PLC和旋转编码器在塔式起重机位置控制中的应用

翁振粤

（广东省建筑科学研究院，广东广州 510640）

1 概述

塔式起重机是臂架安置在垂直的塔身顶部的可回转臂架型起重机。塔式起重机又称塔机或塔吊，是现代工程建设中一种主要的起重机械[1]。

目前大部分的塔机由于牵引小车牵引幅度过大（长达上百米）以及起升高度太高，操控人员很难在工作室内通过目测的方式得到准确数据，一般都是通过地面指挥人员利用对讲机协助操控人员反复移动工件得到大致位置，这就给操作者带来了很多不便，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《塔式起重机》国家标准中第5.6.12.2条明确指出塔机应安装有显示记录装置，该装置应以图形和/或字符方式向司机显示塔机当前主要工作参数和额定能力参数[2]。主要工作参数又包括塔机的工作幅度和起升高度，因此在原有塔机的基础上加装一套数控显示系统对上述参数进行测量就显得尤为重要了。

2 改造的可行性分析

塔机起吊货物的工作主要是由牵引小车组成的牵引钢丝绳系统以及与电机连接的起升钢丝绳绕绳系统来完成。牵引小车在吊臂上前进或后退带动货物作水平方向的移动，与电机相连的起升钢丝绳系统则控制货物在垂直方向的上升下降运动。该旋转编码器安装在牵引卷筒的卷轴中心并随牵引卷筒旋转，牵引卷筒由牵引电机驱动，当牵引卷筒运转时，牵引小车运动，此时旋转编码器随牵引卷轴运动并向PLC系统发出连续的AB相脉冲，PLC 系统接收到这些脉冲通过计算即可转换为牵引小车的位置。

目前大多PLC 都具有高速计数器功能，不需增加特殊功能单元就可以处理频率高达几十或上百千赫的脉冲信号。而塔机对水平方向、垂直方向精度和响应速度要求不是很高，因此可以对塔机水平方向、垂直方向运动信号通过齿轮啮合进行采样，合理地选用编码器，让脉冲频率既在PLC 能处理的范围内又可以满足测量的精度要求。在测量时，让PLC 对所接收的脉冲数与设定数值进行比较，根据比较结果驱动相应的输出点对牵引小车变频器进行输出频率的控制，实现接近设定值时电机输出频率降低，从而减小系统惯性，达到精确定位的目的[3]。整个系统的改造方案如图1和图2所示。

图1 系统结构图

图1 表示系统的结构框图，从中可以看出，通过对2 个编码器的信号高速计数处理得到相应的距离在触摸屏上显示，也可以通过触摸屏设置数据控制执行机构停留在期望位置。

3 编码器的选取与安装

旋转编码器是一种光电式旋转测量装置，它能将被测的角位移直接转换成数字信号（高速脉冲信号）[4]。因此可将旋转编码器的输出脉冲信号直接输入给PLC，利用PLC 的高速计数器对其脉冲信号进行计数，以获得测量结果。编码器的选取要符合两个方面，一是PLC 接收的最高脉冲频率，二是测量的精度（10 mm）。选用的编码器分辨率是100 P/r（每转每相输出100 个脉冲）的。以测量水平方向位移为例，电机最高转速是1 500 r/min、卷扬机卷筒直径为400 mm，卷扬机卷筒大齿轮数为40，检测用的减速小齿轮数10，齿轮减速比为4。验证如下。

本系统脉冲最高频率＝25 r/s×100 个/r×2（A/B两相）/4＝1.25 kHz。

理论测量分辨率＝3.14×400×1/（4×100）=3.14 mm=0.003 14 m。

同时由上面的数据知道系统每发一个脉冲行走了3.14 mm。由于系统脉冲最高频率远远低于PLC 采用的最高频率，因此满足了第一个条件；行走距离精度要求是10 mm，可知理论精度完全满足此要求。

在旋转编码器属于精密元件，塔吊机工作环境极为恶劣，在使用中遇到的重要问题是如何抗干扰。具体措施有：

（1）在编码器外部再加装一个防护壳，以加强对其进行保护；

（2）在安装使用时不要剧烈震动和敲打，安装于检测齿轮上的编码器要求其安装与传动轴误差不大于0.2 mm；

（3）信号传输时用屏蔽电缆，屏蔽线接地；

（4）选用不怕雨水、灰尘，耐酸、碱腐蚀防护等级IP68的工业级编码器。

4 PLC控制系统编程

本文以三菱FX2N系列PLC 与精工SEIKO 型旋转编码器为例，介绍编码器与PLC 的硬件接线方式以及编程[5]。

如图1 所示是输出两相脉冲的旋转编码器与FX 系列PLC 的连接示意图。编码器有4 条引线，其中2条是脉冲输出线，1条是COM端线，1条是电源线。编码器的电源可以是外接电源，也可直接使用PLC 的DC24V 电源。电源“-”端要与编码器的COM 端连接，“＋”与编码器的电源端连接。编码器的COM 端与PLC 输入COM 端连接，A、B 两相脉冲输出线直接与PLC 的输入端连接，连接时要注意PLC 输入的响应时间。有的旋转编码器还有一条屏蔽线，使用时要将屏蔽线接地。

图2 触摸屏控制示意图

此工程中程序的难点主要在于数据的处理上。在牵引机构工作过程中除手动让重物进行水平和起升外，还要实现在触摸屏上设定数据让重物在具体位置定位功能，并且触摸屏上还要即时显示定位机构的当前位置。为了简化程序中的计算，采用了两个高速计数器C251 和C253。C251通过计算前进后退的脉冲数，再进行换算后用于显示牵引机构水平方向的当前位置；C253通过计算上升和下降的脉冲数，再进行换算后用于显示牵引机构垂直方向的当前位置。定位过程是这样的，以水平移动为例，在触摸屏上设置好需要定位的位置后，通过计算把需要的脉冲数送到一个D寄存器，根据机构前进还是后退C251进行加减计数，时刻比较D寄存器与C251中的数值，根据比较结果驱动相应的输出点对变频器进行输出频率的控制，实现接近设定值时进给速度变慢，从而达到精确定位。图3 是水平方向距离显示的部分程序。

图3 PLC控制系统编程

根据上面计算得知，编码器发出一个脉冲相当于走了0.003 14 m。也就是一个脉冲当量的距离为0.003 14 m（D200），C251 表示的当前的脉冲数，用脉冲当量乘以脉冲数即可得到当前的距离（D204），单位为米。X6 为初始位置触发点，当X6有效时，把当前的距离通过换算成D206（初始位置）后输入C251即可初始位置复位。垂直方向等控制程序类似。

5 结束语

塔式起重机是房屋建筑等生产的关键设备，采用旋转编码器和PLC 构成的实时监测系统对钢丝绳与卷筒之间的相对滑动进行实时监测，具有以下特点。

（1）操作灵活。用户只需要通过触摸屏即可监视和控制负载的位置。

（2）可靠性高。系统易操作，编程简单，PLC抗干扰能力强。

（3）控制精度高。旋转编码器是一种精密元件，试用PLC 高速计数器采集数据，利用PLC 的强大计算功能精确地计算车卷筒和钢丝绳之间的相对滑动距离。

（4）现场安装方便，试用寿命长，旋转编码器小巧，而PLC 大多采用模块式组合，安装方便。采用光电码盘的旋转编码器无机械损耗，试用寿命长。

该应用彻底告别了以往靠人工、靠估计的历史，极大地提高了工作效率和安全系数。

［1］孙在鲁.塔式起重机应用技术［M］.北京：中国建材工业出版社，2003.

［2］GB/T 5031-2008.塔式起重机［S］.

［3］王信义.机电一体化技术手册［M］.北京：机械工业出版社，1994.

［4］常春.光电旋转编码器的研究与应用［J］.仪表技术与传感器，2001（12）：34-35.

［5］三菱公司.三菱PLC.FX 系列全部技术手册［Z］.2011.