王麗麗

（山西平舒煤業(yè)有限公司，山西 晉中 045400）

引言

起重機(jī)是一種能夠?qū)⑽锪暇_運(yùn)送到指定位置的機(jī)械裝置，集機(jī)械、液壓、電氣系統(tǒng)為一體，具有系統(tǒng)復(fù)雜、作業(yè)面廣、起重量大等特點(diǎn)。與國外起重機(jī)發(fā)展水平相比，國內(nèi)起重機(jī)在智能化、安全性、可靠性等方面還存在一定的差距，迫切需要實(shí)現(xiàn)起重機(jī)控制系統(tǒng)的智能化和信息化，以滿足市場對起重器的性能要求。芬蘭的Betrox、德國的Wolf、意大利的Nauva、法國的BPR等起重機(jī)廠家已經(jīng)將現(xiàn)有起重機(jī)產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)了無線控制，即只需利用無線控制平臺(tái)以及無線監(jiān)視平臺(tái)就可完成對起重機(jī)的所有控制[1-3]。應(yīng)用起重機(jī)無線控制方案，可大幅縮減電纜用量，降低控制系統(tǒng)安裝成本、安裝錯(cuò)誤率和維護(hù)成本；提高控制信號(hào)傳輸效率，提升系統(tǒng)穩(wěn)定性；優(yōu)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)、減少工作量、降低人工成本；方便調(diào)試和查找故障點(diǎn)。本文基于無線通信技術(shù)，優(yōu)化起重機(jī)控制系統(tǒng)，使得起重機(jī)司機(jī)通過無線控制平臺(tái)控制起重機(jī)動(dòng)作，保障起重機(jī)穩(wěn)定、安全、高效運(yùn)行。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

起重機(jī)無線控制方案系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)是通過無線遠(yuǎn)程控制平臺(tái)，完成起重機(jī)的起升、回轉(zhuǎn)、變幅、限位、系統(tǒng)升級(jí)等動(dòng)作，并通過無線遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)實(shí)時(shí)監(jiān)控起重機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)、參數(shù)設(shè)置，進(jìn)行操作事件記錄、故障記錄以及遠(yuǎn)程升級(jí)等。起重機(jī)無線控制方案系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖1所示，核心為起重機(jī)智能控制系統(tǒng)，用于控制起升變頻器、回轉(zhuǎn)變頻器、變幅變頻器并完成起升動(dòng)作、回轉(zhuǎn)動(dòng)作、變幅動(dòng)作的控制[4-5]。同時(shí)，智能控制系統(tǒng)還需處理控制手柄、操作開關(guān)、限位開關(guān)等控制指令。

另外，設(shè)置無線控制平臺(tái)，以無線通信（5G）模式與智能控制系統(tǒng)進(jìn)行交互，替代控制手柄、操作開關(guān)控制起重機(jī)運(yùn)行；設(shè)置無線遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)，以無線通信（5G）模式與智能控制系統(tǒng)進(jìn)行交互，實(shí)時(shí)顯示起重機(jī)運(yùn)行狀態(tài)、參數(shù)設(shè)置以及故障報(bào)警信息。

圖1 起重機(jī)無線控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2 硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)起重機(jī)無線控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)以及系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架，統(tǒng)計(jì)控制系統(tǒng)輸入、輸出點(diǎn)并選擇赫斯曼公司的IMC A 4040G控制器。該控制器支持40路數(shù)字量輸入及40路數(shù)字量輸出，集成了數(shù)據(jù)監(jiān)控、數(shù)據(jù)記錄、GPRS無線模塊遠(yuǎn)程控制功能，供電電壓為9～36 V DC，程序存儲(chǔ)空間達(dá)1MBFLASH，支持CAN2.0A/2.0B、RS232通信，防護(hù)等級(jí)為IP66，滿足起重機(jī)控制系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境要求[6-7]，下頁表1所示為部分起重機(jī)無線控制系統(tǒng)控制器地址分配。變頻器選用法國施耐德的ATV71HD45N4，該變頻器的輸出功率為45 kW，額定電壓為三相380～480 V，額定輸入電流為20.5 A，額定頻率為50 Hz，支持無PG矢量控制、帶PG矢量控制、V/F控制以及帶PGV/F控制，過載能力為2倍額定電流。

起重機(jī)高度限位器選擇型號(hào)為DXZ1-360W，幅度限位器選擇的型號(hào)為DXZ（A）-1-5-4-W，回轉(zhuǎn)限位器選擇的型號(hào)為DXZ（1）-1-4-4-W，具有體積小、精度高、限位可調(diào)的特點(diǎn)，可防止起重機(jī)撞車或者將其行駛距離限制在一定范圍之內(nèi)[8]。無線遙控裝置選用Spectrum B型無線發(fā)送器和FSE 726 radiobus型無線接收裝置，采用無線通信模式控制起重機(jī)的起升、回轉(zhuǎn)等動(dòng)作。

表1 起重機(jī)無線控制系統(tǒng)控制器地址分配

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 控制器程序設(shè)計(jì)

根據(jù)起重機(jī)無線控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、控制器硬件地址分配表設(shè)計(jì)并編寫控制器軟件程序。按照起重機(jī)完成的功能將控制器軟件系統(tǒng)劃分為基本動(dòng)作控制、安全保護(hù)控制、遠(yuǎn)程控制、數(shù)據(jù)記錄四個(gè)模塊，具體如圖2所示。基本動(dòng)作控制模塊用于完成起動(dòng)機(jī)的起升、回轉(zhuǎn)、變幅控制，控制器通過CAN總線通信方式對起升變頻器、回轉(zhuǎn)變頻器、變幅變頻器進(jìn)行恒速變頻控制，保證起重機(jī)動(dòng)作過程的平穩(wěn)、安全。安全保護(hù)控制模塊用于完成對起動(dòng)機(jī)運(yùn)行過程的限位控制，如頂升、力矩、重量、變幅限位等，控制起重機(jī)在安全范圍內(nèi)作業(yè)，防止發(fā)生撞車等安全事故。遠(yuǎn)程控制模塊用于完成對起重機(jī)控制系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)控以及遠(yuǎn)程系統(tǒng)升級(jí)，遠(yuǎn)程控制平臺(tái)以無線通信方式代替控制手柄、操作開關(guān)等按鈕，實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的智能化。數(shù)據(jù)記錄模塊用于完成起重機(jī)運(yùn)行過程中的操作事件記錄、故障記錄等，使得起重機(jī)運(yùn)行過程可追述回溯。起重機(jī)控制器程序基于CodeSys3.5軟件平臺(tái)，采用FB編程語言進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，定義模塊接口函數(shù)，實(shí)現(xiàn)模塊間數(shù)據(jù)、指令、參數(shù)共享。起重機(jī)控制器程序編寫完成后，基于CodeSys3.5平臺(tái)可完成單元測試、系統(tǒng)測試，最后進(jìn)行系統(tǒng)聯(lián)調(diào)。

圖2 起重機(jī)無線控制系統(tǒng)控制器軟件程序設(shè)計(jì)

3.2 監(jiān)控平臺(tái)程序設(shè)計(jì)

起重機(jī)無線控制系統(tǒng)監(jiān)控平臺(tái)程序基于北京力控組態(tài)王軟件平臺(tái)實(shí)現(xiàn)，監(jiān)控平臺(tái)于控制器間以CAN2.0A總線通信完成數(shù)據(jù)傳輸，并在ICP6600顯示器開發(fā)開機(jī)界面、工況確認(rèn)界面、主界面，如圖3所示。在主界面中設(shè)計(jì)“系統(tǒng)設(shè)置”系統(tǒng)查詢”“面板調(diào)試”“工況設(shè)置”四個(gè)按鈕?！跋到y(tǒng)設(shè)置”按鈕可實(shí)現(xiàn)各傳感器報(bào)警閾值、區(qū)域報(bào)警閾值、防碰撞距離以及起重機(jī)車型、系統(tǒng)的設(shè)定等功能?！跋到y(tǒng)查詢”按鈕可實(shí)現(xiàn)起重機(jī)故障代碼、運(yùn)行狀態(tài)、保養(yǎng)狀態(tài)、性能要求以及系統(tǒng)版本等關(guān)鍵參數(shù)的查詢?！懊姘逭{(diào)試”按鈕可完成起重機(jī)高度、回轉(zhuǎn)、幅度、重量以及繼電器延時(shí)調(diào)試，并可進(jìn)行單元模塊測試以及系統(tǒng)聯(lián)調(diào)。“工況設(shè)置”按鈕可完成起重機(jī)高度、臂長以及倍率設(shè)置，保證起重機(jī)運(yùn)行參數(shù)符合該工況要求。起重機(jī)監(jiān)控平臺(tái)與控制器間定義CAN總線通信協(xié)議，并按照該協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)打包、數(shù)據(jù)解析工作。監(jiān)控平臺(tái)完成數(shù)據(jù)解析后，將該數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)至本地變量用于顯示、動(dòng)畫聯(lián)動(dòng)以及報(bào)警。

圖3 起重機(jī)無線控制系統(tǒng)監(jiān)控平臺(tái)界面設(shè)計(jì)

4 應(yīng)用效果分析

為驗(yàn)證設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)的起重機(jī)無線控制技術(shù)方案，在山西平舒煤業(yè)公司進(jìn)行為期3個(gè)月的實(shí)際應(yīng)用并查驗(yàn)實(shí)際應(yīng)用效果。系統(tǒng)上電后，通過監(jiān)控平臺(tái)對報(bào)警范圍、區(qū)域報(bào)警范圍以及車型進(jìn)行設(shè)置，確認(rèn)塔身高度、臂長、倍率參數(shù)后，利用面板對起重機(jī)及逆行高度、回轉(zhuǎn)、服務(wù)、重量調(diào)試，從而控制起重機(jī)的起升、回轉(zhuǎn)以及變幅動(dòng)作，起重機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)。人為修改起重機(jī)起升限位值后，監(jiān)控平臺(tái)立即發(fā)出聲光語音報(bào)警，并提示“起升限位故障”。通過設(shè)計(jì)的監(jiān)控平臺(tái)可回溯參數(shù)數(shù)據(jù)記錄、故障數(shù)據(jù)記錄以及操作事件記錄并可實(shí)現(xiàn)在線遠(yuǎn)程系統(tǒng)控制和升級(jí)，達(dá)到了起重機(jī)無線控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)和要求，能夠保障起重機(jī)安全、高效運(yùn)行。