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摘 要：通过分析起重机多层卷绕钢丝绳运行的特点和控制要求，针对多层卷绕钢丝绳-卷筒综合试验台设计卷筒电气系统的监控方案，该设计方案初期投资少，易于实现，现已投入运行，满足控制的要求，达到了预期目标。
关键词：起重机；多层卷绕系统；PLC
1.引言
随着大型基础设施建设不断推进，起重机械的发展面临货载大型化的挑战。大起升高度、大扬程的起重机械设备需要设计多层卷绕钢丝绳-卷筒来缠绕多倍率、大容量的钢丝绳。多层卷绕钢丝绳卷筒电气系统监控方案的选取关乎起重机械起升机构乃至设备整体的使用寿命和安全性。在多层卷绕的设计机制下，准确获知并分析卷筒绳槽的实际应力、卷筒卷绕速度、钢丝绳的分布排列以及钢丝绳磨损程度是保证起重机大行程、高速度可靠运行的重要前提。
本文模拟起重机实际工作运行工况，通过针对起重机运行工作行程大、绳索卷绕速度快、起制动弹跳大、绕卷滑轮多等问题，设计一套起重机多层卷绕钢丝绳监控系统，为起重机起升机构的电气系统提供可行的监控方案，进一步为多层卷绕系统的设计研究提供依据。
2. 多层卷绕钢丝绳-卷筒综合试验台的构成及运行原理
为模拟超大扬程起重机吊装时具体运行工况，在多层卷绕钢丝绳-卷筒综合试验台的研制基础上建立多层卷绕机制并设计电气监控系统。试验台装置组成包括主、副卷绕系统、中间滑轮组、钢丝绳和固定支架，其布置示意图如图1所示：
试验台的主、副两个卷绕装置为设计尺寸、型号以及功率完全相同的机械结构和电气设备组成，主要包括变频器、减速器、制动装置、多层卷绕卷筒以及底座结构等。两个卷绕装置轮流工作，主卷绕装置牵引钢丝绳时，副卷绕装置绕出，放绳到某一层时系统停止，系统交换工作直到放绳结束，这个过程为一个循环周期。多层卷绕装置的作卷绕边时的牵引力由变频电机提供，钢丝绳绕出边的负载由安装在多层卷绕装置的电涡流测功机加载。
3. 电气系统组成及控制方案
电气系统由主回路和控制回路组成，主回路主要有：1台安川G7B4110型变频器、2台90kW变频电机、2台湘仪GW250H型电涡流测功机等组成；控制回路主要有：上位工控机、欧姆龙C200H型PLC、2臺电涡流测功机测控仪等组成。PLC通过RS232总线和上位工控机通讯，上位工控机和电涡流测功机测控仪之间通过CAN总线通讯。
PLC实现整个试验台钢丝绳卷绕系统的手动/自动控制、报警复位、传感器和旋转编码器数据读取和处理、圈数和层数计算等任务。当多层卷绕系统工作时，牵引电机的接触器闭合，1#电涡流测功机不加载；负载电机的接触器不闭合，2#电涡流测功机加载，这样牵引电机拖动牵引卷筒卷绕钢丝绳，处于绕入状态。2#电涡流测功机在负载电机通过减速机的高速轴上产生制动转矩，从而在卷绕的钢丝绳上产生张力。当绕入边的卷绕装置到设定的卷绕层数时，牵引电机制动，2#电涡流测功机测控仪控制状态由恒转矩模式变为恒励磁模式，工作一段时间后，牵引电机接触器断开，卷绕速度降低时，负载电机和牵引电机的制动器相继抱死，卷绕方向发生变化，换向继续运行。负载电机制动器需要在牵引电机制动器之前抱死，这样使得多层卷绕系统停车时钢丝绳有一定的预张力，避免在卷绕系统启动时张力过载情况的发生。
PLC读取安装在卷筒上的增量型编码器的数据计算得到钢丝绳线速度，PLC比较反馈钢丝绳线速度的值和上位组态软件上给定钢丝绳线速度的值，根据两者的偏差调节牵引电机转速的大小。PLC通过读取安装在滑轮轴上的轴销式测力传感器的采集数据，得到钢丝绳张力，PLC将反馈钢丝绳张力的值送给上位组态软件，上位组态软件比较反馈钢丝绳张力的值和给定钢丝绳张力的值，根据两者的偏差，调节测控仪给定制动转矩的大小。由于电涡流测功机产生的制动转矩TD是由励磁电流I和转速n决定的[1]，即TD=f（I，n），工控机根据负载电机轴转速和上位组态软件给定的制动转矩，采用PID算法自动调节电涡流测功机励磁电流的大小，保持电涡流测功机产生的制动转矩和上位组态软件给定的制动转矩一致。采用PLC和工控上位机对多层卷绕机制的电气系统进行有效监控，使钢丝绳卷绕线速度和张力能够在恒定工作在设定值。
4.监控系统设计
4.1 主回路设计
主回路主要由变频器、牵引电机和负载电机回路组成，变频器装有PG-B2卡，控制模式为带PG的闭环矢量控制[2]，并配有型号为CDBR4045B制动单元1个，外接4个2.5kW、64Ω的制动电阻，使得系统在停车时能快速的制动。
4.2 控制回路设计
控制回路主要由：PLC输入输出回路、控制电源回路和直流电源回路等。PLC包含模块有：2个数字量输入模块IA222，2个数字量输出模块OC225，2个高速计数模块CT021，1个AD转换模块MAD01，电源模块PA204，CPU模块CPU42-E。1个高速计数模块CT021有A，B两个通道，分别实现对牵引卷筒圈数计数编码器数据的读取和负载卷筒圈数计数编码器数据的读取，另外一个高速计数模块CT021的一个通道实现对滑轮处旋转编码器数据的读取。AD转换模块MAD01实现对轴销式测力传感器模拟量信号转换为数字量和PLC给变频器频率给定数字量转换为模拟量信号。
4.3 PLC程序的设计
PLC输出变频器给定频率以及通过中间继电器实现对变频器输出状态的监控，PLC和上位组态软件通过RS232总线实现命令实时通讯和数据交换。PLC各段程序主要有：手动驱动逻辑、自动驱动逻辑、卷绕圈数计算、卷绕层数计算、主卷筒层数判断、副卷筒层数判断、编码器数据和张力传感器数据读取、钢丝绳线速度计算、输出逻辑和报警复位等。PLC程序设计卷绕系统有两道安全保护，以免负载卷筒上钢丝绳全部卷完时发生事故，一道保护是由负载卷筒旁多功能行程开关提供的硬限位保护，一道保护是由程序设定的放绳侧最低限位卷绕圈数提供的程序软限位保护。 4.4测控仪通讯的实现
上位工控机和测控仪通过CAN总线实现命令和数据的传送。在上位工控机上装有和测控仪配套的周立功PCI9810型CAN卡，此卡的驱动安装需要在工控机上安装PCI9810配套的ZOPC_Server软件并且在组态软件上新建OPC Server服务器。组态软件通过ZOPC_Server的输入输出通道实现CAN总线数据的读取和发送。输入输出通道中数据项的存储格式都为字符串形式 [3]。组态软件和测控仪之间根据测控仪厂家提供的CAN通讯协议进行通讯，对输入通道In_CANData来说，组态软件对测控仪发送的数据帧进行解析，提取出每帧数据的具体含义。对输出通道Out_CANData来说，组态软件要根据系统运行的状态，按照通讯协议的格式，实时发送给定电涡流测功机的制动转矩以及测控仪控制模式切换的命令。
4.5 上位组态界面设计[4]
监控系统软件的开发选取亚控科技的组态王作为组态软件。上位组态界面设计主要包括：实时动态画面、实时数据显示、运行状态指示、操作按钮及其他画面切换按钮。系统运行主画面如图3所示，控制参数（钢丝绳线速度和钢丝绳张力）实时曲线如图4所示。
在主画面上可以实时监控以及自設定多层卷绕钢丝绳的线速度和钢丝绳张力，从而进行闭环反馈控制。除此之外多层卷绕钢丝绳监控系统还可以对循环次数、卷筒直径进行设定以及对卷绕圈数进行修正。
5.运行结果分析
通过图3和图4可以看出，在给定钢丝绳线速度为40m/min和给定钢丝绳张力40kN的情况下，钢丝绳线速度值没有超调，并且运行过程中误差很小，只在卷筒上钢丝绳变层时略有波动。图4中钢丝绳张力值在试验台启动时和卷筒上钢丝绳变层时波动较大，钢丝绳张力值在调节后的最大误差为15%左右，基本能满足控制精度的要求（在不变层时最大误差为5%，变层时最大误差为20%）。多层卷绕的卷筒在突然变层时，卷筒直径突然发生变化，从而引起电机转速和钢丝绳张力的陡然增大的现象。闭环反馈控制都是基于反馈的调节，具有滞后性[5]。另外钢丝绳有一定的弹性，因此对于钢丝绳张力控制来说是个惯性环节，所以为了更好的提高控制的精度还需要在控制方法上进行更深入的研究和探索。
6.结语
通过针对多层卷绕钢丝绳-卷筒综合试验台的电气系统进行分析和研究，设计了起重机多层卷绕钢丝绳监控系统。在对多层卷绕系统钢丝绳线速度和张力的监测过程中使用PID算法对驱动电压频率和测控仪励磁电流进行闭环控制，从而实现对多层卷绕系统的监控目的。该监控方案在综合试验台上运行正常，监控效果良好。
参考文献
[1] 程广伟 周志立 邓楚南等 基于遗传算法的电涡流测功机预测控制[J]，农业机械学报，2008.7：19.
[2] 安川电机株式会社 高性能&多用途真正的矢量控制通用变频器Varispeed G7[M]，2008.6.
[3] 广州致远电子公司 ZOPC Server 平台使用指南V3.0[M]，2008.1.
[4] 北京亚控公司 工业自动化通用组态软件组态王V6.53用户手册[M]，2007.1.
[5] 侯志林 过程控制与自动化仪表[M]，北京：机械工业出版社，2004.201.
关键词：起重机；多层卷绕系统；PLC
1.引言
随着大型基础设施建设不断推进，起重机械的发展面临货载大型化的挑战。大起升高度、大扬程的起重机械设备需要设计多层卷绕钢丝绳-卷筒来缠绕多倍率、大容量的钢丝绳。多层卷绕钢丝绳卷筒电气系统监控方案的选取关乎起重机械起升机构乃至设备整体的使用寿命和安全性。在多层卷绕的设计机制下，准确获知并分析卷筒绳槽的实际应力、卷筒卷绕速度、钢丝绳的分布排列以及钢丝绳磨损程度是保证起重机大行程、高速度可靠运行的重要前提。
本文模拟起重机实际工作运行工况，通过针对起重机运行工作行程大、绳索卷绕速度快、起制动弹跳大、绕卷滑轮多等问题，设计一套起重机多层卷绕钢丝绳监控系统，为起重机起升机构的电气系统提供可行的监控方案，进一步为多层卷绕系统的设计研究提供依据。
2. 多层卷绕钢丝绳-卷筒综合试验台的构成及运行原理
为模拟超大扬程起重机吊装时具体运行工况，在多层卷绕钢丝绳-卷筒综合试验台的研制基础上建立多层卷绕机制并设计电气监控系统。试验台装置组成包括主、副卷绕系统、中间滑轮组、钢丝绳和固定支架，其布置示意图如图1所示：
试验台的主、副两个卷绕装置为设计尺寸、型号以及功率完全相同的机械结构和电气设备组成，主要包括变频器、减速器、制动装置、多层卷绕卷筒以及底座结构等。两个卷绕装置轮流工作，主卷绕装置牵引钢丝绳时，副卷绕装置绕出，放绳到某一层时系统停止，系统交换工作直到放绳结束，这个过程为一个循环周期。多层卷绕装置的作卷绕边时的牵引力由变频电机提供，钢丝绳绕出边的负载由安装在多层卷绕装置的电涡流测功机加载。
3. 电气系统组成及控制方案
电气系统由主回路和控制回路组成，主回路主要有：1台安川G7B4110型变频器、2台90kW变频电机、2台湘仪GW250H型电涡流测功机等组成；控制回路主要有：上位工控机、欧姆龙C200H型PLC、2臺电涡流测功机测控仪等组成。PLC通过RS232总线和上位工控机通讯，上位工控机和电涡流测功机测控仪之间通过CAN总线通讯。
PLC实现整个试验台钢丝绳卷绕系统的手动/自动控制、报警复位、传感器和旋转编码器数据读取和处理、圈数和层数计算等任务。当多层卷绕系统工作时，牵引电机的接触器闭合，1#电涡流测功机不加载；负载电机的接触器不闭合，2#电涡流测功机加载，这样牵引电机拖动牵引卷筒卷绕钢丝绳，处于绕入状态。2#电涡流测功机在负载电机通过减速机的高速轴上产生制动转矩，从而在卷绕的钢丝绳上产生张力。当绕入边的卷绕装置到设定的卷绕层数时，牵引电机制动，2#电涡流测功机测控仪控制状态由恒转矩模式变为恒励磁模式，工作一段时间后，牵引电机接触器断开，卷绕速度降低时，负载电机和牵引电机的制动器相继抱死，卷绕方向发生变化，换向继续运行。负载电机制动器需要在牵引电机制动器之前抱死，这样使得多层卷绕系统停车时钢丝绳有一定的预张力，避免在卷绕系统启动时张力过载情况的发生。
PLC读取安装在卷筒上的增量型编码器的数据计算得到钢丝绳线速度，PLC比较反馈钢丝绳线速度的值和上位组态软件上给定钢丝绳线速度的值，根据两者的偏差调节牵引电机转速的大小。PLC通过读取安装在滑轮轴上的轴销式测力传感器的采集数据，得到钢丝绳张力，PLC将反馈钢丝绳张力的值送给上位组态软件，上位组态软件比较反馈钢丝绳张力的值和给定钢丝绳张力的值，根据两者的偏差，调节测控仪给定制动转矩的大小。由于电涡流测功机产生的制动转矩TD是由励磁电流I和转速n决定的[1]，即TD=f（I，n），工控机根据负载电机轴转速和上位组态软件给定的制动转矩，采用PID算法自动调节电涡流测功机励磁电流的大小，保持电涡流测功机产生的制动转矩和上位组态软件给定的制动转矩一致。采用PLC和工控上位机对多层卷绕机制的电气系统进行有效监控，使钢丝绳卷绕线速度和张力能够在恒定工作在设定值。
4.监控系统设计
4.1 主回路设计
主回路主要由变频器、牵引电机和负载电机回路组成，变频器装有PG-B2卡，控制模式为带PG的闭环矢量控制[2]，并配有型号为CDBR4045B制动单元1个，外接4个2.5kW、64Ω的制动电阻，使得系统在停车时能快速的制动。
4.2 控制回路设计
控制回路主要由：PLC输入输出回路、控制电源回路和直流电源回路等。PLC包含模块有：2个数字量输入模块IA222，2个数字量输出模块OC225，2个高速计数模块CT021，1个AD转换模块MAD01，电源模块PA204，CPU模块CPU42-E。1个高速计数模块CT021有A，B两个通道，分别实现对牵引卷筒圈数计数编码器数据的读取和负载卷筒圈数计数编码器数据的读取，另外一个高速计数模块CT021的一个通道实现对滑轮处旋转编码器数据的读取。AD转换模块MAD01实现对轴销式测力传感器模拟量信号转换为数字量和PLC给变频器频率给定数字量转换为模拟量信号。
4.3 PLC程序的设计
PLC输出变频器给定频率以及通过中间继电器实现对变频器输出状态的监控，PLC和上位组态软件通过RS232总线实现命令实时通讯和数据交换。PLC各段程序主要有：手动驱动逻辑、自动驱动逻辑、卷绕圈数计算、卷绕层数计算、主卷筒层数判断、副卷筒层数判断、编码器数据和张力传感器数据读取、钢丝绳线速度计算、输出逻辑和报警复位等。PLC程序设计卷绕系统有两道安全保护，以免负载卷筒上钢丝绳全部卷完时发生事故，一道保护是由负载卷筒旁多功能行程开关提供的硬限位保护，一道保护是由程序设定的放绳侧最低限位卷绕圈数提供的程序软限位保护。 4.4测控仪通讯的实现
上位工控机和测控仪通过CAN总线实现命令和数据的传送。在上位工控机上装有和测控仪配套的周立功PCI9810型CAN卡，此卡的驱动安装需要在工控机上安装PCI9810配套的ZOPC_Server软件并且在组态软件上新建OPC Server服务器。组态软件通过ZOPC_Server的输入输出通道实现CAN总线数据的读取和发送。输入输出通道中数据项的存储格式都为字符串形式 [3]。组态软件和测控仪之间根据测控仪厂家提供的CAN通讯协议进行通讯，对输入通道In_CANData来说，组态软件对测控仪发送的数据帧进行解析，提取出每帧数据的具体含义。对输出通道Out_CANData来说，组态软件要根据系统运行的状态，按照通讯协议的格式，实时发送给定电涡流测功机的制动转矩以及测控仪控制模式切换的命令。
4.5 上位组态界面设计[4]
监控系统软件的开发选取亚控科技的组态王作为组态软件。上位组态界面设计主要包括：实时动态画面、实时数据显示、运行状态指示、操作按钮及其他画面切换按钮。系统运行主画面如图3所示，控制参数（钢丝绳线速度和钢丝绳张力）实时曲线如图4所示。
在主画面上可以实时监控以及自設定多层卷绕钢丝绳的线速度和钢丝绳张力，从而进行闭环反馈控制。除此之外多层卷绕钢丝绳监控系统还可以对循环次数、卷筒直径进行设定以及对卷绕圈数进行修正。
5.运行结果分析
通过图3和图4可以看出，在给定钢丝绳线速度为40m/min和给定钢丝绳张力40kN的情况下，钢丝绳线速度值没有超调，并且运行过程中误差很小，只在卷筒上钢丝绳变层时略有波动。图4中钢丝绳张力值在试验台启动时和卷筒上钢丝绳变层时波动较大，钢丝绳张力值在调节后的最大误差为15%左右，基本能满足控制精度的要求（在不变层时最大误差为5%，变层时最大误差为20%）。多层卷绕的卷筒在突然变层时，卷筒直径突然发生变化，从而引起电机转速和钢丝绳张力的陡然增大的现象。闭环反馈控制都是基于反馈的调节，具有滞后性[5]。另外钢丝绳有一定的弹性，因此对于钢丝绳张力控制来说是个惯性环节，所以为了更好的提高控制的精度还需要在控制方法上进行更深入的研究和探索。
6.结语
通过针对多层卷绕钢丝绳-卷筒综合试验台的电气系统进行分析和研究，设计了起重机多层卷绕钢丝绳监控系统。在对多层卷绕系统钢丝绳线速度和张力的监测过程中使用PID算法对驱动电压频率和测控仪励磁电流进行闭环控制，从而实现对多层卷绕系统的监控目的。该监控方案在综合试验台上运行正常，监控效果良好。
参考文献
[1] 程广伟 周志立 邓楚南等 基于遗传算法的电涡流测功机预测控制[J]，农业机械学报，2008.7：19.
[2] 安川电机株式会社 高性能&多用途真正的矢量控制通用变频器Varispeed G7[M]，2008.6.
[3] 广州致远电子公司 ZOPC Server 平台使用指南V3.0[M]，2008.1.
[4] 北京亚控公司 工业自动化通用组态软件组态王V6.53用户手册[M]，2007.1.
[5] 侯志林 过程控制与自动化仪表[M]，北京：机械工业出版社，2004.201.