桥式起重机自动运行控制系统设计

摘 要 桥式起重机在重物吊装和搬运过程中，为了使重物能够保持平稳，需要在其运行过程中对起重机起升、行走等机构的运行速度和方向进行随时的调整与改变，而且这种调整与改变随时都会发生，因此变换较为频繁。因此，为提高桥式起重机运行水平，本文在CoDeSys软件PLC开发平台上，设计了桥式起重机运行控制系统，通过对系统的功能分析和模块化设计，实现了自动化运行的过程控制。

关键词 桥式起重机；自动运行控制；系统设计

1 导言

在传统的起重机控制系统中，为了实现其驱动电机速度频繁变换功能，通常会采取比较常见的：调整电机极对数实现电机调速的方法，在转子回路中串接定值电阻的方法，通过涡流制动器来改变电机转速的方法等。以上电机速度调节的方法在启动性能、调速性能等方面与交流鼠笼式电机相比，有了一定的改善，但是依然存在一些难以克服的瓶颈问题。基于此，本文探讨了以可编程控制器（PLC）为控制中心、应用变频调速技术实现桥式起重机智能化自动运行控制的方法与途径[1]。

2 自动化运行系统分析

桥式起重机运行系统包括大车行走机构和小车行走机构，大车沿铺设在工作空间上方两侧的轨道（Y方向）行驶，小车在大车上沿与大车运行垂直的方向（X方向）行驶。大车与小车运行机构相互配合，带动起升装置到达工作平面内的任意位置。

桥式起重机运行系统的控制原理如下：操作者将起重机运行目标位置以及运行指令等信息通过人机接口（HMI）输入PLC，同时，安装于起重机吊钩组上的激光测距传感器组将采集的环境障碍物等信息输入PLC。PLC通过执行开发者设计的程序，将输入信号集成后进行运算处理，结合起重机工作要求和硬件参数，将路径信息转化计算生成大、小车电机的控制信号，从而实现对交流电机的速度控制。

为同时保证产品的自动化水平高、安全性好及工作效率高，PLC控制系统需满足以下功能要求：

（1）在运行过程中，需要避开环境中的障碍物，运行轨迹应为多段折线。每段折线的拐点坐标值作为输入量输入PLC中参与运算。

（2）起重机运行路径靠PLC与变频器对大车和小车电机转速的协同控制完成。

（3）为保证运行过程的精确、平稳，每一段折线的运行应为“匀加速-匀速-匀减速”过程，且运行过程中实时速度、加速度都应通过PLC的计算与合理的调速方式达到精确控制。

（4）在斜线路径的运行中，保证大、小车运行实时同步。设某段斜线运行路径中，X方向与Y方向的运行距离分别为和，大车Sx和Sy小车的运行速度分别为Vx和Vy，则在运行过程中应实时保证：（公式1）

（5）为兼顾起重机工作的安全性和高效性，为运行机构设置不同的档位：根据运行机构每段行走距离的长短，设置高、中、低三个速度档位，每个档位有固定的加、减速度和最高速度[2]。

3 自动运行控制系统的设计分析

3.1 软件程序设计

本系统采用CoDeSys软件PLC开发平台进行软件程序的设计。CoDeSys是一款通用性强、库资源丰富、支持多种编程语言的PLC设计软件，它将一个工程分为不同的程序组织单元（POU），使程序模块化，可以使复杂的控制程序在设计时更为简明清晰。由前述功能分析，设置如表1所示的桥式起重机自动控制程序各个POU及其编程语言和功能。

运行路径已知后，便得到每段折线中大车运行距离Sy，Sy作为输入量输入gears子程序，该程序根据Sy的值确定速度档位，从而确定其相应的加、减速度a、最高速度Vm、加速时间ta和控制时间（加速与匀速运动时间总和tc）。设大车最大运行距离为50m，各挡位运动参数及程序工作流程，如图1。

根据挡位和相关运动参数生成大、小车的实时运行速度：首先创建计时器timer子程序，输出加速、匀速、减速各阶段運行时间，随后在velocity子程序中，根据此时间与gears子程序中速度和时间的关系生成大车实时速度，逻辑流程，如图2所示。根据（公式1），小车电机转速按比例实时跟随大车电机转速，因此，在大车实时速度已知的情况下，可以通过简单的运算得到小车的实时速度。实时速度确定后，设置rotatespeed子程序，根据大、小车减速器传动比、轮径等机械参数，将大、小车运行速度（m/s）换算为电机的实时转速值（r/min）和变频器的给定频率输入到变频器。为使起重机运行状况正确地显示在监控界面中，还需要设置distance子程序，根据以上参数积分得到大、小车的运动位移和实时位置。最后，在主程序PLC_PRG中，将上述各POU中定义的输入、输出变量按照逻辑关系连接，形成了完整的控制程序。

3.2 可视化人机交互界面设计

除强大的语言编程功能外，CoDeSys还提供了可视化编程功能，可以在离线的情况下绘制几何图形、按钮、文本框等，并将他们的几何特性与程序中的工程变量相关联，在联机模式下按照特定变量值的变化改变他们的几何特性。因此，可视化的界面可以通过功能化设计，作为控制程序的HMI，允许开发者在不依赖硬件的条件下，通过PC端对控制系统进行运行和调试。考虑界面功能及操作者的控制要求，将HMI界面划分为控制变量输入面板、控制信号输入面板、工作状态监控区域和运行参数监控区域。将界面中的图形元素的相关几何特性与各POU中的相应变量间构建链接。最终实现方便操作者控制和观测的可视化界面[3]。

4 结束语

本文针对复杂工作环境中桥式起重机工作特点和控制要求，利用CoDeSys环境开放的特点，可将所设计的PLC控制程序通过不同类型的数据总线与任意类型的传感器，显示屏，变频器，电机等设备相组合，只需针对相应的型号在程序中进行一部分修改。利用可视化显示器编程的功能，在实验室中就可以随时观测到程序运行结果，克服了实验室编程与现场调试这一传统开发步骤中的不便。

参考文献

[1] 高金刚，张永贵，刘文洲.电主轴变频调速系统设计与分析[J].机械设计与制造，2014，（2）：143-145.

[2] 張冒，崔焕星，李靖.核废料数控起重机精确定位与消摆研究[J].机械设计与制造，2014，（5）：60-62.

[3] 旦增欧珠.桥式起重机智能运行系统及其路径规划研究[D].大连：大连理工大学，2013：57-58.