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采用电液推杆实现龙门吊双闭环转向控制

编辑:扬州中悦机械有限公司时间:2020-08-25

电液推杆作为龙门吊转向执行机构, 提出了一种双闭环龙门吊自动转向方案, 设计并 实现了基于 PLC的控制器, 可实现 PLC与变频器实时通信等功能, 该龙门吊在京沪高速铁路的铺设过程中, 取得了良好的应用效果 。

1 引言

龙门吊, 又称双梁轮胎门式起重机, 广泛应用于京 沪高速铁路的施工中, 根据起重能力的不同可分为 3 t、4 t和 10 t等不同的级别, 本文以 3 t龙门吊为对象 开展研究。 为保证龙门吊的走行安全, 工程中在龙门吊走行 线路的两侧设置了防撞墙, 如果与防撞墙发生撞击, 说 明龙门吊的走行出现了问题。龙门吊的系统结构图见 图 1。

为避免龙门吊在走行过程中与防撞墙相撞, 本文 提出一套新型龙门吊自动转向控制系统, 系统选用电 液推杆作为转向执行机构, 通过超声测距传感器实时 监测转向轮与防撞墙的距离, 采用 PLC作为核心控制 器, 传感器一旦检测到龙门吊与防撞墙有相撞的趋势, 则自动控制龙门吊车执行机构转向, 防止龙门吊与防 撞墙相撞, 保证龙门吊运行安全 。

2 系统构成 

控制系统主要包括龙门走行 、天车走行、起重、转向 、辅助支撑 、PLC控制器以及提供所有电机和用电器 动力的发电机设备。转向系统分为自动控制和手动控 制, 可以方便进行自动和手动转向的切换。为方便操 作, 本系统还采用了无线遥控进行操作。 转向系统主要通过电液推杆, 位移传感器和测距 传感器实现转向功能, 其安装结构如图 2所示。其中 执行机构电液推杆为转向系统的核心 。  

电液推杆是一种机、电 、液一体化的新型柔性传动 机构[ 1] , 适用于需要往复推拉直线 (或往复旋转一定 角度 )运动, 也可用于需要上升 、下降或夹紧工作物的 场所, 并可实现远距离危险地区的集中或自动控制。 已广泛应用于冶金、矿山 、电力、煤炭 、机械、交通 、粮 食 、化工 、水泥、水利建材、运输等部门 。它以执行机构 (液压缸 ) 、控制机构 (液压控制阀组 )和动力源 (液压泵 、电机等 )组成 。根据现场安装空间和使用情况, 电 液推杆可有多种结构形式 。电动机通过正反转驱动双 向液压泵正反输出压力油, 经液压控制阀送至液压缸, 也实现活塞杆的往复运动 。 液压控制阀组主要由溢流阀、吸油单向阀 、调速 阀 、液控单向阀 (液压锁 )等组成, 也可根据电液推杆 的工作特性, 设计不同功能的油路组合阀, 满足其工作 要求。一般有推出自锁、拉回自锁和推拉均自锁;运行 速度有可调速型 、不可调速型;电液推杆工作角度有水 平推、向上推 (包括斜向上 ) 、向下推 (包括斜向下 )等 几种。

电液推杆的优点主要有:① 结构紧凑、安装方 便 、占据空间小、维护简单;② 可带负荷起动, 具有过 载保护功能 ;③回路设双向液压锁, 可停在规定行程 范围内的任意位置并自锁, 且保持输出力不变;④ 推 拉力, 速度无级可调, 驱动力范围极广[ 2] ;⑤ 因故断 电, 推杆自锁, 避免发生事故;⑥ 采用全液压传动, 动 作灵敏, 运行平稳, 能有效缓冲外来冲击力, 行程控制 精确 ( ≥0.5 m) ;⑦机电液一体化全封闭结构, 工作油 路循环于无压的封闭钢筒里, 体积小, 不渗油, 在恶劣的 工作环境下, 不吸尘, 不进水, 内部不锈蚀, 使用寿命长。


3 双闭环转向控制系统的实现 

自动转向控制主要依靠安装在轮子两侧的测距传 感器, 检测龙门吊车与两侧防撞墙的距离, 一旦检测到 此距离小于预先设定的安全距离, 则控制龙门吊车转 向, 在保证安全距离的前提下, 达到防撞的目的 。 由于龙门吊车双向运动, 因而吊车底部的转向轮 前后两端各装一个测距传感器。如图 3所示, 1、2、3、4 分别代表安装在转向轮上的 4个测距传感器。箭头方 向表示龙门吊运动方向。当前方出现一个左转弯道, 测距传感器 1 首先测得轮子与防撞墙距离小于设定 值, PLC发出指令, 控制电液推杆运动, 使转向轮向左 侧转向 。转向轮需要连续转动一定角度才能实现龙门 吊的转向, 系统主要检测来自右侧的测距传感器 (主 要是传感器 1)的信号, 每次使两侧轮子转动一个适当 的角度, 以免转角过大, 撞到左侧防撞墙。

具体的工作原理如下:测距传感器测得的距离值 以电压信号输入 PLC控制器的 AD模块。当距离小于 设定值时, PLC发出信号, 通过变频器控制电液推杆动 作, 使轮子转向。位移传感器用来反馈电液推杆的当 前位置, PLC控制器可通过位移传感器的反馈值控制 推杆运动到指定的位置, 从而使轮子转动一定的角度。 龙门吊车左右各有一对转向轮, 当一边转向轮开始转向 时, 为使吊车平稳行驶, 需要控制两边转向轮同步转动。 本系统是由 PLC控制器与带位置反馈的电液推 杆组成的位置闭环控制系统。

图 4 控制系统原理图 从图 4中可以看出, 此闭环控制系统包括 2个闭 环, 1个由 PLC、变频器 、电液推杆和位移传感器组成, 称之为小闭环;另一个由 PLC、变频器、电液推杆 、转向 轮和测距传感器组成, 我们称之为大闭环 。 小闭环控制电液推杆的长度, 其设定信号为长度, 反馈信号为位移传感器反馈回来的长度信号;大闭环 控制超声波传感器与防撞墙的距离, 其设定信号为定 距离 35 cm, 反馈信号为超声波测距传感器的反馈。 本系统将两个闭环系统很好地结合起来, 根据大闭环 的偏差来确定小闭环的设定信号。 对于闭环系统增益的取值, 我们根据实际情况来 设定。对于大闭环, 增益太大容易造成超调, 具体现象 是轮子转向过猛, 经过现场试验, 我们将其设定为 1。 对于小闭环, 增益越大, 定位精度越高, 但如果增益过 大, 电液推杆的电机转动超速, 会造成噪声突然变大。 同时转速过高, 转速误差也变大, 容易造成两个轮子的 电机不同步 。我们根据实际系数取 150左右。 

4 实时通信 

天车走行、龙门走行、转向系统以及辅助支撑都由 PLC控制变频器来实现, PLC采用某公司生产的 S7- 200, 变频器采用另一公司生产的 V1000系列[ 3] 。 PLC 与变频器的实时通信和实时速度调整采用 PLC的自 由端通信方式, 与变频器的 modbus( memobus)通信协 议进行通信 。