浅析双起重机精确同步运行控制技术

浅析双起重机精确同步运行控制技术

滕广力

中航西安飞机工业集团股份有限公司 陕西西安 710089

摘要：针对外形结构不规则、体积大、产品价值高同时有装配精度要求的关重零部件，单台起重机无法满足吊装要求，一般需要两台起重机协同进行吊装作业。目前国内大部分双起重机在联动作业时，通常为两起重机独立进行工作，起重机之间没有实现信息数据交换，导致联动运行机构的同步精度无法保证。同时在联动作业时，若某台起重机发生故障而无法被另外一台起重机感知，并触发相应的保护功能，将有可能造成起重机械事故。本文通过对同步运行控制技术研究，设计了一套基于PLC、无线通讯模块、位置传感器及变频器等元器件的起重机同步控制系统，该系统可实现双起重机各运行机构相对位置的闭环控制，开发了同步精确度的控制算法，确保了同步作业时信息的实时共享，达到了双车联动同步运行精确控制。

关键词：起重机；同步控制；PLC控制器；无线通讯；变频器

1、同步控制总体方案

双车同步联动方案采用目前成熟的可编程控制器(PLC）和矢量(或DTC)变频器作为运动、控制核心，结合稳定无接触的激光传感器、绝对值旋转编码器等精准位置检测元件，以及可靠、抗干扰能力强的西门子数据无线传输通讯系统，通过无线遥控器进行操控，实现对两台起重机的高精度同步联动控制。

2、电气系统组成及控制流程

该系统采用无线遥控器作为操纵装置同时向两台起重机运行机构发出动作信号，PLC控制器作为主要控制核心将与运行机构动作相关外围信号（方向、速度、通讯、安全信号等）进行比较处理，若信号处理结果正常，则通过PROFINET的通讯方式将信号传递至驱动变频器及其相关控制元件处，再通过变频器驱动两台设备运行电机开始同时运转。整个运行过程中，PLC对两台起重机的状态信号进行监控调整，保证各运行机构同步的精确性与安全性，并通过IWLAN无线通讯装置将信号做到全局共享，一旦某个条件不满足或异常，则会停止运行机构动作并发出相应报警。系统搭建示意图如图1所示：

图1 系统搭建示意图

3、系统软件设计

针对同步功能的实现，根据系统控制流程设计了以下9大相关程序功能块：

①.运行模式判断程序—对设备运行模式进行选择；

②.变频器运行功能程序—编写变频器运行功能及数据写入写出；

③.激光测距仪功能程序—编写大小车激光测距仪数值读取处理程序；

④.起升编码器值处理程序—实现起升编码器数值读取并作基本处理；

⑤.跟随同步信号给定—实现对运行机构相对位置的检测，并设定该位置误差范围以及对超差后的信号处理输出；

⑥.变频器功能块调用—将外部控制信号如变频器控制字、使能、方向、限位、抱闸确认、加减速、同步模式确认等给定至变频器功能块接口参数位置处，实现变频器功能的完整运行；

⑦.激光测距仪功能块调用—将格式设置、启停信号等给定至激光测距功能块接口参数位置处，实现对激光测距值最终输出及状态反馈；

⑧.变频器的使能、方向、速度，保护等信号给定—对参与给定信号输出的条件进行对比处理，保证输出信号的安全性与正确性；

⑨.PUT&GET功能块—实现双车运行信息、安全信息及反馈信息进行数据交换。

4、系统关键技术

4.1、同步精度控制

4.1.1、在大车主梁两端安装有激光测距传感器用以实时检测两台大车之间当前相对位置，计算出相对位置偏差，结合变频器调速功能，通过PID速度调节，调节联动运行时两台大车的同步精度控制在全行程误差范围内，具体流程如下（小车调节方式与大车一致）：

①调用激光测距功能块读取大车激光测距值。

②在进入同步运行模式的瞬间，读取两台大车初始测距值并将其记录，并在随后运行过程中实时读取激光测距值，将两者数值作差，若结果超出距离调整范围（但在距离超差范围内），则两车进入跟随模式。在跟随模式下，初始值与实测值之间作大小比较，根据比较结果来触发两车变频器的加速或减速信号。如图2所示：

图2 大车测距值处理

③调用变频器运行功能块实现对加减速信号进行响应，驱动两台起重机大车电机进行正反转，直至相对位置误差缩小至正常范围内，从而达到对大车运行位置的精确控制。该功能块外围接入的信号包括变频器控制字的写入读取、使能、方向、限位、抱闸确认、加减速、同步模式确认等控制信号。

4.1.2、在两台起重机起升卷筒位置处装有绝对位置编码器检测起升高度位置，该编码器设置有零位传感器，用以消除编码器累计误差。同步运行过程中，实时检测两台起重机起升相对位置误差，结合变频器的调速功能，通过PID调节起升速度，保证起升运行同步精度控制在全行程误差范围内。具体流程如下：

①读取起升编码器数值并作基本处理。

②在进入同步模式后，读取两起升初始测距值作差，获得初始相对距离值，并将其记录，并在随后运行过程中实时获得该相对距离值，与初始相对距离值作差，若结果超出设定范围（在距离误差范围内），则两车进入跟随模式。在跟随模式下，相对距离初始值与实测值之间作大小比较，根据比较结果来触发两车变频器的加速或减速信号。如图3所示：

图3 双车编码器值处理

③调用变频器运行功能块实现对加减速信号进行响应，驱动两台起重机起升电机进行正反转，直至相对位置误差缩小至正常范围内，从而达到对起升运行位置的精确控制。该功能块外围接入的信号包括变频器控制字的写入读取、使能、方向、限位、抱闸确认、加减速、同步模式确认等控制信号。

4.2、双车信息共享

为确保起重机在同步运行过程中的精确性与安全性，两台设备的运行信息、安全信息及反馈信息等在控制系统上应做到实时监测、全局共享。采用无线通讯模块将所有通讯控制器件整合在同一个局域网内，并应用PLC控制器对共享信号进行处理，以实现最终目的。通讯示意图如图4所示：

图4 无线通讯示意图

4.2.1、在硬件组态内设置完成如PLC连接关系、IP地址等相关参数后。建立起重机状态信号与共享数据块之间的映射关系，将需发送的信号存入DB2.DBX0.0 BYTE40中，需接收的信号存入DB2.DBX40.0  BYTE40中，信号内容主要包括遥控器控制信号、大小车及起升位置信号、PLC通讯信号及相关安全保护信号等。

4.2.2、调用通信指令PUT将本地PLC P#DB2.DBX0.0 BYTE40内的数据保存入伙伴PLC P#DB2.DBX40.0 BYTE40内，再通过GET指令将伙伴PLC P#DB2.DBX0.0 BYTE40内的数据保存入本地PLC P#DB2.DBX40.0  BYTE40内，从而完成对双车的信息实时交互。如图5所示：

图5 双机信息交互

5、结束语

现代制造企业的吊装作业对双车同步精度、运行安全及稳定性等方面要求很高，以PLC+变频伺服驱动器+无线通讯装置+位置传感器组成的闭环控制方式将会广泛应用于同步起重机上。该同步控制方式的实现，在产品安全保障、设备稳定运行、多台起重机协调运行方面均具备极大的优势。随着企业自动化、智能化程度的不断提升，将进一步促进起重机控制系统的升级换代，以满足今后智能化吊装的需求。

参考文献：

[1]崔坚,西门子（中国）有限公司.《SIMATIC S7-1500与TIA博途软件使用指南》   机械工业出版社   2016

[2]王建，杨秀双，刘来员.《变频器实用技术（西门子）》    机械工业出版社     2012.6

[3]吴元修，王文华.《PLC、变频器、触摸屏应用技术》      清华大学出版社     2014.6

[4]朱建宏.《绝对式光电编码器的基本原理和通讯方式》[J]    电气传动         2010（9）

1 / 6