（机械工程专业论文）力矩限制器研究与开发.pdf

摘要 随着我国汽车起重机的快速发展，对汽车起重机力矩限制器的性能也 提出了更高的要求。 本论文在研究国内、外现有起重机力矩限制器系统的基础上，充分利 用现代计算机、传感器测控等领域的技术成果，开发出新型的起重机力矩 限制器系统。该力矩限制器系统主要功能通过p l c 来实现，以充分利用 p l c 的强大功能和高可靠性，同时降低起重机的电气成本。对于角度和长 度随时变化的起重机而言，其起吊重量极限值也是同时变化的，这就要求 必须先建立这类起重机的起重特性曲线数学模型，然后p l c 程序按照给定 的数学模型进行计算同时对起重机作业进行安全保护。 本文通过对汽车起重机的结构分析，最终建立了可靠的起重机载荷数 学模型和简单易行的现场调试方法。该系统具有调试简单快速，测量准确 等特点。近一年的现场运行证明该系统具有非常良好的应用前景。 关键词：汽车起重机力矩限制器p l c故障分析 a b s tr a c t w i t hr a p i dd e v e l o p m e n to ft r u c k - c r a n ei nc h i n a ，h i g h e rp e r f o r m a n c e sa r e r e q u i r e do nm o m e n tl i m i t e r t h i sp a p e rs t u d y san e wc r a n em o m e n tl i m i t e r , w h i c hf u l l yr e f e r e n c e s a d v a n c e dt e c h n i q u e ss u c ha se l e c t r o n i c s ，c o m p u t e r , s e n s o rm e a s u r ea n d c o n t r o l l ， b a s e do nd o m e s t i ca n df o r e i g n c r a n em o m e n tl i m i t e rs y s t e m m a i nf u n c t i o n m o d e l sa lep r o c e s s e db y p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ( p l c ) ，w h i c hc a nr e d u c e l o t so fc o s tw i t hh i g h e rp o w e ra n dr e l i a b i l i t y f o ra im a n g l ea n dl e n g t ha r e c h a n g e a b l em o m e n t a r i l y , t h eu l t i m a t eh o i s tc o m p e t e n c eo fc r d r l ei sc h a n g e a b l e t o o s oc h a r a c t e r i s t i cc u r v ea n dm a t h e m a t i c sh o i s tm o d e lm u s tb ei m p l e m e n t e d f i r s t ，t h e nt h ep l cp r o g r a m m ea c c o r d i n gt ot h em a t h m o d e lc a l l p r o v i d e p r o t e c t i o nf o rt h ec r a n e t h r o u g ha n a l y z i n g s t r u c t u r eo ft r u c kc r a n e ，t h ep a p e rp r o v i d e s a c o m p a c t m a t h e m a t i c a lm o d e la n dd e b u g g i n gm e t h o d t h e d e b u g g i n gm e t h o d i s s i m p l ea n dc o n v e n i e n t ，w i t hr e l i a b l ea n de x a c tm e a s u r ed a t a s ay e a ro f f i e l d w o r kp r o v e dt h a tt h es y s t e mh a sg o o da p p l i c a t i o nf u t u r e k e yw o r d s ：t r u c k c r a n em o m e n tl i m i t e rp l cf a u l t l a n a l y s i s 长安大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 起重机械是工业生产及建筑施工中不可缺少的重要设备，同时也是施工现场危险性 较大、容易发生事故的设备，一旦发生事故，往往造成重大的经济损失甚至人员伤亡。 力矩限制器是臂架式起重机重要的安全保护装置，它根据实际的作业状态，按照特定的 起吊特性曲线，自动对起重机进行力矩限制，防止起重机向危险方向动作【l 】 力矩限制器的研制经过了机械式一机电式一微机式的更新换代过程，目前微机式 力矩限制器为主导。起重机上配置的力矩限制器分国产和进口两种，国外对起重机的安 全保护已经不限于监控载荷、力矩限制等基本功能，而是对起重机进行全方位的监控。 德国利勃海尔公司研制的起重机控制系统，能够针对货物的搬运条件，经过系统的逻辑 设计和数据处理，采用专用的计算机软件，运用模糊控制技术来监控整个吊重工作过程； 起重机控制系统通过采集摄像数据，运用模糊控制和专家系统方法，通过高性能计算机 对数据进行处理，就能根据负载和现场的风速确定最佳吊装方案，并能够解决吊运过程 中的摇摆问题，真正实现智能化【3 】。国内研制起重机力矩限制器的单位主要有北京电脑 技术应用研究所、大连工程机械研究所、武汉水利电力大学、湖南弘安科技、湖北宜昌 微特电子设备公司等。这些公司多采用8 或1 6 位单片机，l 片l c d 液晶模块或1 组 l e d 发光二极管，能够动态显示数据和自动声光报警并阻止起重机向危险方向运动。 但是由于操作人员既要进行繁忙的起重作业，同时又要时刻观察大量不断变化的数据来 判断起重机是否超载，造成操作难度大，安全性大大降低。而且目前国内的力矩限制器 受硬件的约束而只能实现简单的力矩保护功能，功能单一，可靠性不高。从以上的分析 可知，国外的力矩限制器性能可靠、功能强大，但是价格昂贵、可维护性差、供货周期 长：而国内力矩限制器功能单一、故障率高【5 】。 本课题来源于国内某著名起重机厂汽车起重机力限器研发项目，目标是研发出一套 适应市场需求具有推广价值的高性能起重机力矩限制器系统解决方案。 第一章绪论 1 2 力限器的发展和趋势 2 0 0 3 年，国家质检总局发布起重机型式试验规程( 试行) ，安全保护装置的型 式试验已开始进入规范管理。初步统计，目前国内取得起重力矩限制器、起重量限制器、 起升高度限制器安全装置型式试验合格证的生产厂家有7 2 家，其中起重机械力矩限制 器的生产厂家有4 0 家【9 1 。国际上起重机制造行业主要有格鲁夫、科诺、加藤、德马格 和利勃海尔等几十家制造商，其产品占据国际起重机市场的大部分份额。他们大都根据 自己的起重机产品研制有配套的力矩限制器他们的产品，基本反映了国外力矩限制器 技术的发展历程、现状和趋势。 七十年代末，日本l s 2 4 8 履带吊的力限器采用了大量的模拟电路对传感器信号进行 处理计算，采用模拟表显示它相对机械式是个很大的进步，但仍存在精度低、维护难 度大、易损坏等问题。八十年代后，随着微处理技术的迅速发展，力限器的设计水平上 了新台阶。如神户m l s 3 3 0 a 型履带吊力矩限制器，利用软件来完成复杂的计算工作， 系统的集成度和综合计算都得到了很大提高。而且通用性好，对于不同型号的同系列起 重机，只需要改动相应的软件参数和传感器里程即可。具有系统自检功能，当系统硬件 或工况设定出现问题，能及时报警及显示故障代码。通常采用数码管显示，拨码盘设定 工况，手动电位器进行调节标定。加藤( 盯o ) 公司l s 2 4 8 v 型力矩限制器作了进一 步的改进，具有零点记忆功能，当显示载荷零点变动时通过简单操作即可记忆零点数据， 及时调整。还可以方便的记录某工况下不同幅度下的零点数据经过内部分析处理，可 减少摩擦等误差因素对测量精度的影响。内部电路采用开关电源技术，提高了抗干扰及 防护能力。采用新型高性能单片机及外围芯片，性能更加稳定，功耗更低，系统集成度 更高f l o 】。九十年代初，住友( s u m i t o m o ) 公司的6 5 t 履带式起重机所使用的力矩限 制器的技术性能有了较大改进，通用性更强，只需简单改装即可适用于塔式、轮式、履 带式起重机，采用液晶显示，人机界面更为友好。如今，德国科诺公的的1 6 0 t 铁路起重 机所使用的p d c 型力限器的设计更突显了人机友好界面的优势，它具有各种作业状态 提示功能，发生故障时，可实现显示故障内容及处理方法；它选用大屏幕点阵液晶显示 器，具有实时显示信息量大、强光照射数据显示清晰、自身功耗低等优点 我国近年综合型力矩限制器发展很快，绝大多数产品都采用了集成电路芯片，设计 成多种安全功能组合、性能可靠、体积小、重量轻的安全装置。更有先进的智能化安全 装置将起重机的主要安全保护功能及作业状态等信息综合在一起，形成了集中监控系统 2 长安大学硕士学位论文 【1 2 】。随着科学技术的发展，起重机安全装置的性能和安全功能将越来越完善。起重机安 全装置国内已生产多年了，现在很多厂家的技术水平基本达到了国外先进水平，但同国 外产品相比，在产品质量上却存在一定差距。比如试验室型式试验结果显示，国产产 品在高、低温后做动作误差，数据不稳定、漂移大的现象较普遍，而国外产品则相对要 好得多；外观上也表现出一定的差别，国外产品二次仪表的外壳、传感器、接插件、电 缆等都选用很好的材料，而我们只有少数厂家的产品可与之相比。从选用的电子元件上 看，一些厂家使用了级别较低、价格便宜的电子元件，虽然在功能、自动化程度上水平 并不低，价格上还占有优势，但从稳定性和寿命上还值得商榷。特种设备安全监察条 例( 中华人民共和国国务院令第3 7 3 号) 和特种设备质量监督与安全监察规定( 原 国家质量技术监督局令第1 3 号) 文件下达后，各生产作业单位认真执行国家文件，安 全装置的使用已经普及，并在安全生产上发挥了很大作用。但也存在一些问题，首先， 有些部门对安装该装置还认识不足，由于需要投入资金，少数单位为应付安全检查， 青睐低价位产品，购置了质量不高、使用寿命不长的产品；其二，重生产，现场不做及 时调试，在误差很大甚至失灵的环境下作业；其三，损坏后不及时修复；其四，为提高 工作效率超载超速运行，特意拆除安全装置电源。； g b l 2 6 0 2 9 0 起重机械超载保护装置安全技术规范将型式试验分为两部分内容， 即试验室试验和现场装机试验。试验室试验主要是通过考察力矩限制器在各种工作环境 下，如高温、低温、湿热、电压波动、电源干扰、冲击、振动、淋水等工作环境下的稳 定性能，换句话说，测定在这些不利条件下装置的动作误差。g b l 2 6 0 2 9 0 标准中已有 明确规定，这里不做介绍。试验室试验目的是验证安全装置在各种工作环境下控制的稳 定性能，但无法验证安装于起重机后的实际控制能力，即综合误差及显示误差，还必须 进行现场装机试验。 g b l 2 6 0 2 9 0 起重机械超载保护装置安全技术规范规定的综合误差：电气型装 置综合误差不超过士5 ；机械型装置综合误差不超过士8 。显示误差不超过士5 。 力矩限制器的主要安全指标就是动作误差，起重机安全装置使用一阶段以后会出现不同 程度的偏差。对于力矩限制器的调试，吊起某一重量然后再测量一下幅度， 调到与二 次仪表读数一致，将机器锁定，此时调试工作并未结束。力矩虽然按起重机载荷曲线进 行控制，但还有很多未知因素的干扰造成的误差，因此按载荷曲线调试之后还须实测综 合误差和显示误差。如误差较大，进一步修正，再反复检验和调试，直到结果符合规定， 才能保证力矩控制的准确。 第一章绪论 试验现场的环境和场地条件应当符合起重机有关标准及产品使用说明书的要求，试 验现场的环境不得有易燃、易爆及腐蚀性气体，环境温度应当在2 5 4 0 范围内， 在4 0 时的相对湿度不超过5 0 ，试验现场应当具备必要的安全防护措施，不应当有 影响起重机试验的物品、设施，保证起重机起升、运行等各种试验正常进行。试验现场 风速不大于8 3 m s 按 z 孵- ) l y 9 2 ( l ) l z ( l ) m z l z ( l ) = 彪6 g ( 三) + a 珈l f o ( l ) + m n 三茚( 三) + 氩厶，( 三) + 砧i 母上熠l ( 三) + 磊2 上蝽2 ( ) ( 3 2 6 ) 则起重臂总成重心厶) 在吊臂上沿吊臂方向的位置为： 厶( 三) =垒垒：墨! ( 墨! 垒垒：垒! 墨2 垒垒：墨竺! 墨! 生垒：垒( 墨! 查垒! ! 墨坚! ( 墨) 膨苫：幸二增z ( ) m z = 膨6 + 坳+ 胁+ 地+ 胍i + 坂2 m z ( 3 2 7 ) ( 3 2 8 ) 坳 均 地 坛 坳 胁 长安大学硕上学位论文 4 1 软件设计 4 , 1 1 开发工具介绍 第四章力矩限制器软件设计和调试 力矩限制器软件程序包括控制器程序与显示器程序两部分，控制器和显示屏程序的 开发平台均为c o d e s y s 。c o d e s y s 是一种功能强大的p l c 编程工具，它支持t c p i p 协 议和i e c l l 3 1 3 标准，i l 、s t 、f b d 、l d 、s f c 和c f c 等六种p l c 编程语言，用户 可在同一项目中根据需要选择不同的语言编写子程序、功能和模块。在论文软件程序开 发过程中，主要使用f b d 和s t 这两种编程语言，下面分别予以介绍。 s t 全称为s t r u c m r e dt e x t ，即结构化文本，是一种用结构化的描述语句来描述程序的 一种程序设计语言。它是一种类似于高级语言的程序设计语言。在大中型的可编程序控 制器系统中，尤其是大量的模拟量运算和处理，常采用s t 语言来描述控制系统中各个 变量之间较复杂的控制运算关系，完成所需的功能或操作。s t 语言与b a s i c 语言或c 语言等高级语言相类似，但为了应用方便，在语句的表达方法及语句的种类等方面都进 行了简化。s t 语言除有一般运算、逻辑运算、表达式、调用子程序等指令外，还有一 些结构化的语句模块。如下所示t 条件语句： i f t h e n( 幸表达式为t r u e 时，执行功能块一宰) 。( 幸功能块一) e l s e( ，i 表达式为f a l s e 时，执行功能块二) 。( ，i 功能块二串) e n d i f ； f b d 全称f u n c t i o nb l o c kd i a g r a m ，即功能模块图，采用功能模块来表示模块所具有 的功能，不同的功能模块有不同的功能。它有若干个输入端和输出端，通过软连接的方 式，分别连接到所需的其它端子，完成所需的控制运算或控制功能。功能模块可以分为 不用的类型，在同一种类型中，也可能因功能参数的不用而使功能或应用范围有所差别， 例如，输入端的数量、输入信号的类型等的不同使它的使用范围不同。由于采用软连接 的方式进行功能模块之间及功能模块与外部端予的连接，因此控制方案的更改、信号连 第四章力矩限制器软件设计和调试 接的替换等操作可很方便实现。功能模块图程序设计语言的特点是： 以功能模块为单位，从控制功能入手，使控制方案的分析和理解变得容易；功能模 块是用图形化的方法描述功能，它的直观性大大方便了设计人员的编程和组态，有较好 的操作性；对控制规模较大、控制关系较复杂的系统，由于控制功能的关系可以较清楚 地表达出来，因此，编程和组态时间可以缩短，调试时问也能减少l 用户自己可以用不 用的语言编写特定的功能模块，也可在用其他语言编程时插入功能模块。 4 1 2 通讯协议 通讯协议从广义上讲是两个或多个通信实体相互通信的全过程中所必须遵守的规约 之集合，它也可视为协调两个或多个并发进程之规程。从狭义上来讲，是指某一个层次 中指导对等实体之间通讯的规则。在本论文中，网络系统采用一种典型的集散控制系统 拓扑结构，这种结构在各种分布式工业控制系统中得到了广泛的应用。具体来讲，在这 种结构中，主控制器作为整个系统的主节点，所有信息在主节点进行集中和处理，显示 屏和传感器等作为从节点，向控制器发送数据并接收控制器处理结果，主节点和从节点 之间采用c a n 总线进行数据传输。通讯网络图如图4 1 所示： 图4 1c a n 总线网络图 c a n 是c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k 的缩写( 以下称为c a n ) ，是i s o 国际标准化的 串行通信协议。在当前的汽车产业中，出于对安全性、舒适性、方便性、低公害、低成 本的要求，各种各样的电子控制系统被开发了出来。由于这些系统之间通信所用的数据 类型及对可靠性的要求不尽相同，由多条总线构成的情况很多，线束的数量也随之增加。 为适应“减少线束的数量”、“通过多个l a n ，进行大量数据的高速通信”的需要，1 9 8 6 年 德国电气商博世公司开发出面向汽车的c a n 通信协议。此后，c a n 通过i s 0 1 1 8 9 8 及 长安大学硕士学位论文 i s o l l 5 1 9 进行了标准化，现在在欧洲已是汽车网络的标准协议。 c a n 的高性能和可靠性已被认同，并被广泛地应用于工业自动化、船舶、医疗设 备、工业设备等方面。现场总线是当今自动化领域技术发展的热点之一，被誉为自动化领 域的计算机局域网。它的出现为分布式控制系统实现各节点之间实时、可靠的数据通信 提供了强有力的技术支持。c a n 属于现场总线的范畴，它是一种有效支持分布式控制或 实时控制的串行通信网络。较之目前许多r s 4 8 5 基于r 线构建的分布式控制系统而言， 基于c a n 总线的分布式控制系统在以下方面具有明显的优越性： 首先，c a n 控制器工作于多主方式，网络中的各节点都可根据总线访问优先权( 取决 于报文标识符) 采用无损结构的逐位仲裁的方式竞争向总线发送数据，且c a n 协议废除 了站地址编码，而代之以对通信数据进行编码，这可使不同的节点同时接收到相同的数据， 这些特点使得c a n 总线构成的网络各节点之间的数据通信实时性强，并且容易构成冗余 结构，提高系统的可靠性和系统的灵活性。而利用r s - 4 8 5 只能构成主从式结构系统，通信 方式也只能以主站轮询的方式进行，系统的实时性、可靠性较差； 其次，c a n 总线通过c a n 收发器接口芯片8 2 c 2 5 0 的两个输出端c a n h 和c a n l 与物理总线相连，而c a n h 端的状态只能是高电平或悬浮状态，c a n l 端只能是低电平或 悬浮状态。这就保证不会出现象在r s - 4 8 5 网络中，当系统有错误，出现多节点同时向总线 发送数据时，导致总线呈现短路，从而损坏某些节点的现象。而且c a n 节点在错误严重的 情况下具有自动关闭输出功能，以使总线上其他节点的操作不受影响，从而保证不会出现 象在网络中，因个别节点出现问题，使得总线处于“死锁 状态。而且，c a n 具有的完善的 通信协议可由c a n 控制器芯片及其接口芯片来实现，从而大大降低系统开发难度，缩短 了开发周期，这些是只仅仅有电气协议的r s 4 8 5 所无法比拟的。另外，与其它现场总线比 较而言，c a n 总线是具有通信速率高、容易实现、且性价比高等诸多特点的一种已形成 国际标准的现场总线。这些也是目前c a n 总线应用于众多领域，具有强劲的市场竞争力 的重要原因。 c a n 即控制器局域网络，属于工业现场总线的范畴。与一般的通信总线相比，c a n 总线的数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性。由于其良好的性能及独特的设 计，c a n 总线越来越受到人们的重视。它在汽车领域上的应用是最广泛的，世界上一些著 名的汽车制造厂商，如b e n z ( 奔驰) 、b m w ( 宝马) 、p o r s c h e ( 保时捷) 、r o l l s - r o y c e ( 劳 斯莱斯) 和j a g u a r ( 美洲豹) 等都采用了c a n 总线来实现汽车内部控制系统与各检测和 执行机构间的数据通信。同时，由于c a n 总线本身的特点，其应用范围目前已不再局限于 第四章力矩限制器软件设计和调试 汽车行业，而向自动控制、航空航天、航海、过程工业、机械工业、纺织机械、农用机械、 机器人、数控机床、医疗器械及传感器等领域发展。c a n 已经形成国际标准，并已被公 认为几种最有前途的现场总线之一其典型的应用协议有：s a ej 1 9 3 9 i s 0 1 1 7 8 3 、 c i n o p e n 、c a n a e r o s p a c e 、d e v i c e n e t 、n m e a2 0 0 0 等。 在本论文中，基于c a n 总线连接网络节点定义如下表4 1 所示： 发送i d ( 1 6 h )接收i d (。6 h ) 节点名称 c a n o p e n虚拟i d c a n 2 0 c a n o p e n c a n 2 0 控制器( 主) 1 3 1 4 1 7 、1 81 2 c 1 4 、1 3 、1 8 、 显示器 1 8 1 7 回转旋转编码器 2 3 上车发动机a d m 2 0 cf 0 0 4 0 0 水平度传感器 3 0 左支腿操作面板 3 1 右支腿操作面板 3 5 底盘发动机a d m 2 0 cf 0 0 4 0 0 变速箱控制模块 表4 1 主从节点定义表 在上表中，控制器作为整个网络的主节点，定时向总线上发送启动命令，显示屏等 从节点根据自身运行周期向总线网络发送或接收数据。 4 1 3 页面实现 通讯协议规划后，就可以编写程序模块了，主要工作包括确定程序功能，流程图， 显示页面的开发等工作，程序流程图如图4 2 所示： 2 8 长安大学硕士学位论文 图4 2 控制器程序流程图 显示器程序实现与用户的交互操作，在用户操作起重机时，为操作者提供相关的吊 重参数信息和一些保护的报警信息。显示器内核使用了w i n c e 操作系统，应用软件设 计采用c o d c s y s 2 3 版本。显示器可以方便进行长度、角度传感器标定，并能实现吊重、 幅度等参数的调整，从而提高了力矩限制器的精度；显示器还具有黑匣子功能，能够实 时记录详细的超载信息，记录数据超过1 0 0 0 条。显示器程序流程图如图4 3 所示： 图4 3 显示器软件流程图 显示屏界面要求简单、形象、可操作性强，图4 4 为使用瑞典c c 公司d x - - s c c 显示屏开发的力限器显示主工作页面： 第四章力矩限制器软件设计和调试 o ! o o 赂夺石羔 卜- 一5 9m 叫 。 t 学 _ i 晶0 0t 画i 一 i 一 曰叵 图4 4 力限器主工作页面 主页面包含以下部分组成： a 主页面最上一条为报警栏，显示各种报警标志，当有报警工况发生时，对应的图标 会闪动； b 中间起重机图片显示主要工况数据，包括长度、角度、额重、实重、幅度、高度和 力矩百分比； c 中间右边纵向列分别显示工况、倍率、配重风速、发动机转速、发动机工作时间； 其中工况显示说明：“m b 0 “m 哈l “j i b 1o 7 o ” “j i b 1 0 7 1 5 ” j 卫b 1o 7 3 0 ” “j i b l8 o ” 表示主臂主钩 表示主臂副钩 表示副臂一o o 表示副臂一1 5 0 表示副臂一3 0 0 表示副臂二0 0 表示副臂二1 5 0 长安大学硕士学位论文 j i b 18 3 0 ” 其中工况下方数字： “0 ” “1 ， 2 ” 表示副臂二3 0 0 双泵工作 泵1 工作 泵2 工作 d 最下一行按钮显示子页面，从左到右分别为： 速度页面一设置主卷、副卷、变幅、伸缩、回转速度和保护取消； 工况页面设置工况、倍率、配重和吊钩重量以及强制启动散热开关； i o 监控一监控电磁铁，比例电磁铁输出，手柄输出，报警输出，开关信号 等； 信息页面显示长度角度传感器实际值和标定值，总工作时间，超载次数和 最大力矩百分比； 支腿页面一显示支腿信息； 。 登陆页面一进入后台管理和设置页面； 0 图4 5 表示信息页面： 第四章力矩限制器软件设计和调试 i i i 基本信息i j 。6 隧鲨塑塑麴墼圜 总工作时问 超载次教： 最大超载量t 图4 5 信息页面说明 信息页面说明 页面说明：显示长度角度传感器实际值和标定值，总工作时间，超载次数和最大超 载比和配重信息； 大腔压力：无杆腔压力传感器采样数值 小腔压力：有杆腔压力传感器采样数值； 图4 5 表示主臂空载标定页面 3 2 嚣 主臂空载标定 - - l _ _ - _ l _ _ _ - _ _ _ l _ _ i _ _ _ l l l l l _ _ _ l l - - l _ l _ _ - l _ _ l _ l l i _ l _ 主臂自重标定空载溪差修正 信息显示 大压； 亘 小脲回 工况。田 昂重显示