基于PLC的塔式起重机控制系统的设计.pdf

邮 局 订 阅 号 : 8 2 - 9 4 6 3 6 0 元 / 年技术创新控 制 系 统 P L C 技 术 应 用 2 0 0 例 您 的 论 文 得 到 两 院 院 士 关 注1 传 统 的 塔 式 起 重 机 的 控 制 现 状塔 式 起 重 机 是 我 们 建 筑 机 械 的 关 键 设 备 , 在 建 筑 施 工 中 起着 重 要 作 用 , 我 们 只 用 了 五 十 年 时 间 走 完 了 国 外 发 达 国 家 上 百年 塔 机 发 展 的 路 程 , 如 今 已 达 到 发 达 国 家 水 平 并 跻 身 于 当 代 国际 市 场 . 随 着 高 层 建 筑 发 展 , 对 施 工 机 械 提 出 了 新 的 要 求 . 于 是 ,1 6 0 T M 附 着 式 、 4 5 T M 内 爬 式 、 1 2 0 T M 自 升 式 等 都 由 我 国 自 己 设计 并 制 造 ; 八 十 年 代 , 国 家 建 设 突 飞 猛 进 , 建 筑 用 最 大 的 2 5 0 T 也 应 运 而 生 . 进 入 九 十 年 代 , 现 代 化 进 程 不 断 加 快 , 国 内 外市 场 对 塔 机 要 求 越 来 越 高 , 众 多 城 市 大 型 建 筑 、 水 利 、 电 力 、 桥梁 等 不 断 增 加 , 市 场 的 要 求 加 快 了 新 产 品 开 发 的 力 度 , 先 后 有4 0 0 T M 、 9 0 0 T M 水 平 臂 和 3 0 0 T M 动 臂 式 塔 机 . 9 0 年 代 开 发 生 产的 塔 机 产 品 技 术 性 能 均 显 著 提 高 , 起 升 机 构 采 用 三 速 电 机 驱动 、 涡 流 制 动 、 电 动 换 挡 减 速 箱 , 变 幅 回 转 采 用 双 速 电 机 液 力 联轴 节 驱 动 , 或 采 用 变 频 调 速 , 有 多 种 速 度 , 工 作 平 稳 生 产 效 率 高 装 置 齐 全 , 动 作 灵 敏 可 靠 , 装 有 防 止 误 操 作 和 野 蛮 操 作 装置 , 可 杜 绝 安 全 事 故 。随 着 功 率 电 子 技 术 的 发 展 , 早 在 六 十 年 代 后 期 , 国 外 就 开 始致 力 于 晶 闸 管 定 子 调 压 调 速 技 术 的 开 发 研 究 . 目 前 , 该 技 术 己 进入 了 成 熟 稳 定 的 发 展 应 用 阶 段 . 可 编 程 序 控 制 器 P L C 引 入 到 交流 电 气 传 动 系 统 后 , 使 传 动 系 统 性 能 发 生 了 质 的 变 化 . 在 塔 式 起重 机 实 现 了 抓 斗 的 自 动 控 制 和 故 障 诊 断 、 检 测 显 示 等 , 达 到 了 新的 技 术 高 度 。由 变 频 器 构 成 的 交 流 调 速 系 统 可 取 代 直 流 调 速 系 统 , 是 随 着计 算 机 技 术 特 别 是 大 规 模 集 成 电 路 制 造 技 术 的 不 断 发 展 的 必 然结 果 , 符 合 起 重 机 的 发 展 趋 势 , 适 合 发 展 大 起 重 重 量 的 起 重 机 。2 塔 式 起 重 机 P L C 控 制 系 统 原 理本 系 统 将 塔 式 起 重 机 控 制 系 统 由 继 电 器 控 制 改 为 P L C 控制 , 四 大 机 构 调 速 均 采 用 变 频 调 速 . 塔 式 起 重 机 控 制 系 统 的 系 统总 框 图 如 图 1 所 示 。塔 式 起 重 机 的 起 升 、 变 幅 、 回 转 、 运 行 电 动 机 都 需 要 独 立 运行 , 整 个 系 统 由 6 台 电 动 机 和 4 台 变 频 器 传 动 , 使 用 一 台 P L 控 制 。图 1 系 统 总 框 图运 行 机 构 的 起 动 时 间 应 尽 量 符 合 实 际 需 要 , 起 动 迅 速 而 平稳 ; 机 构 的 电 气 制 动 方 式 必 须 着 重 考 虑 . 对 不 同 的 工 况 , 可 选 择自 由 制 动 方 式 与 强 制 制 动 方 式 . 在 运 行 机 构 正 常 停 止 时 , 可 选 用自 由 停 止 方 式 , 其 停 止 时 间 可 按 实 际 生 产 中 的 运 行 情 况 设 定 , 以尽 量 满 足 司 机 操 作 塔 式 起 重 机 的 需 要 为 主 . 为 保 证 起 升 机 构 起动 时 具 有 足 够 大 的 起 动 转 矩 , 可 以 通 过 设 定 机 械 制 动 器 的 打 开时 间 、 变 频 器 的 最 低 运 行 频 率 、 运 行 电 流 之 间 的 关 系 , 以 满 足 机构 负 载 特 性 的 要 求 。 变 频 器 内 部 参 数 的 设 定 能 保 证 机 构 具 有 良好 的 调 速 精 度 及 起 制 动 性 能 , 由 于 起 升 机 构 电 机 需 使 用 脉 冲 编基 于P L 式 起 重 机 控 制 系 统 的 设 计T O W E R C R A N E C O N T R O L S Y S T E M D E S I G N B A S E D O N P L C( 长 沙 理 工 大 学 ) 贺 勇 陈 建 华H E Y O N G C H E N J I A N H U : 本 文 针 对 传 统 的 由 继 电 器 接 触 器 控 制 的 塔 式 起 重 控 制 系 统 可 靠 性 差 、 操 作 复 杂 、 故 障 率 高 、 电 能 浪 费 大 、 效 率 低 等 缺 点提 出 将 可 编 程 序 控 制 器 和 变 频 器 应 用 于 其 控 制 系 统 . 在 塔 式 起 重 机 提 升 机 构 加 上 一 套 由 旋 转 编 码 器 、 P G 数 模 转 换 构 成 变 频器 闭 环 系 统 . 结 果 表 明 : 该 系 统 使 用 方 便 , 具 有 良 好 的 动 态 调 整 性 能 , 极 大 提 高 了 系 统 的 稳 定 性 、 可 靠 性 词 : 可 编 程 序 控 制 器 ; 塔 式 起 重 机 ; 稳 定 性中 图 分 类 号 : T P 2 7 3 + . 5 文 献 标 识 码 : AA b s t r a c t : T o t r a d i t i o n a l t o w e r c r a n e c o n t r o l s y s t e m u s e d m a i n l y r e l a y c o n t a c t o r c o n t r o l , B e c a u s e o f i t s s h o r t c o m i n g s o f r e l i a b i l i t y w o r s ea n d o p e r a t i o n c o m p l i c a t l y , a n d t h e h i g h f a i l u r e r a t e , e n e r g y w a s t e a n d l o w e f f i c i e n c y , T h e p a p e r d e s i g n a P L C - b a s e d c o n t r o l s y s t e mo f t o w e r c r a n e s b y P L C a n d F r e q u e n c y C o n t r o l S y s t e m . T h e t o w e r c r a n e h a s a l i f t i n g m e c h a n i s m b y r o t a r y e n c o d e r , P G d i g i t a l - t o -a n a l o g c o n v e r t e r c o n s t i t u t e c o n v e r t e r c l o s e d l o o p s y s t e m . T h e r e s u l t s h o w s t h e s y s t e m i s e a s y t o u s e a n d h a s t h e d y n a m i c a d j u s t m e n tf u n c t i o n e f f i c i e n t , i t s r e l i a b i l i t y a n d s t a b i l i t y a r e i m p r o v e d d y n a m i c .K e y w o r d s : P r o g r a m m a b l e C o n t r o l l e r , T o w e r c r a n e , S t a b i l i t 编 号 : 1 0 0 8 - 0 5 7 0 ( 2 0 0 7 ) 0 8 - 1 - 0 0 8 5 - 0 2贺 勇 : 讲 师 硕 士8 5- 核 心 期 刊 微 计 算 机 信 息 ( 测 控 自 动 化 ) 2 0 0 7 年 第 2 3 卷 第 8 - 1 期3 6 0 元 / 年 邮 局 订 阅 号 : 8 2 - 9 4 6 现 场 总 线 技 术 应 用 2 0 0 例 控 制 系 统码 器 作 为 速 度 反 馈 装 置 . 通 过 测 量 脉 冲 编 码 器 的 脉 冲 数 , 利 用 二者 之 差 控 制 电 机 的 速 度 , 所 以 选 择 脉 冲 编 码 器 及 其 安 装 时 , 应当 考 虑 周 全 。3 系 统 硬 件 设 计电 气 控 制 系 统 原 理 图 主 要 包 括 主 电 路 和 P L C 外 围 接 线 图 。1 . 主 电 路 共 有 六 台 电 机 , 同 时 带 有 风 机 冷 却 装 置 。2 . P L C 外 围 接 线 电 路 的 I / O 接 线 信 号 分 别 与 表 1 中 的 I / O 名 称相 对 应 。表 1 S 7 - 2 0 0 I / O 分 配 表4 系 统 软 件 设 计根 据 塔 式 起 重 机 控 制 电 路 的 工 作 原 理 , 绘 制 软 件 流 程 图 如图 2 所 示 。在 本 系 统 中 , P L C 程 序 设 计 的 主 要 任 务 是 接 受 外 部 开 关 信号 ( 按 钮 、 联 动 控 制 台 继 电 器 ) 的 输 入 , 判 断 当 前 的 系 统 状 态 以 及输 出 信 号 去 控 制 接 触 器 等 器 件 , 以 完 成 相 应 的 控 制 任 务 。系 统 部 分 梯 形 图 如 图 3 所 示 。图 2 系 统 软 件 流 程 图图 3 梯 形 图5 结 论本 文 设 计 的 塔 式 起 重 机 P L C 控 制 系 统 在 实 验 室 调 试 以 后 ,已 成 功 应 用 于 长 沙 某 大 型 起 重 机 公 司 , 系 统 经 过 六 个 月 的 连 续运 行 , 从 未 发 生 一 次 故 障 , 与 传 统 的 塔 式 起 重 机 控 制 系 统 相 比较 , 具 有 以 下 优 点 :1 . 使 用 方 便 ;2 . 具 有 良 好 的 动 态 调 整 性 能 ;3 . 极 大 提 高 了 系 统 的 稳 定 性 、 可 靠 性 ;4 . 每 年 可 节 约 维 修 成 本 1 万 元 左 右 ( 据 使 用 该 塔 机 的 公 司粗 略 统 计 , 与 之 前 相 比 , 经 济 效 益 每 年 可 提 高 5 0 多 万 元 ) , 运 行效 率 极 大 地 得 到 了 提 高 。经 实 践 证 明 : 本 系 统 的 设 计 是 行 之 有 效 的 , 具 有 良 好 的 应用 价 值 。本 文 创 新 点 : 对 传 统 的 继 电 - 接 触 器 控 制 的 塔 式 起 重 机 进 行改 造 , 设 计 了 一 套 基 于 P L C 的 塔 式 起 重 机 控 制 系 统 , 已 投 入 使用 . 实 践 证 明 : 该 系 统 使 用 方 便 , 具 有 良 好 的 动 态 调 整 性 能 , 极 大提 高 了 系 统 的 稳 定 性 、 可 靠 性 。参 考 文 献 1 中 华 机 械 网 . 塔 式 起 重 机 的 历 史 发 展 和 存 在 问 题 E B / O L . h t t p : / /c h i n a . m a c h i n e 3 6 5 . c o m / n e w s / 0 5 0 2 0 2 / 2 / 4 1 5 9 3 _ 1 . h t m l , 2 0 0 5 - 0 2 - 0 2 . 2 刘 佩 衡 . 我 国 塔 式 起 重 机 行 业 发 展 历 程 . 北 京 : 中 国 学 术 期 刊( 光 盘 版 ) 电 子 杂 志 社 ， 2 0 0 3 ( 1 0 ) - 2 0 0 4 ( 1 ) . 3 张 礼 华 . P L C 在 塔 式 起 重 机 电 气 控 制 上 的 应 用 J . 南 京 工 业 职业 技 术 学 院 学 报 . 2 0 0 4 . 4 ( 3 ) 4 - 6 . 4 赵 闪 . S I E M E N S S I M A T I C S 7 _ 3 0 0 P L C 在 锅 炉 计 算 机 监 控 系 统中 的 应 用 J 微 计 算 机 信 息 . 2 0 0 3 ， 1 9 ( 8 ) ， 2 4 - 2 5 5 张 万 忠 . 可 编 程 控 制 器 入 门 与 应 用 实 例 M . 北 京 : 中 国 电 力 出版 社 ， 2 0 0 5 . 6 李 泰 炯 ， 田 中 平 ， 谢 其 盛 . 塔 式 起 重 机 控 制 系 统 的 改 进 J . 维 普资 讯 ， 2 0 0 6 ( 2 ) 6 2 - 6 3 . ( 下 转 第 9 6 页 )8 6- 核 心 期 刊 微 计 算 机 信 息 ( 测 控 自 动 化 ) 2 0 0 7 年 第 2 3 卷 第 8 - 1 期3 6 0 元 / 年 邮 局 订 阅 号 : 8 2 - 9 4 6 现 场 总 线 技 术 应 用 2 0 0 例 数 采 与 监 测m m , 直 径 为 5 5 m m 的 平 行 光 管 。4 . 2 C C D 镜 头 焦 距 计 算根 据 图 3 的 光 路 和 成 像 分 析 , 平 行 光 管 分 划 板 图 像 经 过 平行 光 管 镜 头 光 瞄 具 物 镜 成 像 增 强 器 的 阴 极 上 ,成 像 关 系 为 , 为 负 像 。 像 增 强 的 图 像 传 输 是 倒 像 的 方式 , 在 荧 光 屏 的 显 示 为 正 像 , 。 图 像 再 经 过 微 光 瞄具 目 镜 焦 镜 头 在 C C D 探 测 器 的 像 敏 感 面 上 , 成像 关 系 为 , 为 负 像 。 要 求 的 图 像 大 小 成 像 在 C C D 敏感 面 以 较 短 边 4 . 8 m m 为 直 径 的 圆 内 。 综 合 上 面 的 关 系 可 以 有( 2 ) 的 关 系 :( 2 )根 据 上 面 的 检 测 系 统 部 件 的 选 择 , 平 行 光 管 距 的5 5 0 m m , 相 对 D / f 孔 径 为 1 / 1 0 , 所 以 平 行 光 管 的 直 径 为 5 5m m 。 本 次 检 测 的 微 光 瞄 具 是 物 镜 为 8 0 m m , 像 增 强 器为 倒 像 方 式 , 输 入 / 输 出 直 径 为 1 8 / 1 8 , 瞄 具 是 物 镜 为2 0 m m 。 C C D 摄 像 机 D H - H V 系 列 为 C M O S 传 感 器 , 尺 寸 为 1 /1 . 8 英 寸 , 理 论 计 算 像 敏 面 宽 高 为 6 . 7 2 m m 5 . 0 4 m m , 实 际 应 用像 敏 面 宽 高 约 为 6 . 4 4 . 8 m m 。由 上 面 给 出 的 数 据 , 平 行 光 管 分 划 板 可 视 直 径 应 该 是 0m m y 5 5 m m , 实 际 制 作 的 分 划 板 为 5 m m y 5 0 m m 。 终 端C C D 像 敏 面 显 示 的 图 像 按 照 充 满 像 敏 面 高 4 . 8 m m 为 直 径 的 圆 ,这 样 有 利 于 系 统 检 测 与 分 析 , 所 以 取 最 大 为 4 . 8 m m 。把 上 述 的 数 据 代 入 下 面 的 关 系 式 ( 3 ) , 得 到 如 下 表 1 的 C C 镜 头 焦 距 计 算 数 据 :( 3 )根 据 上 述 计 算 表 格 的 数 据 可 以 分 析 , 在 平 行 光 管 分 划 板 可视 直 径 取 5 m m y 5 0 m m 变 化 , 终 端 C C D 像 敏 面 显 示 的 图 像按 照 充 满 像 敏 面 时 , C C D 变 焦 镜 头 焦 距 ( 应 为 1 2 . 9 m m 3 2 m m , 实 际 工 程 选 择 的 C C D 变 焦 镜 头 焦 距 ( 为 1 2 m m 5 m m , 完 全 可 以 达 到 系 统 检 测 指 标 要 求 。表 1 C C D 变 焦 镜 头 焦 距 计 算 数 据5 结 论利 用 上 述 构 成 的 微 光 枪 瞄 多 环 境 试 验 检 测 系 统 , 对 瞄 具 实际 环 境 试 验 进 行 测 试 , 参 照 美 军 M I L - S T D - 8 1 0 标 准 和 我 们 国 家W 2 3 6 0 兵 器 产 品 自 然 环 境 试 验 方 法 环 境 因 素 监 测 标 准 、 环 境工 程 军 用 标 准 G J B 4 2 3 9 - 2 0 0 1 装 备 环 境 工 程 通 用 要 求 , 其 测试 数 据 可 靠 , 完 全 达 到 军 方 要 求 。 系 统 是 在 W i n d o w s 环 境 下 利用 D e l p h i 编 程 实 现 数 据 采 集 、 分 类 和 运 算 , 最 后 可 以 输 出 “ 枪 瞄零 位 走 动 量 测 试 报 告 ” 。 在 多 环 境 试 验 的 基 础 上 , 对 微 光 枪 瞄 的重 要 部 件 ( 如 光 学 镜 片 , 分 划 板 , 像 增 强 器 及 环 型 紧 固 垫 圈 等 ) 展开 建 模 , 进 行 分 析 和 优 化 , 为 微 光 枪 瞄 的 多 环 境 试 验 优 化 设 计 提供 了 可 靠 依 据 。 对 获 得 的 图 像 运 用 现 代 图 像 处 理 和 小 波 分 析 理论 , 其 测 量 精 度 0 . 0 5 m i l , 测 量 范 围 4 0 m i l , 达 到 项 目 要 求 。创 新 点 说 明 : 在 国 内 军 品 生 产 行 业 首 次 将 现 代 图 像 处 理 技 术与 光 电 检 测 设 备 相 结 合 应 用 到 微 光 夜 视 仪 的 多 环 境 试 验 L N S M T( L o w - l e v e l - l i g h t N i g h t S i g h t M u l t i - e n v i r o n m e n t a l T e s t ) 检 测 过 程 中 ,为 直 视 瞄 具 生 产 和 检 测 提 供 了 系 统 成 像 质 量 的 精 确 判 据 。参 考 文 献 1 祝 耀 昌 产 品 环 境 工 程 概 论 M 北 京 ： 航 空 工 业 出 版 社 ， 2 0 0 3 2 M I L - S T D - 8 1 0 F C o n s i d e r a t i o n o f E n v i r o n m e n t a l E n g i n e e r i n ga n d L a b o r a t o r y T e s t S U . S . A . D e p a r t m e n t O f D e f e n S e 2 0 0 0 3 郝 红 侠 高 有 行 基 于 U S B 2 . 0 的 C C D 高 速 光 栅 检 测 系 统 的 设计 J 微 计 算 机 信 息 ， 2 0 0 6 ， 3 - 1 ： 1 5 0 - 1 5 4 4 王 中 民 瞄 准 仪 器 原 理 与 设 计 M . 北 京 ： 北 京 理 工 大 学 出 版社 ， 1 9 9 6 5 G J B 4 2 3 9 装 备 环 境 工 程 通 用 要 求 S 总 装 备 部 军 用 标 准 化研 究 中 心 ， 2 0 0 1 6 张 军 利 用 D e l p h i 编 程 实 现 现 场 数 据 采 集 J 微 计 算 机 信 息 ，2 0 0 2 ， 1 2 ： 3 3 - 3 4作 者 简 介 : 高 有 堂 ( 1 9 6 5 - ) , 男 , 河 南 周 口 人 , 南 京 理 工 大 学 在 读 博士 , 南 阳 理 工 学 院 副 教 授 , 主 要 从 事 微 光 夜 视 技 术 、 光 电 图 像 处 理与 系 统 研 究 工 作 ; 常 本 康 ( 1 9 5 2 - ) , 男 , 博 士 , 光 电 工 程 , 教 授 。B i o g r a p h y : G a o Y o u t a n g ( 1 9 6 5 - ) , M a l e , Z h o u k o u H e n a nP r o v i n c e , H e i s c u r r e n t l y a P h D c a n d i d a t e f o r t e c h n o l o g y o f L L Ln i g h t v i s i o n , e l e c t r o n i c s c i e n c e t e c h n o l o g y a n d o p t o e l e c t r o n i ci n f o r m a t i o n p r o c e s s i n g a t N a n J i n g U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n dT e c h n o l o g y , a s s o c i a t e p r o f e s s o r o f N a n y a n g