智能减速－绝对值编码器在起重机行业的应用

吴永春

吴永春

（浙江箭环电气开关有限公司，浙江义乌322000）

摘要：起重机行业中，通常使用限位开关来达到减速停止等作用，也有利用电机上增量型编码器数值计算来并行减速提高安全的。但最好的办法还是采用绝对值编码器，使用智能减速功能来实行减速停车的安全操作。

关键词：智能减速，绝对值编码器；起重机

引言

前两天，我和公司同事庞工出差到浙江诸暨，任务是为一台7030塔式起重机的小车回转主令控制器进行改造。庞工是个老工程师，对主令控制器了如指掌，我们很快就完成了更换新主令控制器，安装接线等相应工作。操作人员通电试车，确认功能正常，顺利的完成了预定任务。主机厂家的工程师一看时间还早，就说用户上次反映起升的主令控制器档位有点问题，我公司已把备件发给用户了，用户还没有更换，要求我们顺便换掉。这当然没问题，派人到下面去取备件。因为塔高七十余米，备件挂在吊钩上，可以操作吊钩上升到维修平台，方面拿取。这种作法很正常，负重大的物件很少有背着爬几十米的，可是意外发生了，吊钩撞到了上升极限，俗称“冲顶”。起升钢丝绳上滑轮支撑件变形，上滑轮卡在上滑轮压板上，不再能自由转动了。

1、限位减速的短点

这台塔机电控系统配备PLC，起升电机由变频器驱动。硬件相当先进，为什么还会发生冲顶故障呢？原来是起升凸轮限位中的上减速限位出问题了，起升上下两侧都由减速限位和终点限位构成，减速限位负责把速度降到低速，停止限位负责把速度降到零停车。上减速限位松动滞后了，没有及时发生强制减速信号；变频器是采用固定斜率均匀减速的，需要一定距离才成把电机速度降为零；而当时的操作人员对本机操作不熟悉，眼看吊钩快要上升到顶了，主令控制器的起升手柄还保留在全速位置，没有及时发生减出命令。上述两方面的问题导致了本次冲顶事故的发生。联系到其他起升设备，起升机构或者平移机构也经常因为外部限位故障发生冲顶、撞极限都现象，这给维护带来了不小的工作量。我们不禁要思考，怎样才能避免此类故障的发生，给起重设备增加一道安全保险？

2、增量型编码器的使用

方法1：利用起升电机的增量型编码器来得到位置数据。PLC读取变频器内的电机反馈速度V1（百分比），并把V1转换为实际速度V2（厘米/毫秒）,计算出每个扫瞄周期内移动的距离ΔL＝V2×ΔT，ΔT为第个扫瞄周期时间（毫秒）。通时ΔL类加，我们可以得到一定时间内机构运行距离L1，再用其他有效工具测量这段时间物体的实际移动距离L2，我们可以得到修正系数K1，L2＝K1×L1。然后，我们可以得到整个行程的位置数据，对应每一个限位都有一个具体的位置数值。在PLC内，当到达这些数值时，也相应的发出强制减速或强制停止信号，这就是有别于硬件的PLC软限位，它一样可起到硬件限位的功能，给系统增加了一层安全可靠性。

这种作法的缺点在于增量型编码器数值的本身，它只有在工作时才有数值，静止时为零。一旦失电，类加的数据就丢失，位置数值就不再可靠。通常的作法是每次上电开机后，PLC都会限制低速运行，只有到特定位置归零复位后，才允许高速运行。每次上电归零，在行程短，速度较慢的场合这个问题还无所。在行程大速度高的场合就有点麻烦了，这时可以采用另一种方案。

3、绝对值编码器和智能减速

方法2：在滚筒侧或行走轮上加绝对值编码器。通过PLC读取来获取独立可靠的全程位置数据，得到精确的限位点数值，可以起到与硬件限位完全一致的安全保障作用。而且，就算断电后再上电，数值仍会得到保留，比增量型编码器计算得来的数据要安全可靠的多。一般来说，调试校准后就不需要经常归零复位，断电后重新上电也是如此，比增量型编码器省时省力。

但是，绝对值编码器在运行机构上的作用决不仅限于此，它的作用在于PLC知道运行机构的实时位置。加上增量型编码器读到的运行机构实时速度，PLC可以实行此机构的智能减速功能。既不管目前速度多少，也不管操作人员的手柄给定命令，它都可以在目标位置把速度降至设定的低速。原理也都简单，变频器是采用固定斜率均匀减速的，我们前面已经提到过，因此，不同的速度需要不同的减速距离。从全速V1到零速V0所需的距离L1＝（V1－V0）×T1／2，V0=0，L1＝V1×T1／2；从低速至零速所需距离L2＝V2×T2／2；从当前速度至零速所需距离Li＝Vi×Ti／2。由于减速斜率固定，a=（V1－V0）／T1=V1／T1，V2／V1＝T2／T1＝K2，Vi／V1＝Ti／T1＝Ki。所以当前速度Vi减到低速V1所需的距离ΔLi＝Li－L2＝Vi×Ti／2－V2×T2／2＝（Ki2－K22）V1T1／2。因为V1，T1，K2已知，PLC读到当前实时反馈速度Vi，就可以算出需要的减速距离ΔLi，已设定减到低速V2后目前位置L3，可以计算出当前速度下所需的减速起始位置L4＝L3－ΔLi。PLC读到当前位置L5，与减速起始位置L4比较就可以判别是否需要开始减速。以上就带是PLC控制下的绝对值编码器的运行机构智能减速的工作原理，这种原理的根本思路是到目标位置L3，速度必须已减到V2低速运行。

图1起升减速子程序H13.22

图2起升减速子程序H13.22的程序段

4、绝对值编码器故障检测

在这种模式下，就算操作人员失误，该减速时还是会减速的。整个运行过程以编码器数值为准，在这种情况下，外部限位只作备用减速信号使用，或者作为减速检测点而存在。绝对值编码器是如此的重要，那么，如何要检测它出现问题或者损坏呢？我们可以以方法1的办法来做比较检测，既在相同时间相同距离内，来自绝对值编码器的位移L5，和来自增量型编码器的速度乘以时间的积L6做比较。如果偏差在允许范围之内，可以认为绝对值编码器工作正常；偏差超过这个范围，PLC报绝对值编码器故障，对应机构停止运行，提醒维修工程师检查和确认问题。

图3起升绝对值编码器故障检测

5、智能减速的应用前景

绝对值编码器有着如此多的用处，它的价格也在逐年降低。如果是小型的起重机设备，增加绝对值编码，成本增加太多，不考虑使用。但如果一台中大型起重设备，已经采用了PLC和变频器，那么增加绝对值编码器而溢出的成本，对用户来说完全可以接受的。毕竟由此带来的性能提升，还是很明显的。而且很多带绝对值编码器的设备，只是单纯的把它当作位置显示和软件限位来使用，我觉得这是很浪费，增加智能减速就是它一个很好的应用方案。而且改造起来很简单，只需要在PLC程序上做出相应更改，就可以实行这个功能。绝对值编码器在其它如在定位，自动控制等方面还是有很大的开发前景的，关键是你要敢想敢做。我们完全可以把PLC当作一个小型计算机系统。在每个带有PLC的系统中，尽量提升PLC的核心控制地位，让所有输入输出信号，速度，位移等变量都在PLC的控制下有机的结合在一起，实行操控，监视，故障显示等功能同步执行。也许，这才能算是一个完整的控制系统吧。

参考文献：

[1]上海外高桥五期码头#111集装箱岸边吊PLC程序H13.22HOIST；SLOWDOWN

[2]陈永文,黄智坚.绝对值编码器在气烧窑单斗提升机中的应用[J].设备管理与维修,2010,(09)