无线通讯及分布式IO子站在起重机上的应用

无线通讯及分布式IO子站在起重机上的应用

 杨海林1  秦小江2

1重庆佳茗禾机械设备有限公司   2中交二航局第二工程有限公司  

摘要：随着无线通讯技术的不断发展，目前已在越来越多的行业中得到广泛的应用及推广，在我国基建工程领域中常用的一些大型起重设备大部分仍然采用传统的控制方案，经济性差、稳定性不高。

关键词：无线通讯  分布式IO子站  起重机

一、当前现状分析

目前在工程施工和船舶制造厂常用的一些特大型起重机控制系统方案仍然是采用传统的一套主站作集中控制，该方案若用于架桥机或者超高大跨度龙门式起重机上时，通常总电源柜、各机驱动控制柜、PLC综合控制柜紧挨着放置在同一个平台上；有的架桥机2台天车采用2套独立控制系统；该方案经济性较差、且存在一定的弊端：

1.各个机构的动力驱动电缆和安全信号反馈线缆长度会大幅度增加，同时相关的附件也会增加；

2.设备安装和拆卸工作量增大；

3.如天车和支腿控制电缆都是通过移动馈电方式，电缆数量多、重量较重，经常出现电缆被拉断、绝缘层磨破等现象，故障率增加同时影响现场施工进度；

4.如双天车采用2套独立的控制系统时，操作控制指令同步性差、甚至会出现误动作的情况；

二、控制系统改造

根据上述控制方案的缺点，可以采用基于无线通讯技术和分布式IO子站对传统控制方式的旧起重机进行改造。本文选用特大型龙门式起重机和步履式公路架桥机来进行阐述：

无线通讯硬件选用工业无线网桥，它是利用无线传输方式实现在两个或多个网络之间搭起通信的桥梁；从通信机制上分为电路型网桥和数据型网桥，数据型网桥采用IP传输机制，接口协议采用桥接原理实现，具有组网灵活，成本低廉的特征；它除了具备有线网桥的特点以为，它的工作频段在2.4G或5.8G的免申请执照的频率段，因此无线网桥的部署比有线网络的部署更方便、快捷；根据具体需求，本次选择数据型网桥作为数据和信号的无线传输设备。

选用施耐德TM241系列控制器和扩展模块作为分布式IO子站硬件：它具有高速双核CPU处理器、运算处理速度快，本体内置高速计数、脉冲输出，通讯能力强大、支持以太网、CANOPen、2各串行通讯口（Modbus RTU 自由口通讯协议），采用TM3扩展模块、速度比TM2提升10倍，同时支持SD卡和TMC4扩展板等。

1. MG150/30t-60m-65m门式起重机

改造前控制原理(图一所示)：司机室或者无线遥控器发出的总电源启停指令，主副起升机构的升降指令及段速指令、天车前后行走指令及段速指令、大车机构左右行走指令及段速指令，通过电缆线硬接线方式接入集中控制CPU扩展模块输入端；

天车上主钩电机、副钩电机、小车行走电机动力电缆，各制动器、强迫式散热风机、防风铁锲电缆线、起升机构上限位、下限位、重锤限位、小车前后限位、起升机构制动器打开到位信号、小车防风铁锲打开到位信号，安全监控系统所需的起升高度编码器、小车行走距离编码器、摄像机视频传输线及电源线绑扎在工字钢滑车分别通过主梁两侧的两条10#工字钢导电轨道移动。（图二所示）

因为天车上的动力电缆和控制信号电缆数量多且质量重，单条工字钢导电架无法容纳下；所以需要在主梁的另外一侧增加一条工字钢导电架，增加了成本的同时也不利于门式起重机的多次转场和拆装。天车上所用电缆明细如（表一）：

表一

1.1原设计方案的主要缺点有：使用电缆数量多，经济性差、故障点增多、如需多次转场和安拆工作量增大，后期维护成本也高。

1.2针对原方案的缺点，提出新的控制方案(图三所示)；主站PLC控制柜、总电源控制柜、大车变频器控制柜位置不变，仍然安置于操作室后面的平台；在天车上新做一个平台用于安装主钩控制柜、副钩控制柜、小车控制柜；

主梁左侧走台上用于安装控制信号线的工字钢滑轨架不需要安装，只把主梁走台右侧用于天车主电源电缆的导电工字钢滑轨架安装好即可；天车控制方案改造后的电缆明细如（表二）所示：

表二

从（表二）（图三）可以看出，把主钩变频柜、副钩变频柜、小车变频柜放置到天车上以后，主副钩限位开关状态、制动器状态反馈、小车防风铁锲状态反馈等需要开关量信号、主副钩高度编码器信号直接接入天车上从站PLC模块，主副钩电机、小车电机、主钩低速制动油泵站、主副钩高速制动器、小车制动器和主副钩电机、小车电机的强迫式散热风机也直接接入天车上相应的控制柜内，主副钩速编码器直接接入天车上主副钩变频器PG卡处，监控网络摄像机接入天车上的交换机，原通过工字钢滑轨导电架的这部分电缆做相应的减除；只需要给天车上提供三相四线制的电源就可以满足天车运行的条件。

无线网桥在现场设置中，会影响无线传输的主要因素有以下几点：⑴两点之间的距离；⑵两点之间可视状况，分为光可视和无线可视，可视程度会直接印象传输距离和质量；⑶电磁干扰情况，根据干扰强度的情况做相应的抗干扰设计和预案；所以需要根据现场的具体情况进行选型和布置。

为了提高无线传输系统的安全性和稳定性，在主从站控制程序的编写时，必须加入防止无线通讯意外中断情况下，起重机各机构迅速响应并停止的代码（简单来讲就是主从站通讯端口之间加入“心跳检测”功能）。

主站代码如下：

从站代码如下：

注：在0.5S（时间周期值可以在程序中任意设定）一个周期内分别在主站和从站的计数器地址中进行加法计数，当计数地址中的数值在一定的时段内未发生变化，那么程序自动判定为通讯故障或者通讯中断；则其程序自动执行紧急停止功能。

2.NF50/170架桥机

原控制方式及原理：操作室和综合控制安装在导梁尾部，前后天车起升机构采用两台YZR电机串电阻启动，启动电阻安装在天车上，前后天车横移和纵移用1台变频器通过操作台上的转换开关来进行切换，前后支架、整机横移和纵移也是通过操作台上的转换开关切换控制；天车升的降限位、左右横移限位、前后纵移限位；前后支架的整机左右横移限位和纵移限位开关等信号必须通过控制电缆接入综合控制柜内进行连锁控制，操作复杂、所使用的电缆特别多，电缆用登山扣绑挂在悬挂的钢丝绳上随着天车和前后支架移动；电缆极易损坏，使用寿命短，设备故障率居高不下。

为减少动力电缆和控制信号电缆的数量（做到前天车、后天车、前支架、后支架每个位置只用一根主供电电缆），有两种方案可以解决：

方案一：把综合控制柜拆分开，前后天车及前后支架上各自放置一个控制柜并相应的配置一套遥控器，4各遥控器分别控制前天车升降、横移、纵移，后天车升降、横移、纵移，前支架整机横移、纵移，后支架整机横移、纵移。各安全限位开关信号直接接入各自控制柜内进行电气连锁控制。此方案优缺点对比：

优点：改造成本比较低，缺点：原司机室操作的功能无法实现、遥控器太多操作复杂、同步较差、容易误操作；所以不推荐采用该方案。

方案二：仍然是取消原来的综合控制柜，在导梁尾部司机室旁边安装一套遥控器和主站控制器和无线网桥，把司机室操作平台上的控制信号跟遥控器接收器输出信号同步接入主站控制器相应模块上；前后天车和前后支架处分别安装一台从站控制器和相应的电气控制柜，每个从站配置一台无线网桥；通过无线通讯方式实现主站和从站数据交换及逻辑控制，逻辑控制和安全保护功能程序代码跟上述龙门吊改造的程序大同小异，此处就不在赘述；此方案优缺点对比：

优点：司机室操作的功能得到保留、使用1台遥控器操作同步性高、不易出现误操作的情况、控制程序模块化和可视化，可以便于维护人员快速判和处理故障； 缺点：改造成本比方案一略高。

三、总结

通过对上述两种起重机改造后，并使用有相当长一段时间，极大的降低设备故障率；出现故障后可以在可视化的人机界面上显示故障原因及处理措施，缩短了维修时间；节约了成本。

参考文献：

[1] 裘为章 .  实用起重机电气技术手册      机械工业出版社，2001.12