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摘要：桥式吊车作为一种大型的搬运起重设备在人们生产生活中的应用越来越普遍。在桥式吊车的运作过程中，吊车控制台是一个非常重要的部分。一般来讲，吊车控制台都是被固定安装在某个位置，然后吊车工作人员借助于透视窗观察来进行相应的操作，劳动强度大，劳动效率也比较低。另外，在桥式吊车的实际工作中，要想吊车把一些笨重物体准确放到人们指定位置也有一定难度。本文结合PLC和PC机，探讨桥式吊车控制系统的设计。
关键词：桥式吊车控制系统；设计
桥式吊车（桥式起重机）是一种起重、搬运设备，在车间、库房、反应堆堆厅等场所有着广泛应用。吊车驱动系统分为升降机构和平移机构；其升降机构通过钢丝绳牵引着吊钩作升降运动，平移机构由大车和小车驱动，沿着吊车大厅长、宽方向运动。吊车控制台一般安装在地面固定位置，操作人员通过透视窗观察进行操作，存在视觉盲区。由于吊车经常要沿特定路线行走，故要将重物准确地放到指定位置难度较大。因此，有必要加强桥式吊车控制系统的设计，以提高吊装重物的准确性，并降低操作人员的劳动强度和现场环境对人体的不良影响。
1硬件设计
桥式吊车作为一种负载提升系统包括三个主要部分:台车、桥架和轨道。如图1所示。
图1吊车结构示意图
在工作过程中,桥架可以沿轨道水平移动,台车又可以在垂直于轨道的方向上沿桥架水平移动,台车上的卷轴电机可以通过卷绳实现对负载的升降运动,这样三个方向上的运动就可以将负载送往吊车工作空间中的任意指定位置。
该吊车采用两台三相交流电机M1和M2来控制桥架的水平移动,一台交流电机M3控制台车的水平移动,另有一台升降电机通过控制卷轴的转动来实现吊钩的升降运动。因升降电机对速度要求不高,控制相对简单,所以在本控制系统中,不考虑该电机。采用两台西门子SIMOVERTMASTERDRIVES来驱动桥架电机M1、M2和台车电机M3。SIMOVERTMASTERDRIVES是交流变频器,它可将交流电机转变为高精度可变驱动器,此系列驱动器在全球范围内通用,适用于230~690V范围内的全部供电电压,并且进行了全球范围的认证。这两台变频器由西门子CPU314C-2DP型PLC发出的模拟电压信号来驱动。在手动模式下,当有操作员按下线控面板上的按钮(向前、向后或者无按钮按下)时,PLC发出相应的控制信号。升降电机由简单的继电器来进行控制,该继电器同样由线控按钮来触发。这些信号并不送往PLC。
吊车的防摆、精确定位等控制由PC机、BannerLT3激光测距仪和西门子VS722型机器视觉系统来实现。该系统的硬件结构图如图2。
图2桥式吊车控制系统硬件结构图
激光测距传感器装设在桥架上,在桥架移动方向上发射脉冲,通过一个固定的反射面来将激光反射回传感器的接收元件,通过计算电脉冲之间的时间间隔(发射脉冲及接收脉冲)导出被测物移动的距离。机器视觉系统固定在吊车的正中,可以俯瞰负载,负载和周围9m2内的障碍物都会被相机拍摄下来,视觉系统内的图像处理装置会将所拍摄的照片转化为负载坐标。
2软件设计
该系统的控制由PLC、PC机和视觉系统来实现。
(1)PLC控制程序
PLC用于实现故障检测、通信网络中数据传递的时间测定、将PC机发出的控制电机速度的数字信号转换为模拟信号等基本任务。PC机的任务是接收传感器上的信号,并将这些信号用于控制,然后向PLC发出速度控制的参考输入信号。视觉系统里面的图像处理用户程序可以将拍摄的照片转换为坐标信息。
PLC的控制程序包括主程序和中断服务程序两部分。主程序主要用于故障检测,比如用于检测桥架和台车是否撞下限位开关,确保桥架、台车电机没有发生过载故障等等。中断服务程序的功能是:接收激光测距仪的模拟信号,此信号代表了桥架的位置;将此信号发送给PC机;从按钮或者PC机接收速度参考信号,并且将该信号传送给变频器。控制程序结构图如图3。
图3PLC控制程序结构图
该系统有三种工作模式:手动、自动和半自动。
所谓手动模式,桥架和台车的运行完全由操作者来控制,由PLC产生的速度控制信号也是和所按下去的控制按钮相关联的。
所谓自动模式,即桥架和台车的所有运行模式完全由PC机来进行控制,不需要人的参与,速度控制信号也是由PC机传递给PLC的。
所谓半自动模式,实质上也是手动模式,主要用于吊车驶向预定的目的地。如果因为太远或者视线受阻,操作者难以精确控制时,并且该目的地在视觉系统能拍摄的范围之内时,PC机可以发出提醒信号,可以将控制权交给PC机,当然操作者也可以选择继续手动操作。
(2)PC控制程序
PC机控制程序采用VB进行编程,VB采用事件驱动的编程方式,根据相应的事件决定执行的代码。本系统中可能产生的事件有:程序的初始化、从视觉系统接收数据或从PLC接收数据。事件及其触发的函数如图4所示。
图5每个脉冲引起的输出
(3)视觉系统的编程
西门子VS722视觉系统是一种紧凑式的图像处理传感器,可以在线进行图像获取、处理、数字I/O,并且可以进行串行和以太网通讯。该视觉系统用于检测目标位置并将信息传递给计算机。它首先获取负载及其周围环境的一个分辨率为640×480的图像,然后相机里的用户程序会对该图像进行处理,最终得到负载坐标。最后,相机通过以太网连接将该信息送往PC机。采用西门子公司提供的Spectation组态软件可以很容易地编写用户程序。图像的获取周期可以通过用户程序从内部确定,也可以通过外部信号触发。根据用户需要处理的图像数量不同,一个图像处理周期可以从40ms到200ms不等。
图6两脉冲叠加后的输出
结语
上述方案经过实际应用,该桥式吊车在性能上得到了很大的提高,大大减小了吊车的摆动,摆动范围减小为之前的30%,提高了吊车运行的安全性。该吊车可以实现自动运行,降低了工作人员的劳动强度,提高了工作效率和安全性能,值得推广。
参考文献:
[1]杨新军.桥式吊车控制系统的设计[J].农业装备与车辆工程,2017,55(02):52-54.
[2]张令山.解析变频器和PLC在大型起重机控制中的应用[J].中国机械,2015(4):87-88.
[3]刘熔洁,李世华.桥式吊车系统的伪谱最优控制设计[J].控制理论与应用,2013.30(8):981-989.
论文作者:朱铁海
论文发表刊物:《防护工程》2018年第20期
论文发表时间:2018/11/15
标签：吊车论文; 信号论文; 系统论文; 台车论文; 桥架论文; 电机论文; 负载论文; 《防护工程》2018年第20期论文;