电子水平仪在起重机电控系统上的应用
2010年2月26日

1 概述

某工厂300 t固定式起重机为港口装卸工件用，其结构形式为固定桅杆式，主要机构为起升机构和变幅机构。各机构为钢丝绳滑轮组驱动系统。

起升机构共有4台变频器和4台电动机，每台电动机各自驱动1个钢丝绳卷筒。机械部分中共有4个钢丝绳卷筒，2个吊钩滑轮组，其中每2个卷筒构成1组，驱动1组吊钩滑轮组。

驱动方面：起升机构采用施耐德ATV71系列变频器作为驱动器，此系列变频器适用于起重类等重载场合。每台110 kW变频器分别驱动l台75 kW变频电动机。电动机轴上装有增量型光电编码器。光电编码器和变频器构成矢量闭环调速系统。

控制方面：该起重机主机PLC为施耐德Modicon系列。控制类型为点对点和现场总线混合模式，现场总线类型为工业以太网。PLC及变频器均配有工业以太网模块。通过端子和总线，凋试人员可灵活选择对变频器的控制方式。

2 吊具倾斜问题

在该起重机使用初期，经常发现2组吊钩的钢丝绳收放速度不同步，造成吊具倾斜的状况，易对起重作业带来安全隐患。发生倾斜状态时，需要依靠司机肉眼观察，手动调整倾斜，人工观察无量化数据，手动调节无参考坐标，因此需要提供一套吊具调整方案。

3 吊具倾斜原因

分析吊具倾斜原因可从电气和机械2方面人手。电气驱动方面：起升机构的2组吊钩为独立的驱动系统，在变频器和变频电机构成的矢量闭环调速系统中，其调速精度可达1：100。可以认为2组吊钩的电气输出是同步的。

机械方面：起升机构钢丝绳卷筒到臂架顶部的直线距离大于80 m，在吊排空载时，钢丝绳处于松弛状态，会出现不同程度的弧型下垂，此下垂无法控制。而钢丝绳本身有拉伸变形，此外减速器、钢丝绳卷筒等传动链路存在机械误差。其精度由机加工精度决定，其间存在的机械误差由其{zd0}的机械公差元件所决定。电气部分的控制精度高于机械部分的精度若干数量级，因此，可以认为机械误差是造成2组吊钩不同步的主要原因。

该起升机构的控制链路为PLC—变频器—电动机—钢丝绳卷筒—钢丝绳—臂架滑轮组—吊钩滑轮组—吊具。在变频器和—电动机环节，已经有光电编码器构成闭环调速系统，而其终端环节（吊钩滑轮组）仍然有不同步情况发生，若要对其提高控制精度，则需在其中的1个或若干环节加入闭环控制手段。首先考虑在钢丝绳卷筒处安装{jd1}值光电编码器，投入后可反馈PLC做闭环，调整钢丝绳绳速，但其后环节（钢丝绳—滑轮组等）仍然不可控。若在臂架顶部的滑轮组处安装{jd1}值光电编码器，反馈PLC做闭环可能存在钢丝绳打滑的情况，仍然不是理想方案。若在吊具处安装水平位置检测装置，则可最直接反馈吊具的水平位置状态，为吊具调整提供有效的措施。

4 电子水平仪简介

4.1 组成和工作原理

为了检测吊具的水平位置状态，需要l套检测仪表。该方案采用上海西亚电子控制设备有限公司的XY-3WS吊具水平测控仪（电子水平仪），见图l。该设备适用于吊排、电磁挂梁等大型吊具的水平位置状态检测，具有显示吊具水平倾斜角度值，提供报警信号及控制输出等功能。




该电子水平仪分为2个单元，分别为角度检测器（角度检测单元）和主机仪表（显示报警单元）。角度检测器由倾角传感器，信号处理模块（单片机）及无线数据传输模块组成。主机仪表由信号处理模块（单片机）和显示报警仪表及无线数据传输模块组成。2个单元独立供电，2个单元之间采用无线数字通信。

角度传感器安装在吊具上。吊具的水平角度由倾角传感器输出为电子信号传送至单片机进行数字处理，再通过无线模块发射角度数据信号。主机仪表安装在司机室里。主机仪表中的无线模块收到的角度信号并将其送往单片机进行处理，单片机根据信号进行显示、报警和控制输出。

4.2 主要技术指标

角度检测范围15°～-15°

角度报警范围 ±15°范围内

角度值显示方式LED4位数字显示角度值.

角度值显示误差 ≤±0.2°

吊具水平显示方式 44C2中点平衡式指针电表显示水平偏转方向

报警方式 达到倾斜报警点，报警灯亮，蜂鸣器呜叫，控制继电器动作；电池电压低，报警灯亮

控制输出 2组继电器常闭触点（触点容量AC250 V，5 A）报警时常闭→常开

工作温度 -20℃～60℃

工作电压 主机仪表AC220 V+10％、-15％、50 HZ。

角度检测器：DCl2V20AH+30％、-15％

省电模式 当角度值稳定>3 min，自动关闭发射，进入省电模式，当角度值有变化时，返回正常工作模式

防护等级 角度检测器IP65

5 吊具的水平状态监控系统原理

利用该电子水平仪与起重机PLC系统，可构成完整的控制闭环，有效控制吊具的水平状态。将电子水平仪的继电器输出点，接入起重机主机PLC的IO模块，这样在前文所述的控制链路中，PLC一吊具之间构成了完整的闭环。PLC取其2组输出信号，分别为左倾和右倾的报警信号。电子水平仪主机仪表可在预设的角度范围内输出报警信号，用户可通过仪表设定角度偏转的报警范围。例如，用户设定±2。为正常倾斜，当吊具+5°（右倾）时，超出正常倾斜范围，仪表输出报警，右倾继电器动作。主机PLC启动吊具倾斜保护功能，可选择司机手动调整或者自动调整。以司机手动调整为例，司机将操作台的专用选择开关切换到单组吊钩操作模式，此时单组吊钩滑轮组可独立运行。设1号吊钩滑轮组为吊具右侧，则选择1号吊钩滑轮组上升，司机根据电子水平仪主机仪表显示的偏转角度，调节吊具至正常倾斜范围内。若采用自动模式，可由预设程序自动调整。通过该系统，依据电子水平仪的数据，为调节吊具的水平状态提供了有效的量化参考系。控制系统图见图2。




方案中，无线数字通信技术的应用起了重要作用。前期曾采用有线电缆连接角度传感器单元和主机仪表的设计，但发现其问连接线路的敷设会经过较多的运动机械组件，电缆易产生断裂。由于吊具随工件上下运动，故需配置角度传感器的电缆收放篮，增加了设备的维护成本。而采用无线技术，可减少控制电缆的敷设，减少线路故障率，降低设备维护成本。角度传感器单元采用通用类型铅酸蓄电池供电，电池维护周期在1月以上，维护方便。

6 结束语

对于吊排、电磁挂梁等大型吊具水平位置状态检测有特殊要求的起重机，以及卸煤机、打桩船等机械该技术有较广泛的应用前景。结合位置检测技术和无线通信技术的综合应用，对起重机用仪表以及起重机主机系统集成的易维护性设计提供了可借鉴的范例。随着业内对起重机安全性要求的提高，该技术将会得到进一步的发展。


作者：熊冠楚  来源：起重运输机械