翁振粵

（廣東省建筑科學(xué)研究院，廣東廣州 510640）

1 概述

塔式起重機(jī)是臂架安置在垂直的塔身頂部的可回轉(zhuǎn)臂架型起重機(jī)。塔式起重機(jī)又稱塔機(jī)或塔吊，是現(xiàn)代工程建設(shè)中一種主要的起重機(jī)械[1]。

目前大部分的塔機(jī)由于牽引小車牽引幅度過(guò)大（長(zhǎng)達(dá)上百米）以及起升高度太高，操控人員很難在工作室內(nèi)通過(guò)目測(cè)的方式得到準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，一般都是通過(guò)地面指揮人員利用對(duì)講機(jī)協(xié)助操控人員反復(fù)移動(dòng)工件得到大致位置，這就給操作者帶來(lái)了很多不便，大大降低了工作效率，亦有可能造成安全事故。

此外，GB/T 5031-2008《塔式起重機(jī)》國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中第5.6.12.2條明確指出塔機(jī)應(yīng)安裝有顯示記錄裝置，該裝置應(yīng)以圖形和/或字符方式向司機(jī)顯示塔機(jī)當(dāng)前主要工作參數(shù)和額定能力參數(shù)[2]。主要工作參數(shù)又包括塔機(jī)的工作幅度和起升高度，因此在原有塔機(jī)的基礎(chǔ)上加裝一套數(shù)控顯示系統(tǒng)對(duì)上述參數(shù)進(jìn)行測(cè)量就顯得尤為重要了。

2 改造的可行性分析

塔機(jī)起吊貨物的工作主要是由牽引小車組成的牽引鋼絲繩系統(tǒng)以及與電機(jī)連接的起升鋼絲繩繞繩系統(tǒng)來(lái)完成。牽引小車在吊臂上前進(jìn)或后退帶動(dòng)貨物作水平方向的移動(dòng)，與電機(jī)相連的起升鋼絲繩系統(tǒng)則控制貨物在垂直方向的上升下降運(yùn)動(dòng)。該旋轉(zhuǎn)編碼器安裝在牽引卷筒的卷軸中心并隨牽引卷筒旋轉(zhuǎn)，牽引卷筒由牽引電機(jī)驅(qū)動(dòng)，當(dāng)牽引卷筒運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，牽引小車運(yùn)動(dòng)，此時(shí)旋轉(zhuǎn)編碼器隨牽引卷軸運(yùn)動(dòng)并向PLC系統(tǒng)發(fā)出連續(xù)的AB相脈沖，PLC 系統(tǒng)接收到這些脈沖通過(guò)計(jì)算即可轉(zhuǎn)換為牽引小車的位置。

目前大多PLC 都具有高速計(jì)數(shù)器功能，不需增加特殊功能單元就可以處理頻率高達(dá)幾十或上百千赫的脈沖信號(hào)。而塔機(jī)對(duì)水平方向、垂直方向精度和響應(yīng)速度要求不是很高，因此可以對(duì)塔機(jī)水平方向、垂直方向運(yùn)動(dòng)信號(hào)通過(guò)齒輪嚙合進(jìn)行采樣，合理地選用編碼器，讓脈沖頻率既在PLC 能處理的范圍內(nèi)又可以滿足測(cè)量的精度要求。在測(cè)量時(shí)，讓PLC 對(duì)所接收的脈沖數(shù)與設(shè)定數(shù)值進(jìn)行比較，根據(jù)比較結(jié)果驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的輸出點(diǎn)對(duì)牽引小車變頻器進(jìn)行輸出頻率的控制，實(shí)現(xiàn)接近設(shè)定值時(shí)電機(jī)輸出頻率降低，從而減小系統(tǒng)慣性，達(dá)到精確定位的目的[3]。整個(gè)系統(tǒng)的改造方案如圖1和圖2所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖1 表示系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖，從中可以看出，通過(guò)對(duì)2 個(gè)編碼器的信號(hào)高速計(jì)數(shù)處理得到相應(yīng)的距離在觸摸屏上顯示，也可以通過(guò)觸摸屏設(shè)置數(shù)據(jù)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)停留在期望位置。

3 編碼器的選取與安裝

旋轉(zhuǎn)編碼器是一種光電式旋轉(zhuǎn)測(cè)量裝置，它能將被測(cè)的角位移直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)（高速脈沖信號(hào)）[4]。因此可將旋轉(zhuǎn)編碼器的輸出脈沖信號(hào)直接輸入給PLC，利用PLC 的高速計(jì)數(shù)器對(duì)其脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，以獲得測(cè)量結(jié)果。編碼器的選取要符合兩個(gè)方面，一是PLC 接收的最高脈沖頻率，二是測(cè)量的精度（10 mm）。選用的編碼器分辨率是100 P/r（每轉(zhuǎn)每相輸出100 個(gè)脈沖）的。以測(cè)量水平方向位移為例，電機(jī)最高轉(zhuǎn)速是1 500 r/min、卷?yè)P(yáng)機(jī)卷筒直徑為400 mm，卷?yè)P(yáng)機(jī)卷筒大齒輪數(shù)為40，檢測(cè)用的減速小齒輪數(shù)10，齒輪減速比為4。驗(yàn)證如下。

本系統(tǒng)脈沖最高頻率＝25 r/s×100 個(gè)/r×2（A/B兩相）/4＝1.25 kHz。

理論測(cè)量分辨率＝3.14×400×1/（4×100）=3.14 mm=0.003 14 m。

同時(shí)由上面的數(shù)據(jù)知道系統(tǒng)每發(fā)一個(gè)脈沖行走了3.14 mm。由于系統(tǒng)脈沖最高頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于PLC 采用的最高頻率，因此滿足了第一個(gè)條件；行走距離精度要求是10 mm，可知理論精度完全滿足此要求。

在旋轉(zhuǎn)編碼器屬于精密元件，塔吊機(jī)工作環(huán)境極為惡劣，在使用中遇到的重要問(wèn)題是如何抗干擾。具體措施有：

（1）在編碼器外部再加裝一個(gè)防護(hù)殼，以加強(qiáng)對(duì)其進(jìn)行保護(hù)；

（2）在安裝使用時(shí)不要?jiǎng)×艺饎?dòng)和敲打，安裝于檢測(cè)齒輪上的編碼器要求其安裝與傳動(dòng)軸誤差不大于0.2 mm；

（3）信號(hào)傳輸時(shí)用屏蔽電纜，屏蔽線接地；

（4）選用不怕雨水、灰塵，耐酸、堿腐蝕防護(hù)等級(jí)IP68的工業(yè)級(jí)編碼器。

4 PLC控制系統(tǒng)編程

本文以三菱FX2N系列PLC 與精工SEIKO 型旋轉(zhuǎn)編碼器為例，介紹編碼器與PLC 的硬件接線方式以及編程[5]。

如圖1 所示是輸出兩相脈沖的旋轉(zhuǎn)編碼器與FX 系列PLC 的連接示意圖。編碼器有4 條引線，其中2條是脈沖輸出線，1條是COM端線，1條是電源線。編碼器的電源可以是外接電源，也可直接使用PLC 的DC24V 電源。電源“-”端要與編碼器的COM 端連接，“＋”與編碼器的電源端連接。編碼器的COM 端與PLC 輸入COM 端連接，A、B 兩相脈沖輸出線直接與PLC 的輸入端連接，連接時(shí)要注意PLC 輸入的響應(yīng)時(shí)間。有的旋轉(zhuǎn)編碼器還有一條屏蔽線，使用時(shí)要將屏蔽線接地。

圖2 觸摸屏控制示意圖

此工程中程序的難點(diǎn)主要在于數(shù)據(jù)的處理上。在牽引機(jī)構(gòu)工作過(guò)程中除手動(dòng)讓重物進(jìn)行水平和起升外，還要實(shí)現(xiàn)在觸摸屏上設(shè)定數(shù)據(jù)讓重物在具體位置定位功能，并且觸摸屏上還要即時(shí)顯示定位機(jī)構(gòu)的當(dāng)前位置。為了簡(jiǎn)化程序中的計(jì)算，采用了兩個(gè)高速計(jì)數(shù)器C251 和C253。C251通過(guò)計(jì)算前進(jìn)后退的脈沖數(shù)，再進(jìn)行換算后用于顯示牽引機(jī)構(gòu)水平方向的當(dāng)前位置；C253通過(guò)計(jì)算上升和下降的脈沖數(shù)，再進(jìn)行換算后用于顯示牽引機(jī)構(gòu)垂直方向的當(dāng)前位置。定位過(guò)程是這樣的，以水平移動(dòng)為例，在觸摸屏上設(shè)置好需要定位的位置后，通過(guò)計(jì)算把需要的脈沖數(shù)送到一個(gè)D寄存器，根據(jù)機(jī)構(gòu)前進(jìn)還是后退C251進(jìn)行加減計(jì)數(shù)，時(shí)刻比較D寄存器與C251中的數(shù)值，根據(jù)比較結(jié)果驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的輸出點(diǎn)對(duì)變頻器進(jìn)行輸出頻率的控制，實(shí)現(xiàn)接近設(shè)定值時(shí)進(jìn)給速度變慢，從而達(dá)到精確定位。圖3 是水平方向距離顯示的部分程序。

圖3 PLC控制系統(tǒng)編程

根據(jù)上面計(jì)算得知，編碼器發(fā)出一個(gè)脈沖相當(dāng)于走了0.003 14 m。也就是一個(gè)脈沖當(dāng)量的距離為0.003 14 m（D200），C251 表示的當(dāng)前的脈沖數(shù)，用脈沖當(dāng)量乘以脈沖數(shù)即可得到當(dāng)前的距離（D204），單位為米。X6 為初始位置觸發(fā)點(diǎn)，當(dāng)X6有效時(shí)，把當(dāng)前的距離通過(guò)換算成D206（初始位置）后輸入C251即可初始位置復(fù)位。垂直方向等控制程序類似。

5 結(jié)束語(yǔ)

塔式起重機(jī)是房屋建筑等生產(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)備，采用旋轉(zhuǎn)編碼器和PLC 構(gòu)成的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)鋼絲繩與卷筒之間的相對(duì)滑動(dòng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，具有以下特點(diǎn)。

（1）操作靈活。用戶只需要通過(guò)觸摸屏即可監(jiān)視和控制負(fù)載的位置。

（2）可靠性高。系統(tǒng)易操作，編程簡(jiǎn)單，PLC抗干擾能力強(qiáng)。

（3）控制精度高。旋轉(zhuǎn)編碼器是一種精密元件，試用PLC 高速計(jì)數(shù)器采集數(shù)據(jù)，利用PLC 的強(qiáng)大計(jì)算功能精確地計(jì)算車卷筒和鋼絲繩之間的相對(duì)滑動(dòng)距離。

（4）現(xiàn)場(chǎng)安裝方便，試用壽命長(zhǎng)，旋轉(zhuǎn)編碼器小巧，而PLC 大多采用模塊式組合，安裝方便。采用光電碼盤的旋轉(zhuǎn)編碼器無(wú)機(jī)械損耗，試用壽命長(zhǎng)。

該應(yīng)用徹底告別了以往靠人工、靠估計(jì)的歷史，極大地提高了工作效率和安全系數(shù)。

［1］孫在魯.塔式起重機(jī)應(yīng)用技術(shù)［M］.北京：中國(guó)建材工業(yè)出版社，2003.

［2］GB/T 5031-2008.塔式起重機(jī)［S］.

［3］王信義.機(jī)電一體化技術(shù)手冊(cè)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1994.

［4］常春.光電旋轉(zhuǎn)編碼器的研究與應(yīng)用［J］.儀表技術(shù)與傳感器，2001（12）：34-35.

［5］三菱公司.三菱PLC.FX 系列全部技術(shù)手冊(cè)［Z］.2011.