設計合理正確，實現(xiàn)了卷揚機工作的同步性，提高了起升機構(gòu)工作的可靠性、穩(wěn)定性。

提梁機;同步性;PLC;變頻器;光電編碼器

隨著現(xiàn)代科技的高速發(fā)展，以PLC為控制核心的自動控制系統(tǒng)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(xiàn)。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(xiàn)場條件復雜，且起升機構(gòu)負載較重，在多吊鉤聯(lián)動時難以實現(xiàn)卷揚機的同步性，造成載荷重心偏轉(zhuǎn)失控現(xiàn)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(xiàn)了起升機構(gòu)卷揚機的閉環(huán)自動控制，保證了多吊鉤聯(lián)動的同步性，提高了提梁機的工作性能［1-4］。

1 起升機構(gòu)多吊聯(lián)動卷揚機同步性控制策略

起升機構(gòu)多卷揚機同步控制屬于交流電動機的閉環(huán)控制，又稱反饋控制，實質(zhì)是利用負反饋的作用來減少系統(tǒng)的誤差機構(gòu)。閉環(huán)控制系統(tǒng)中，控制信號經(jīng)計算比較，通過執(zhí)行部件至被控對象，然后又經(jīng)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(tǒng)的輸出量趨向于給定的數(shù)值。其原理框圖見圖1所示。

圖1 按偏差調(diào)節(jié)的閉環(huán)控制系統(tǒng)原理方框圖

起升機構(gòu)采用4臺變頻器分別驅(qū)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(huán)控制。當產(chǎn)生控制信號時，PLC控制系統(tǒng)結(jié)合變頻器向交流電動機發(fā)出具體信號，使得電動機按照具體頻率運轉(zhuǎn)，經(jīng)由傳動系統(tǒng)實現(xiàn)提升機構(gòu)卷揚機吊鉤的運動。在電動機運轉(zhuǎn)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(zhuǎn)動角位移，經(jīng)由內(nèi)部信號處理電路，以脈沖的形式向PLC控制系統(tǒng)反饋電動機運轉(zhuǎn)相關數(shù)據(jù)，由PLC控制系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進行比較和處理，結(jié)合變頻器向電動機發(fā)出新的運行信號，消除多臺電機運行誤差，即可實現(xiàn)多臺卷揚機的同步運行［5-6］。

2 PLC控制系統(tǒng)硬件設計

2.1 控制系統(tǒng)組成

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

圖2 PLC控制系統(tǒng)框圖

系統(tǒng)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(zhuǎn)進行控制和調(diào)節(jié)。當工作現(xiàn)場出現(xiàn)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(gòu)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(tǒng)所需求的輸入、輸出點數(shù)量;且內(nèi)置4通道高速計數(shù)器，可結(jié)合光電編碼器滿足四臺卷揚機聯(lián)動時對電動機同步性運轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩輸出、良好的動態(tài)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(shù)字量輸入端口的通斷情況來輸出相應頻率驅(qū)動電機運行。

(3)增量式光電編碼器選用GSX型，在電機運轉(zhuǎn)時輸出單路脈沖信號至PLC高速計數(shù)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(jù)系統(tǒng)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(tǒng)軟件設計

3.1 模塊功能

依據(jù)控制系統(tǒng)硬件設計和起升機構(gòu)的工作過程，控制系統(tǒng)軟件運用結(jié)構(gòu)化和模塊化的設計。系統(tǒng)軟件中雙吊聯(lián)動與4吊聯(lián)動運行模塊涉及同步性控制。主要內(nèi)容如下:

(1)雙吊聯(lián)動運行模塊:通過調(diào)用PLC雙吊聯(lián)動子程序來實現(xiàn)兩卷揚機聯(lián)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(xiàn)雙吊聯(lián)動時兩卷揚機電動機的同步、同速運行。

(2)4吊聯(lián)動運行模塊:通過調(diào)用PLC4吊聯(lián)動子程序來實現(xiàn)四卷揚機聯(lián)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(xiàn)4吊聯(lián)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(lián)動模塊為例，確定PLC程序運行流程圖，如圖3所示。

控制系統(tǒng)工作時，根據(jù)PLC程序內(nèi)容，變頻器輸出相關頻率驅(qū)動卷揚機電機運轉(zhuǎn)，與電機同軸相連的光電編碼器輸出連續(xù)脈沖至PLC高速計數(shù)器通道，數(shù)值保存在PLC相關內(nèi)部寄存器里。對比4組內(nèi)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(tài)調(diào)整為輸出高一級的電流頻率，驅(qū)動3臺滯后電機更快速度運行。直至4數(shù)據(jù)寄存器值相等，表示4卷揚機電機保持同步運轉(zhuǎn)，通過程序，將4電機變頻器輸出頻率調(diào)整為初始設定值，此時四臺卷揚機電機保持同步、同速運轉(zhuǎn)。

圖3 4吊聯(lián)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(tǒng)局部梯形圖

4 模擬調(diào)試

利用實驗室設備對控制系統(tǒng)硬件、軟件設計進行模擬調(diào)試。由于I/O部分接口眾多不便全部顯示，現(xiàn)將部分模擬調(diào)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(shù)據(jù)接口可將程序傳輸給PLC。

圖5 部分模擬調(diào)試面板

下面以4吊聯(lián)動程序為例說明模擬調(diào)試過程。模擬調(diào)試過程分兩種情況:①對PLC高速計數(shù)器四通道數(shù)據(jù)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(zhí)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(shù)據(jù)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(lián)動模擬調(diào)試結(jié)果見表2所示。

表2 4吊聯(lián)動程序模擬調(diào)試結(jié)果

模擬結(jié)果顯示:4吊聯(lián)動子程序的執(zhí)行符合前述對4吊聯(lián)動運行的控制要求。

5 結(jié)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(gòu)卷揚機同步性控制系統(tǒng)，簡化了電氣控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了機、電一體化的控制。充分利用PLC硬、軟件資源進行模擬調(diào)試，結(jié)果表明控制系統(tǒng)PLC軟、硬件設計正確，程序執(zhí)行能夠滿足提梁機起升機構(gòu)卷揚機同步性的工作需求，可應用于工業(yè)現(xiàn)場。本系統(tǒng)解決了原有系統(tǒng)中故障率高、電機同步性難以實現(xiàn)、可靠性低等缺點，具有很大的推廣應用價值。

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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(yè)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(tǒng)研究與設計，wenxiaojuan198255@163.com;

張君霞(1979-)，女，講師，碩士，鄭州鐵路職業(yè)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(tǒng)研究與設計。

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