关于旋转编码器与plc这塔吊上的应用技术

旋转编码器与plc的应用

钟智勇1 广东省建筑科学研究院 翁振粤2 广东省建筑科学研究院

摘 要：在塔机小车往返传动控制系统中，很多时候都会涉及到频繁定位问题。即要求能在不同的定位点控制牵引机构的启停，同时也能方便直观的显示出当前的位置。本文介绍一种通过旋转编码器输出的角位移信号进行辨向和计数，再使用PLC对辨向信号和计数信号进行处理，得到牵引机构在水平方向运动的位移值并在触摸屏上显示及语音提示，从而实现较精确地了解塔机小车所处的位置。

关键词：定位 旋转编码器 PLC 语音提示，触摸屏 1概述

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。目前大部分的塔机臂长达到60米，70米等，牵引小车牵引幅度较大，司机已经很难通过起重臂上的幅度指示牌确认小车所处的位置。一般都是靠经验估计，或通过地面工作人员利用对讲机估计，这种估计只是得到大致位置。给操作者带来了很多不便，也大大降低了工作效率，安全风险增加了。因此在原有塔机的基础上加装一套塔式起重机小车幅度指示仪显得尤为重要。其有数控显示功能并带有语音提示功能。

2改造的可行性分析

塔吊起升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则带动货物做水平方向的移动，与电机相连的起升钢丝绳系统控制货物的上升下降。将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。

现在的大多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KHz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。因此可以通过对塔机水平方向，垂直方向运动信号通过齿轮进行采样，合理的选用编码器，让脉冲频率即能在PLC处理的范围内又可以满足测量的精度要求。在测量过程中，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。 整个系统的改造方案如下图1和图2所示。图1表示的系统的结构框图，从图中可以看出，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。同时系统带有语言提示功能，可任意设定到达什么距离时输出语音提示，可提示一点，也可以提示多点。塔吊自动语音播报器根据塔吊量身定做，上图是塔吊自动语音播报器主原理图，主控制器内置嵌入式中文语音合成芯片，可以直接报读当前距离以及错误操作信息，并作出正确的操作提示。其主要作用是距离测定显示以及安全操作提示，杜绝因疲劳或者大意等原因操作失误造成的安全隐患；方便统一管理，其主要的实现方式是主控制器接收编码器测量出的位置信号，进行处理并在液晶屏幕上实现显示当前距离，并在任意可设定的距离进行温馨的语音提示。距

离可通过触摸屏任意设定，例如每隔5米通过语音提示一次距离。

图1 系统结构图 图2 触摸屏控制示意图 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）。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毫米）。我们选用的是编码器分辨率是100P/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1500转/分（25转/秒）、卷扬滚桶直径为400毫米，卷扬滚桶大齿轮数为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转/秒×100个/转×2（A/B两相）/4＝1.25KHz 理论测量分辨率＝3.14×400×1/(4×100)=3.14毫米=0.00314(米)

同时由上面的数据知道系统每发一个脉冲行走了3.14mm。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;我们的行走距离精度要求是10mm，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0.2mm。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。

如图3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。

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。我们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。下图是水平方向距离显示的部分程序。 根据上面计算得知，编码器发出一个脉冲相当于走了0.00314米。也就是一个脉冲当量的距离为0.00314米(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。

系统运行过程中，时刻比较当前距离D204与预设定值D100之间的距离，当两者间的距离相等时，通过Y0口发出D0个数量的脉冲，驱动语音提示。

图3 编码器发出脉冲示意图 5 结束语

塔吊是房屋建筑等生产的关键设备，采用旋转编码器和PLC构成的在线监测系统对钢丝绳与卷筒之间的相对滑动进行在线监测。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。旋转编码器时一种精密元件，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。该产品现已试用于广州五羊建设机械有限公司生产的QTZ80型塔式起重机上。运行至今由半年多，到目前为止该装置仍然运行良好，让塔机司机能够对小车所在的位置一目了然，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，得到了使用者的一致好评。 参考文献：

[1] 三菱PLC：FX系列全部技术手册.三菱公司技术手册

[2] 王信义。机电一体化技术手册[M]. 北京。机械工业出版社，1994. [3] 常春等。光电旋转编码器的研究与应用。仪表技术与传感器。2001.12

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