（机械电子工程专业论文）基于plc和wincc的塔机智能监控管理系统研究.pdf

山东建筑大学硕士学位论文 摘要 塔式起重机( 塔机) 是一种重要的物料运输机械，它具有加快施工进度、减轻劳 动强度、节省人力、降低工程造价等优点，在现代建筑施工场所中获得了广泛的应用。 但是，在为建筑施工带来方便的同时，塔机的安全事故也随之增多，由此引发的人员 伤亡和设备损坏时有发生，给人民的生命财产安全造成了巨大的损失。因此，利用现 代计算机技术、控制技术提高塔机的工作效率、尽量避免塔机事故的发生具有非常重 要的意义。 针对这一问题，本文设计了用于在线监测的塔机智能监控管理系统。在分析了现 有方案的基础上确定了既二班和w i l l c c 为基础的塔机监控方案，p l c 作为下位机用 = = 了： 来接收处理传感器传送的信息，利用w i i l c c 来组态上位机监控界面，用来显示塔机的 各个运行参数。 本文完成了塔式起重机监控系统的分析与研究、数据采集单元的设计、p l c 硬件 设计及软件编程、p l c 与上位机通讯、上位机监控界面组态等工作。系统中采用旋转 编码器、拉力传感器及倾角传感器来采集塔机运行参数，使数据测量更加准确。利用 p l c 实现塔机电气控制，完成传感器采集信息的处理。p l c 处理过的数据通过u s b p p i 电缆传送到上位机中，以o p c 方式实现p l c 与上位机之间的数据交换，包括o p c 服 务器与p l c 通讯及o p c 服务器与w i i l c c 通讯两方面。利用w m c c 组态软件组态的上 位机监控界面实现了塔机的实时运行状态、运行参数显示、进行系统参数设置等功能， 对塔机的超重、超力矩、倾角过大进行报警，并且添加了防碰撞自学习功能，有效地 避免了塔机碰撞事故的发生。 实验表明，该监控系统能够完成塔机运行参数实时显示、系统报警等功能，完成 了最初的设计要求，具有一定的实际应用价值。 关键词：塔式起重机，智能监控，数据采集，p l c ，w i n c c 山东建筑大学硕士学位论文 r e s e a r c ho ft o w e rc r a n ei n t e i i i g e n tm o n i t o r i n gm a n a g e m e n ts y s t e m b a s e do np l ca n dw i n c c z h ux i a o h l l i ( m e c h a n i c a l 锄de l e c 缸d i l i ce n 酉n e 响g ) d i r e c t e db yz h e l l gm i n g g a i l g a b s t r a c t a s 锄i i l l p o r t 锄tm a t e r i a lh 锄d l i n gm a c m f l e r y t o w 盱c f a n ei sw i d e l yu s e di nm o d e n l c o n s 咖c t i o ns i t 锶幻ri t sa d v a n t a g e so fa c c e l e m t i n gc o n s 仃u 嘶0 np r o g r e s s ，r e d u c i n gl a b o r i n t 饥s i t ms 椭gm a i l p o w e r ，l o w e r i n gp r o j e c tc o s t 锄ds 0o n h o w e v e 岛a l o n g 、析t l lb r i n g 逾g c o n 例e n c et 0t h eb u i l d i n gc o 枷c t i o 玛t o w e fc r a n es a f c t y c i d 肌t si i l 咖e d ，w b j c h 一= - 工a 1 1 s e d 日1 ec a s u a l t i 髓a n d 州p m e n td 锄a g e ，c a u s i i 培铋。彻。璐l o s s 铭t 0p e o p l e sl i v 鼹觚d + ? = = = ： p r o p e r t y1 h c r e f o r e ，l l s i n gm o d c n lc o m p u t e rt e c l l i l o l o g ) r 粗dc o n 仃d l t e c l l i l o l o g yt 0 妇舯d v e ： w d 成e 衢c i 锄c yo ft h et o 嘣c r a n e 觚dt 0a v o i dt o w e r 锄ea c c i d e l l t s a r eo f 鲈e a t s i g m f i 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仿制到自行研制的蜕变。上世纪五十年代，我国开始根据从苏联及一些东欧国家引进 的塔机进行仿制；进入六十年代，我国塔机开始进入自主研发阶段：此后，塔机技术 不断提高、塔机品种不断增多，越来越多的新产品相继出现，直到今天，我国已经发 展成为一个塔机大国，但是对于塔机的发展和创新，是不能止步的【。 塔机的构造比较庞大，工作空间很大，由此引发的塔机事故也是此起彼伏。常见 的塔机事故主要有吊重货物坠落、塔机间及塔机与周围环境问的挤压碰撞、触电、吊 物高空坠落和机体倾翻五类。造成起重机械伤害事故的这五类原因占全部起重伤害事 故总数的比例分别为3 4 、3 0 、1 0 、8 和5 ，五项合计约占8 7 ，其中，尤以 吊物高空坠落和挤压碰撞两类最为突出，两项合计约占6 4 。造成塔机事故的原因是 多方面的【2 】，其中最主要的一个原因是塔机的超负荷使用，施工单位为了加快施工进度， 不按照操作规程执行，擅自增加塔机的货物提升重量，盲目的认为如栗塔机所吊载的 货物过重，塔机就不能正常起吊，所以将重量限位器拆除，但是塔机在工作过程中是 重载低速、轻载高速运行的，在低速吊起的货物升到高空中，如果提速，会产生溜车、 重物下坠现象，引发塔机超重事故【3 】；塔机的操作员不能及时掌握塔机的工作参数，对 山东建筑大学硕士学位论文 塔机各部位工作状况不能清楚了解从而导致塔机事故的发生；另外，违章操作、轨道 铺设不合格及设计质量不达标等也会引发一些塔机事故。据不完全统计，2 0 1 0 年前三 个季度，全国共发生建筑生产安全事故4 1 2 起，死亡人数为5 1 3 人，其中塔机事故占 建筑生产安全事故的7 7 7 ，重大事故( 一次死亡3 人以上) 发生频繁，给人民生命财 产造成了重大的损失【4 1 。常见的塔机事故如图1 1 所示。 g 麓叠鬟辫，曩j 要霉争；。一髻零 ； 舞警_ 钟i 秽；，j 奢 _ ! 。 薯：；謦由| 1i 荔f 雏嚣婴篁l ，翼，；吣譬； 忍髑蠡 图1 1 常见塔机事故 针对以上情况，国家也从法律法规方面对塔机的安全监控问题提出了具体的要求。 原建设部第1 6 6 号令建筑起重机械安全监督管理规定已于2 0 0 8 年6 月1 日起实施， 其中第二十一条( 七) 款规定：如果有多台塔机工作在同一施工场所，应该制定相应 的安全措施防止塔机间的相互碰撞；第二十三条也规定“依法发包给两个及两个以上 施工单位的工程，不同施工单位在同一施工现场使用多台塔式起重机作业时，建设单 位应当协调组织制定防止塔式起重机相互碰撞的安全措施 ；塔机产品标准 g b 厂r 5 0 3 1 2 0 0 8 塔式起重机中的5 6 1 2 2 条也对塔机的数据显示记录装置及塔机工 作空间限制器提出了具体的要求。 如果能够很好地监控塔机的工作状态，使塔机工作人员能够及时了解塔机的实际 工作状况，对一些可能的故障及早发现，就会避免很多塔机事故的发生，同时对提高 我国塔机及相关工程机械的监测、监控及故障诊断技术水平、生产效率、优化资源配 置等都具有重要意义【5 】，这就引出了本课题的研究内容，研制一套能够实时地对塔机运 行状态进行监控的塔机智能监控管理系统。 1 2 塔机监控系统国内外研究现状 塔机监控的核心是提升重量和提升力矩，而最早出现的监控产品一般也只是具备 了塔机起重量限制器和塔机起重力矩限制器。随着现代科学技术的不断发展，电子、 计算机、智能仪表等获得了很大的应用，人们对塔机监控系统的要求也越来越高，希 山东建筑大学硕士学位论文 望能够通过融合了这些先进技术的塔机智能监控系统获得更多塔机的运行信息，而目 前的产品在信息集成度容量方面有了很大的提高，从过去的单纯监测塔机起重量和起 重力矩到现在的对塔机回转角度、变幅幅度、提升高度、塔机倾角等的监测。国内外 对于塔机监控系统【6 】【7 】、塔机防摆【8 】【9 】【1 0 1 、防碰撞控制【l l 】【1 2 】f 1 3 】策略都已经有了比较深入 的研究，在功能完善及智能化方面也有了很大的发展，下面对塔机监控系统的国内外 研究现状作一简要地介绍。 1 2 1 国外研究现状 国际上进行塔机的相关产品生产设计比较发达的国家主要有英国、德国、俄罗斯、 法国、日本、意大利等【1 4 j ，而比较知名的塔机制造企业有法国p o t a i n 、德国的w o l f f 和u e b h e l 汛公司、意大利的s i m m a 公司及日本的石川岛等，这些制造商的产品在 国际市场上占据着绝大部分的比重，其中所使用的技术也处于国际塔机制造业的领导 地位，从这些产品中，我们就可以大致了解国际上关于塔机安全监控技术的发展现状 = o j 及发展趋势。 德国l i e b h e r r 公司生产的l a s 系列塔机电子监控设备，采用激光定位安装在 起重机上实现了系统的高精度定位。利用激光装置来获得起吊重物的重心位置【1 5 j ，吊 钩在超声波传感器的帮助下准确拾取货物，在提升过程中，通过测量锁和角度发生器 来测量起升高度，所用的测量锁是恒定张紧的，同时通过编码轨系统来进行大车和小 车运行路径的测定。该系统功能齐全，包括监视系统、力矩限制系统、防碰撞系统及 数据记录系统，塔机的各种工作参数以及根据各参数变化绘制出的图形都可以通过液 晶数字显示屏和监控系统以“图文并茂 的方式显示出来，这样，塔机的操作者就可 以及时获得塔机的工作状态以及塔机的工作环境限制情况，并且系统的模块化设计也 方便了用户根据需要开发修改。 法国p o t a i n 公司在其m d 系列塔机上装设了微机辅助保养及驾驶两个电子系统， 这两个系统能够记录5 3 种塔机工作参数，存储处理2 0 种故障与易损件磨耗程度信息， 2 3 项塔机正常工作相关信息，如电源供电、制动器以及其他部件的技术状况等，系统 还设置了报警功能，当检测参数超出极限值，会自动发出报警信号，并且通过电子荧 屏显示出需要进行检修的项目或部位【1 6 1 。 英国l 0 a d 丽s eh 玛饥l n l e n tl i i i l i t e dc 唧觚y 生产的l o a d w i s e5 0 0s 甜懿是专为轮 式起重机设计的，能够显示塔机的起重量、幅度，并且根据起重力矩随着幅度的变化 绘制出柱状图形来进行显示，塔机的各个参数在起重机结构简图相应部位直观、形象 山东建筑大学硕士学位论文 地显示。系统采用的是r s 2 3 2 串口，它的友好界面方便了系统与其他控制系统的匹配， 用户可以根据实际使用进行系统的二次开发【1 7 】。 其他的塔机监控产品还有日本神钢工程机械所的“探望 系统，由于其先进的设 备在线安全监控技术，使其在欧盟地区得到了广泛的强制性的应用，它的设备事故率 维持在千分之一以下；美国c r a n e 公司采用了z i 曲e e 和多宽带接入技术来实现塔机 数据的连续、智能监控；英国起重机安装了近场感应系统来防止塔机间的相互碰撞， 并且安装了计算机自诊断监控系统来进行塔机的大部分常规维护检查( 如钢丝绳使用 状况、车轮轴承温度、起重机的负载大小等) ；德国西门子公司生产的t 0 u c h m a t i c h i p a c 防摆定位系统以及法国s m i e 公司制造的利用无线网络( 或r s 4 8 5 总线) 组网来实现 同时对多台塔机进行监控的a c 3 0 系统等。 1 2 2 国内研究现状 传统的塔机安全保护措施主要是在相关部位安装限位器，这种机械式的结构在灵 活性方面有很大的缺陷，不能够对塔机的各个工作参数进行显示，也不能对塔机事故 进行记录。国内对于塔机监控系统的研制起步比较晚，自上世纪8 0 年代开始，一些塔 机制造企业、高等院校及科研院所逐步开始了塔机监控方面的研究，发展到现在，在 技术开发方面也有了很大的进步，但与国际市场上的产品比较仍然存在着一定的差距。 由成都新泰起重安全系统有限公司开发的c 系列塔机安全监控系统主要从防止 超重、超力矩方面保证塔机的工作安全，使塔机始终工作在负荷特性表所规定的工作 范围内，当塔机工作的载荷、力矩超出该范围时，首先进行系统预警，如果这种工作 一 一 状态继续，就进行系统报警并且切断塔机的动作，这在很大程度上保证了塔机的工作 安全，避免了很多因超载、超力矩而造成的塔机事故。系统产品图如图1 2 所示。 图1 2c x t 系列塔机安全状态监控系统 山东建筑大学硕士学位论文 中国建科院和廊坊凯博建设机械科技有限公司联合开发的t s c m s 系列塔机监控 管理系统，如图1 3 所示。该系统通过采集塔机工作载荷、位移信号和录入额定工作参 数，利用液晶显示屏实时向操作者显示塔机的当前工作参数及与额定参数的对比状况， 有效预防了事故的发生，为操作者提供安全保护；实时记录并储存每一工作循环的工 况参数，为设备管理提供可靠数据；为安全生产监督提供管理数据。 图1 3t s c m s 系列塔机监控管理系统 图1 4 m t 2 0 0 系列塔机黑匣子 西安丰树开发出了用于塔机状态监控的m t - 2 0 0 系列塔机黑匣子及力矩限制器如 图1 4 所示，方便了用户查看、下载塔机工作过程中的各种违规操作；西安交通大学的 师生研发了基于信息融合的塔式起重机运行状态监测系统；贾永峰、谷立臣等人利用 p l c 实现了塔机的电气控制，用文本显示器显示塔机的各个工作参数，软件设定塔机 的工作范围等功能【1 3 】；朱军辉、杨静等人设计了基于c a n 总线的塔机防碰撞系统；张 瑜等人以嵌入式技术为核心，对塔机的运行状态实时监测进行了研究：哈尔滨工业大 学的周进、刘晓胜等人主要进行了塔机监控及防摆、防碰撞等关键算法的研究【1 9 】；西 山东建筑大学硕士学位论文 安建筑科技大学，t a l l i t i 起重机多元信息状态监控系统研究；上海交通大学的郑聪海、 李彦明等人针对塔机监控系统的开放性问题提出了一种监测参数可柔性扩展、监测节 点可自动识别的、具有良好的通用性和兼容性的标准化、模块化、总线化的塔机智能 监测系统；长沙中联重工科技发展股份有限公司对大型塔机安全监控保护系统进行了 研究；西安智敏针对塔机防碰撞研发的z m a c s 3 0 l 建筑塔吊群防碰撞系统应用了智 能控制理论，具有较大的防碰范围、组网数量比较多及高精度等优点。 下面对国内一些比较成熟的塔机产品的性能进行比较，见表1 1 所示，表中所列的 产品有中国建科院及山东富友集团的“塔式起重机安全监控管理系统 、成都新泰的“塔 吊监控及安全保护系统 、黑龙江天物公司的“塔吊安全监控系统。 表1 1 国内塔机监控产品比较 中国建科院成都新泰山东富友黑龙江天物 输入电压 a c1 0 0 y 2 4 0 va c 2 2 0 v 2 5 a c2 2 0 v + 噎e 嚣0 v 通讯接口 一 c a n b u sr s 4 8 5 无无 显示器5 7 寸液晶显示器5 寸液晶显示器液晶显示器1 2 寸液晶显示器 幅度精度 士0 3 0 m 无无无 称重精度 士5 0 蚝 o 3 无无 角度精度 士5 无 无无 综合精度一 无士3 士5 未知 工作温度 - 2 0 6 0 枷6 0 2 0 6 0 未知 区域限制功能有有有有 无线通讯功能 有 无 无有 防碰撞 无 无 无 有 存储记录条数1 6 万无3 0 万未知 国外塔机实时监测系统的研究已经有了很大的发展【2 0 】，但是不同厂家所采用的技 术没有一个统一的国际标准，而且近年来关于这方面的研究偏少，发展比较缓慢。国 内塔机研发企业大多缺乏新技术的应用，开发的系统尚不完善，仍采用阈值限制来进 山东建筑大学硕士学位论文 行安全控制，所测的参数并没有完全用于改善安全控制策略，大多数系统走线复杂， 可扩展性比较差，不便于系统的标准化，与国际水平还有一定的差距【2 l 】。 1 3 课题研究的目的和意义 本课题设计的塔机智能监控系统是针对目前建筑行业中塔机事故频发的问题而提 出的，本系统设计的目的和意义是： ( 1 ) 系统中的塔机示意图能够随塔机实际运动而发生相应的运动变化，通过上位 机显示界面的数据记录功能可以实时显示塔机的各个运动参数，如变幅幅度、提升高 度、回转角度、塔机倾角等，使塔机操作人员能够更加形象直观的了解塔机的实际运 行状态，减轻了操作人员的劳动强度，提高了工作效率； ( 2 ) 该系统设置了声光预警、报警功能，当塔机运行出现超重、超力矩或者运行 范围超出预定范围时，系统会自动发出报警，在紧急状态下会启动紧急制动，有效的 避免了塔机事故的发生，提高了塔机作业的安全可靠性； 一 ( 3 ) 系统能够记录发生的塔机事故，为塔机事故分析提供了必要的资料； ( 4 ) 系统中的防碰撞自学习功能保证了塔机与周围环境的友好并存，在很大程度 上避免了塔机碰撞事故的发生。 1 4 课题研究内容 本文在分析了不同塔机监控方案的基础上设计了一套基于p l c 和w i n c c 的塔机 智能监控系统，研究的主要内容有： ( 1 ) 根据现有技术从不同的监控方案中确定本系统的监控方案，以p l c 和w i n c c 为核心进行系统的设计； 一 ( 2 ) 设计一套塔机监控系统，实现塔机运行状态参数( 如塔机变幅幅度、提升高 度、回转角度、各运动形式的速度、塔机倾角等) 的实时显示，能够进行系统预警、 报警，记录事故详细资料，如事故发生时间、部位、原因等； ( 3 ) 添加了塔机防碰撞自学习功能，具有两种防碰撞参数设置方式：手动输入防 碰撞参数和直接设置当前塔机运行参数为防碰撞参数，有效地避免了塔机碰撞事故的 发生； ( 4 ) 进行系统的实验测试与分析。 1 5 本论文的章节划分 第一章：介绍课题研究的背景、塔机监控系统的发展现状以及课题研究的目的和 意义，并在此基础上介绍本文研究的主要内容。 山东建筑大学硕士学位论文 第二章：在分析塔机传统安全保护装置及现有监控方案的基础上进行本文塔机监 控系统方案的整体设计。 第三章：着重介绍系统数据采集部分的设计，对回转角度、小车变幅幅度、起重 量、起重力矩及塔机倾角等的测量方法进行详细的介绍。 第四章：进行系统下位机p l c 控制系统的硬件设计及软件编程。 第五章：利用w i n c c 进行上位机监控界面组态，并简要介绍o p c 技术在本系统 中的应用。 第六章：系统的实验测试与分析。 1 6 本章小结 本章首先分析了课题研究的背景，通过对塔机监控系统的国内外研究现状进行简 单的介绍引出了本课题研究的目的和意义，最后对本课题的研究内容进行了简要的概 括。_二一 8 山东建筑大学硕士学位论文 第二章监控系统方案设计 2 1 系统设计对象 本系统的研究对象是塔式起重机( 塔机) ，它对我们来说并不陌生，在城市的马路 两侧、各个建筑工地上，塔机随处可见。但是对于塔机的具体工作原理、塔机结构、 运动形式，我们可能比较陌生，下面对塔机作一个简要地介绍。 2 1 1 塔机结构及基本运动形式 塔机在现代建筑施工场所中是一种重要的起吊重物的机械设备，它能够通过特有 的取物装置以间歇、周期的工作方式将建筑工程所需要的重物起升或移动到所需部位， 具有一定的工作特性：机构复杂，能够完成起升、回转、变幅、大车运行4 种运动形 式；吊取货物种类繁多，吊重也变化多样；因其庞大的结构，所以需要较大的工作范 围：塔机操作员工作视野开阔，能够随时观察塔机运动状态；工作环境复杂，存在i 良_ ? 多潜在的危险因素；一台塔机往往需要多名工人协同作业。由于分类方法的不同，塔 机有多种分类：按塔身结构可分为上回转式、下回转式和自身附着式三类；根据变幅 方式的不同，可分为动臂式和运行小车式；按起重量可分为轻、中、重三种类型瞄j 。 各类塔机简图如图2 1 所示。 直盟皇隹 固定式 移动式 内部爬升式外部附着式 动臂变幅上回转式 小车变幅式 图2 1 塔机分类简图 塔机种类多样，但在结构上，不同的塔机都是大同小异。塔机的金属结构主要有 以下几个部分：底架、塔身、支承座、回转平台、平衡臂、驾驶室、起重臂、塔顶等， 塔机结构图如图2 2 所示： 山东建筑大学硕士学位论文 图2 2 塔机结构图一 底架( 巨瞧座) 作为塔身的支座，它的作用是通过行走轮将大齿圈以上部分的负 ：二 重转移到地面行走台车上，有水母式、门架式、井字架式三种结构形式；塔身指的是 从底架往上的垂直塔桅，它的基本构成单元是标准节，作为塔机结构的主体，它承载 了塔机顶部的所有重量( 包括货物吊重) ，并将其分担给塔机的底架、台车及至轨道、 基础；转台属于一个承上启下的支承结构，能够与塔帽撑架和起重臂一起进行回转运 动，其上装有平衡重，用来抵消塔机的部分前倾力矩：平衡臂用来放置平衡重和起升 机构；塔机的驾驶室能够同塔机上部结构一同作回转运动，在发生吊臂坠落事故时， 能够保护塔机司机的安全；起重臂是塔机支承结构的重要组成部分，按变幅形式分为 俯仰变幅式和小车变幅式两种，为方便运输、拆卸，起重臂一般被分为不同的节，又 称为吊臂或臂架：塔顶分为固定式和摆动式两种结构，它主要用来承受臂架拉绳和平 衡臂拉绳的载荷，并通过其下的转台等结构传递给塔身。 塔机是通过工作机构来完成全部的吊装作业过程的。一般来说，每台塔机都必须 装有起升、变幅和回转三大工作机构，此外，移动式塔机还必须装有大车行走机构， 自升式塔机需安装液压项升机构用来提高塔身，塔机各运动机构示意图见图2 3 所示， 此处我们只对三大基本运动机构变幅、回转、起升机构进行介绍。 山东建筑大学硕士学位论文 起升机 平衡重平衡臂 回转机构讣2 、 网转支承动臂 安装甲台 塔身 起重幅度 附着杆 底座 魁 蝗 _ h 溜 图2 3 塔机运动机构示意图 塔机的起升机构是三大运动机构中最重要并且运转频翠骗的机构，又称为卷扬 机构- 二主要作用是提升和下降货物。最常见的起升机构采用的是单卷简单轨式结构， 它的主要组成部件有电动机、减速器、制动器、钢丝绳、卷筒、滑轮组和吊钩等。当 电动机在接通电源后，输出的动力经过联轴器和减速器驱动钢丝绳卷简运转，钢丝绳 卷筒在转动过程中能够收放钢丝绳，进而带动吊钩的上升和下降。当电动机正向转动 时，钢丝绳放出，反转时，钢丝绳收回，当吊钩升降到预定位置后，电机停止转动， 制动器制动促使传动轴减速直至停止，完成了重物的起升运动。起升机构中设置了起 升高度限位器用来防止卷筒过卷而使钢丝绳拉断。 塔机变幅机构改变的是小车的运行幅度，即塔机吊钩中心位置到回转中轴线之间 的距离。变幅机构与起升机构类似，也是一种卷扬机，其组成部件有电动机、卷筒、 减速器、制动器、机架等。钢丝绳在变幅机构卷筒卷绕后向两侧延伸，分别经臂根导 向滑轮和臂尖前导向滑轮与变幅小车两端连接，当卷筒在电机带动下旋转时，钢丝绳 一端被卷入，另一端被放出，拉动小车向钢丝绳收缩端移动，当卷筒反向转动时，小 车向另一端移动。变幅机构同样设置了幅度限位器，用以防止误操作，使变幅小车在 运行到最大位置、与起重臂端或臂根碰撞前即停止动作，在一定程度上保证了变幅运 动的安全。 塔机的回转运动能够实现货物的水平位移，回转运动通过回转机构完成。常见的 回转机构传动方式有两种：一种是电机驱动涡轮减速器，使行星小齿轮绕大齿圈转动， 辎 山东建筑大学硕士学位论文 另一种是电机通过少齿差行星齿轮减速器或摆线针轮减速器驱动小齿轮绕大齿圈转 动，后一种应用比较广泛。回转机构不仅要带动吊臂、臂架转动，还要承受风的阻力， 所以回转机构中要设置制动器，使塔机在工作状态下能够不被风吹动，在非工作状态 时能随风载荷自由转动。回转限位器控制塔机在j 下反两个方向上旋转范围在5 4 0 。以 内，用来防止电缆被扭断吲。 2 1 2 塔机自身安全保护装置 起重机设计规范( g b3 8 1 1 2 0 0 8 ) 规定，在具备完成吊物功能的各个部件基础 上，塔机上必须安装一些自身安全保护装置，这些保护装置在一定程度上避免了某些 误操作和违章操作引起的事故，常见的塔机安全保护装置有限位器、起重量限制器、 起重力矩限制器等。 塔机上安装了多个限位器，用来实现不同的功能。吊钩行程限位开关( 包括起升 限位器和下降限位器) 用辣黜吊钩升降的上下限位，防止吊钩碰撞塔机臂架结构。 _ 一 限位器一般安装在起升机构卷简轴上，其上的凸轮机构根据吊钩处于极限位置时的卷 筒卷绕圈数作适当的调整，当卷筒卷绕圈数达到极限值时，凸轮机构触动限位开关动 作；回转限位器用来限制塔机的回转角度，防止塔机回转角度过大，扭坏电源线而引 发安全事故，现有的塔机回转限位器通过调整凸轮角度，在塔机正转、反转一圈半即 5 4 0 。时，限位器动作，系统断电；小车行程限位器通常安装在塔机变幅机构钢丝绳卷 筒的一侧，利用卷筒轴伸长端带动传动式限位开关进行动作；大车行走限制器一般安 装在台车架或者底架上，主要用来防止塔机在运动过程中越位驶出轨道，而导致倒塔 事故的发生。 起重量限制器的安装主要是防止塔机超负荷作业，常见的有机械式、液压式、电 子式三种，对起重量限制器要求其综合误差：机械式不应大于8 ，电子式不应大于5 ， 当起重量达到额定值9 0 时，应能进行报警，超出额定值时，系统自动断电。现有起 重量限制器常安装在起重臂的根部，其结构图如图2 4 所示，主要由弹簧拉杆、撞块、 行程开关、导向滑轮等组成，当起吊货物重量超过额定负载时，摆杆在钢丝绳带动下 逆向运动，此时，弹簧受到足够大的拉力，撞块向右运动撞击到行程开关，行程开关 动作，系统断电【2 4 】。 山东建筑大学硕士学位论文 图2 4 起重量限制器 起重力矩是对塔机起重能力进行衡量的一个非常重要的参数，因为塔机的工作幅 度经常比较大，所以一般用塔机起重量与变幅幅度的乘积，即起重力矩来表示塔机起 重能力，因此，对起重力矩的测量和限定就具有非常重要的意义。塔机的力矩限制器 在各项安全装置中是最重要的一项，是国家质量检测要求的必检项但是塔机现有的 力矩限制器一般县用来限制实际作业起重力矩，使其不致超过额定力矩，只在极限情 况下才能起作用，并不能显示塔机正常工作状态下的起重力矩。应用比较多的是弓板 式力矩限制器，如图2 5 所示，通常安装于塔帽前的主弦杆上。起重臂在重物作用下， 通过拉杆产生拉力作用于主弦杆进而导致弓形板受压变形，如果该变形量足够大，就 会使调节螺杆和撞块产生足够大的位移来撞击行程开关，使系统断电。这种力矩限制 器设置的微动开关太少，无法满足按起重量和幅度分别控制起重力矩的要求，同时起 重力矩按照塔帽主肢应变为常量进行控制也有一定的缺陷。 图2 5 起重力矩限制器 山东建筑大学硕士学位论文 以上所述的塔机限位器、起重量限制器、起重力矩限制器虽然在一定程度上保证 了塔机的正常工作，但其缺陷还是不容忽视的：保护装置只有在塔机运行到极限或超 载状态时才能起作用，并且这种做法会产生巨大的冲击，使塔机的结构强度受到破坏， 大大缩短塔机使用寿命；无法进行预警：不能显示塔机工作参数，仅凭司机肉眼判断 塔机运行状态，工作效率很低，并且存在事故隐患；不能进行系统自检，存在安全隐 患；机械式的结构导致其灵敏度及精度很低，不能完全满足要求【拥。 2 2 现有监控方案分析 继电器逻辑控制在p l c 出现以前，凭借其简单的结构、低廉的价格，获得了普遍 应用，但随着时间的增长、技术的发展，它的缺点也逐渐显露出来：继电器控制最大 的缺点是接线复杂，使系统的扩展、维护变得非常困难；触点开闭容易出现抖动，且 触点易磨损；利用时间继电器来进行时间控制，精度比较差，而且容易受干扰；施工 周期长，但是使用寿命却比较短，可靠性不高。基于以上所述原因，目前在一些控制 要求相对比较高的系统中，继电器逻辑控制的主导地位已经逐渐被其他控镌坊式所替 代【2 6 1 。 随着单片机技术的发展，以高性能单片机为控制核心的控制系统也越来越多，它 体积小、功耗低、运算速度也在逐步提高，并且越来越多的功能被集成在一块小小的 单片机芯片上，如电源、i o 口、数字处理等功能，但它有一个最大的缺点就是单片机 系统的扩展性比较差，而且它要求设计者应该具备很高的单片机应用技能，从系统的 设计、开发到结束需要很长的时间，电路板的印刷费用又使其开发成本提高了很多， 目前在汉字系统显示方面，还有一些技术难题急待解决。 应用于工业控制的工控机是在微型计算机的基础上发展起来的，它具有丰富的软 件资源，能够实现复杂的算法，能较好地适应一些实时性要求比较高的系统，系统通 信能力比较强大，但是在系统功耗、体积、抗干扰性及环境适应能力方面，p l c 具有 更大的优势。 可编程控制器( p l c ) 是以计算机技术为核心的通用工业控制装置，它是一种利用 程序来实现控制功能并且能够与其他计算机通信联网的工业控制计算机，在系统可靠 性及应用领域的广度上，p l c 是无与伦比的，它在工控系统中获得了广泛的应用【2 7 1 。 与传统继电器控制相比，它接线少、易于扩展，指令执行时间短、无抖动现象，环境 适应能力强，开发周期短，可靠性高并且易于系统维护；与单片机系统相比，p l c 具 有良好的可扩展性，专为工业环境而设计的优势使得其环境适应能力特别强；与工控 山东建筑大学硕士学位论文 机相比，p l c 无需进行信号转换及功率驱动就可直接与工业现场测量、执行机构相对 接，在电源及系统输出等方面的抗干扰措施使得p l c 能更好的适应环境要求。 综合考虑系统的可靠性、系统工作环境的复杂性及开发周期等各方面因素，本系 统采用以p l c 为控制核心的控制方案。p l c 选择西门子公司的s 7 2 0 0 系列p l c ，对 系统采集到的模拟、数字量进行处理，上位机利用w i n c c 组念画面进行各个模拟量及 数字量显示，并完成系统报警、数据记录等功能。 2 3 监控系统总体方案设计 2 3 1 功能要求及技术指标 根据施工现场实际需要，本监控系统以p l c 和、聃n c c 为基础，p l c 作为下位机 主要用来接收处理传感器传送的信息，利用w i n c c 来组态上位机监控界面，显示各运 行参数，系统具体实现功能如下： ( 1 ) 作为监控系统，首先能实现检测功能。实时监测显示所需要的各个参数，塔 ：= 。= 。= 机的提升高度、变幅长度、回转角度、各运动形态运行速度、塔机倾角、起重量、起 重力矩等。 ( 2 ) 显示功能。上位机w i n c c 监控界面能够对系统检测的各个塔机参数进行实 时显示。 ( 3 ) 能够方便地设置塔机本身固有的参数，如起重量、起重力矩、小车变幅、回 转角度、提升高度的限制值等，可以适应不同型号的塔机。 ( 4 ) 报警功能。为保障塔机的运行安全，当系统检测到塔机运行参数进入预先设 定的危险状态时会发出预警，如果塔机动作继续，则系统会自动断电停机，以避免危 险事故发生。 ( 5 ) 能够保存发生的塔机事故，并将相应工作参数计入违章档案，为以后的事故 分析提供必要的资料。 ( 6 ) 系统中添加防碰撞自学习功能，保证塔机与周围环境的友好并存，最大程度 避免塔机碰撞事故的发生。 系统的技术指标如下： 系统使用环境温度：- 2 0 + 6 0 ； 工作环境相对湿度：9 0 ( 2 5 ) ； 综合测量精度误差： 5 ； 角度仪量程：士3 0 ； 山东建筑大学硕士学位论文 防倾翻监控精度：0 0 2 5 0 ； 无故障工作时间：3 0 0 0 h ； 测距精度：幅度o 1 5 m ； 防护等级：i p 4 3 ； 限重控制：程序控制，达到限制的9 5 进行预警；达到限制值进行报警：超限5 系统断电、强制停机。 2 3 2 系统总体结构 该塔机智能监控系统采用模块化设计，主要包括以下几个单元：数据采集单元、 p l c 数据处理单元、p l c 与上位机通讯以及上位机监控界面。其中，数据采集单元主 要是利用特定的传感器来采集塔机的各个工作参数信息，如回转角度、小车变幅及起 升高度等，并将采集到的信息传送到控制中心p l c 进行运算处理；p l c 数据处理单元 的核心是可编程控制器p l c 及一些扩展模块，并添加一些外围电路设备，主要负责塔 机电气控制及对各传感暑墨采集到的信息进行处理并传送给上位机显示；上位机监控界 面主要是w i n c c 监控界面的组态及各参数限定值的设置【2 引。 本系统中选择s i 锄e 璐公司的s 7 2 0 0 系列的c p u 2 2 4 c na c d c r e u 型p l c ， 主要进行回转角度、小车幅度、提升高度、塔机倾角、起重量及起重力矩等信号的处 理。由于物料的提升高度、小车变幅幅度、塔臂回转角度的测量采用旋转编码器，故 应用s 7 2 2 4 的3 个高速计数器对旋转编码器的脉冲数进行计量，输入端口i o o 、i o 1 、 l o 2 定义为高速计数器o ( h s c o ) 的输入端用于提升高度信号的计量；输入端口1 0 6 、 一 一 i o 7 、1 1 o 定义为高速计数器1 ( h s c l ) 的输入端用于回转角度信号的计量；输入端口 1 0 3 、1 0 4 、1 0 5 定义为高速计数器4 ( h s c 4 ) 的输入端用于变幅信号的计量；系统中 还添加了两个数字量扩展模块e m 2 2 l 、e m 2 2 3 用来进行传统开关量信号的控制，主要 是联动台控制信号的检测以及变幅电机、回转电机的启、停、变速控制和吊笼的上升、 下降控制等工作。此外，系统中还需要采集一些模拟量信息，因此扩展了一个模拟量 输入输出模块e m 2 3 5 ，用来完成物料重量、塔机倾角等模拟量的测量工作，同时e m 2 3 5 输出的0 砣o i l 俄电流信号还用于控制提升电机的运行速度。经过p l c 处理后的数据通 过u s b p p i 电缆传送到上位机中，上位机监控界面利用组态软件w i n c c 进行监控画面 组态，完成对塔机各个运行状态参数的实时监测，同时实现对操作人员的错误操作进 行警告和纠正的功能。 系统的原理方框图如图2 6 所示。 山东建筑大学硕士学位论文 上位机监控界面 l 【- 。 u s b p p i 通讯电缆i i o _ t