基于PLC控制系統的懸臂吊應用方案設計*

余名憲，沈國平，許益芳，鄒麗玲，吳欣煒，宋莉潔

（浙江經濟職業技術學院，杭州 310018）

0 引言

實訓教學在物流管理專業（智能物流方向）人才培養體系中占有極其重要的作用，需要在理論的指導下培養學生的綜合創新能力[1-4]。懸臂吊起重機具有高效、節能、省事、占地面積小、易于操作與維修等特點，廣泛應用于港口、工業制造、物流等重要行業[5]。隨著工業互聯網的興起，通過PLC控制技術、變頻技術、紅外傳感技術的應用，讓懸臂吊更加智能化、數字化以及安全化，不僅實現了懸臂吊起重機的自動化運作，監控運行狀態，而且提高了勞動生產效率，實現了設備的改造與升級。

中國是懸臂吊制造大國，但不是強國。中國生產的工程機械已經占全球工程機械總產量的一半，但一些高端裝備與國際先進企業的產品相比，還是存在較大差距。懸臂吊的現狀是大而不強，因此怎樣讓懸臂吊更加的智能化、安全化以及更有效益化就是需要考慮的問題。肖海峰[6]研究了PLC在起重機控制中的應用；黃明鑄[7]研究了變頻器和PLC在起重機的應用；李海東[8]研究了橋式起重機控制系統改造中PLC和變頻器的應用；謝南煊[9]研究了解析變頻器和PLC在大型起重機控制中的應用；周煒明，許娜[10]研究了氣動采摘機械手快速控制系統設計。以上研究為PLC控制系統和MCGS在起重機中的應用提供了很好的參考。

1 設計思路

根據懸臂吊起重機的現有技術，結合PLC控制技術、變頻技術、紅外傳感技術與MCGS觸摸屏技術的綜合運用。具體思路為在懸臂吊起重機加裝PLC控制器與變頻器，在MCGS觸摸屏的使用下，將自動和手動兩種模式自由切換。

本文是基于PLC的懸臂吊起重機控制系統利用觸摸屏進行自動化和手動化操作，控制系統選取三菱FX3U-32M為控制器，實現對懸臂吊起重機起動、停止、反向運動、吊鉤升降等一系列控制，在速度調控方面采用三菱D700 3Ф400V變頻器對各機構進行變頻調速。系統中還設計了完善的運行指示模塊，操作人員能夠清晰直觀地監測起重機各部位運行情況?？删幊绦蚩刂破鳎≒LC）是懸臂吊起重機自動控制的核心環節，其作用是將操作者的控制指令進行處理，通過其內部軟件程序的運算和轉化，形成對起重機運行系統執行機構的控制信號，并通過接口程序輸出給執行機構。因而，懸臂吊起重機的智能化和自動化程度，很大程度上取決于PLC的配置及其內部軟件程序的結構和算法等因素。系統設計方案如圖1所示。

懸臂吊起重機主要功能是完成大型物品的起吊及運輸，PLC作為控制系統的核心，其控制系統主要涉及兩方面的功能：檢測輸入信號和控制輸出。懸臂吊起重機控制系統要完成對操作按鈕輸入檢測、限位開關檢測、變頻器反饋檢測等。PLC為核心控制器，通過檢測面板、限位面板、開關、操作按鈕輸入，將輸入的控制信息、速度反饋信息和路徑信息進行處理，經過計算和轉換，生成變頻電機的轉速信號輸出給變頻器，完成設備運行、停止和調速控制，從而控制懸臂吊起重機的自動運轉。

圖1 系統設計方案

PLC作為該系統的大腦，負責整個控制系統的工作。作為主控制系統，它接收主令控制器（起重機操作平臺）和其他電器元件采集來的各種信號，通過內部程序運算，輸出控制指令給變頻器。變頻器根據PLC的輸入指令，控制著起重機各電機的啟停、正反轉和調速。同時PLC接收到信號有異常，經過內部程序運算，PLC會向變頻器發出停車指令而使得懸臂吊停止工作，并指令電源及安保系統使得起重機電源斷開。從而實現懸臂吊起重機更加安全、智能。

2 設計原理

2.1 懸臂吊結構

懸臂吊起重機工作強度為輕型，由立柱、回轉臂回轉驅動裝置、吊鉤、動滑輪、定滑輪及電動葫蘆組成，立柱下端通過地腳螺栓固定在混凝土基礎上，由擺線針輪減速裝置來驅動懸臂回轉，電動葫蘆在懸臂工字鋼上作左右直線運行，并起吊重物。起重機旋臂為空心型鋼結構，自重輕，跨度大，起重量大，經濟耐用。內置式行走機構，采用帶滾動軸承的特種工程塑料走輪，摩擦力小、行走輕快、結構尺寸小，特別有利于提高吊鉤行程。

2.2 PLC控制系統總體設計

PLC控制系統設計包括硬件設計和軟件設計。PLC控制系統的硬件設計是至關重要的一個環節，這關系著其運行的可靠性、安全性、穩定性。主要包括輸入和輸出電路兩部分。在進行硬件設計的同時可以著手軟件的設計工作，軟件設計的主要任務是根據控制要求將工藝流程圖轉換為梯形圖，這是PLC應用的最關鍵的問題，程序的編寫是軟件設計的具體表現。在控制工程的應用中，良好的軟件設計思想是關鍵，優秀的軟件設計便于工程技術人員理解掌握、調試系統與日常系統維護。

采用三菱FX3U-32M PLC控制系統，如表1、表2所示，實現懸臂吊自動化，根據設計要求工作流程以及控制功能，在系統啟動之后，電源指示燈亮起，設備初始化數據。當抱閘充電之后松開，此時操作人員便可以對各機構進行操作。操作人員在駕駛室經由上位機發出指令信號，指令傳輸至PLC之后經過處理發送至變頻器，再傳輸至電動機控制電機的轉動。在運行的過程當中，操作員根據實際情況判斷是否進行變頻調速以控制運行機構和起升機構的運行速度。運行過程中操作員根據起升機構的水平位置以及吊鉤的垂直位置與指定位置的偏移方向與偏移量確定是否到位，如若不到位則需要重新進行方向控制，對各機構的運行進行修正，當各機構運行至指定位置時抱上抱閘。

表1 設備型號

表2 技術參數

PLC執行用戶程序時，首先從第一條程序開始掃描，在沒有中斷或跳轉指令的情況下，按程序存儲順序的先后逐條執行用戶程序，直到程序結束。然后再從頭開始掃描執行，重復運行。

2.3 PLC基本結構

PLC基本結構包括：（1）電源，可編程邏輯控制器的電源在整個系統中起著十分重要的作用；（2）中央處理單元（CPU），CPU是可編程邏輯控制器的控制中樞，它需要檢查電源、儲存器、I/O以及警戒定時器的狀態，并能診斷一些程序錯誤；（3）儲存器，存放系統軟件和應用軟件；（4）輸入輸出接口電路；（5）擴展單元，可以根據所控制對象的控制規模大小去靈活組成電器控制系統；（6）通信模塊，PLC通過這些通信接口可以與監視器、打印機、等設備實現通信。

2.4 功能

功能設計包括：（1）現場，首先通過按鈕選擇手動操作還是自動操作；（2）手動，通過按鈕進行懸臂吊作業；（3）自動，通過設置好的程序進行自動化作業；（4）遠程，在MCGS觸摸屏上設置兩個按鈕，一個手動，一個自動；（5）手動，通過觸摸屏上的按鈕進行監控并操作；（6）自動，通過觸摸屏設定的程序進行作業。

3 電路設計

PLC控制系統在懸臂吊中的電路設計如圖2～4所示。

圖2 總電路圖

圖3 自動情況下PLC電路圖

圖4 手動情況下PLC電路圖

PLC控制系統點位表設計如表3、4所示。

表3 點位表

表4 手動點位表

達到上限位X0通電，M0置0，Y6置1，T0計時1 s，當C1為1時，電鈴響1 s后斷電，C1達到一次加1，當C1為1的時候M2置1，當到達上限位時通電，當同時到達上限位、左限位和C1為1時M2復位。

4 MCGS組態控制屏幕設置

MCGS系統對懸臂吊的動作進行管理和調度，使懸臂吊的性能發揮到最佳狀態，實驗步驟如圖5～9所示。

圖5 觸摸屏首頁

圖6 策略屬性設置

圖7 工作臺界面

圖8 屬性設置

圖9 操作界面

當輸送帶進行輸送，紅外線技術感應到物體時，懸臂吊下降至下限位，抓取物體1 s后上升到達上限位進行旋轉，到達左限位后開始下降，懸臂吊下降至下限位，抓手松開1 s后上升至上限位。

5 設計效果

為了提高懸臂吊的控制效率，將PLC控制和MCGS組態軟件引入到了懸臂吊的控制系統中，實現了懸臂吊的快速控制和狀態監測，從而提高了懸臂吊的控制效率。為了驗證方案的可行性，對懸臂吊控制系統進行了測試（包括PLC控制效率和MCGS的監測效果）。測試結果表明:MCGS可以成功地監測懸臂吊的作業狀態數據，采用PLC控制系統具有較高的控制效率和準確性，抓取物料的破損率較低，需要的抓取時間較短，可以滿足懸臂吊快速控制的設計需求。

6 結束語

本文通過運用PLC控制技術在懸臂吊中的應用，提高了懸臂吊的控制水平，改進了懸臂吊的運作性能，促進了懸臂吊的可靠性，提高了懸臂吊的安全系數，從而實現了運作效率的提升。