苏ICP备112451047180号-6
基于PLC的龙门式吊车防碰撞系统的研究（触摸屏组态）
摘要
随着科学技术的发展，我国在船舶制造以及航母建设方面的投入越来越大，致使龙门式吊车在我国工业生产领域所占的比重越来越大，而随着任务量的增加，很多企业不得不采用两台及以上吊车在同轨道上并行的情况，这就避免不了由于人为操作等不可避免的因素导致的两台吊车相撞情况的发生，本文详细介绍了利用西门子S7-200 SMART PLC及EM AM03模拟量采集模块和激光测距模块组成的一套龙门式吊车之间安全距离的测量技术，将采集的模拟量传输给变频器，再由变频器传输给龙门吊车的三相异步电动机，并结合昆仑通态触摸屏将测量数值进行修改和显示，组成了一套完整的龙门吊车防碰撞系统，应用于同轨道的多辆龙门式吊车同时运行时的安全防撞功能，降低由于人为因素以及很多不可抗因素导致的吊车之间的相互碰撞风险，大大提高了施工过程的安全性。
关键词：龙门式吊车；S7-200;EM AM03;激光测距;安全距离;触摸屏
目录
摘要 I
Abstract II
第一章 引言 - 1 -
1.1 设计的背景及意义 - 1 -
1.2 课题研究现状 - 1 -
1.2.1龙门式吊车的介绍以及发展现状 - 1 -
1.2.2吊车防碰撞系统的发展现状 - 2 -
第二章 龙门吊车防碰撞系统整体设计 - 3 -
2.1龙门吊车防碰撞系统设计理念 - 3 -
2.2龙门吊车防碰撞系统设计方案 - 3 -
第三章 龙门吊车防碰撞系统硬件设计 - 5 -
3.1龙门吊车防碰撞系统的主要控制元件 - 5 -
3.2 PLC的选型问题 - 5 -
3.2.1 PLC的简介 - 5 -
3.2.2 PLC的选型 - 5 -
3.3 激光测距传感器的选型问题 - 6 -
3.4 变频器的选型问题 - 7 -
3.4.1变频器对三相异步电动机的矢量控制原理 - 7 -
3.4.2变频器型号的选定 - 8 -
3.5 报警器的选型问题 - 8 -
3.6 龙门吊车防碰撞系统硬件接线 - 9 -
3.6.1激光测距仪与PLC的连接 - 9 -
3.6.2 S7-200 SMART PLC与其模块的接线图 - 10 -
3.6.3 EM AM03模拟量采集模块与变频器及电机的接线图 - 12 -
第四章 龙门吊车防碰撞系统软件设计 - 13 -
4.1 龙门吊车防碰撞系统编程软件的选择 - 13 -
4.2龙门吊车防碰撞系统程序梯形图的编写 - 13 -
4.2.1 模拟量输入输出模块的编写 - 13 -
4.2.2 数字量输入输出模块的编写 - 16 -
4.2.3 控制程序的编写 - 17 -
4.3施耐德ATV 61F变频器软件初始化 - 18 -
4.3.1变频器基本参数设置 - 18 -
4.3.2变频器电机参数设置 - 19 -
4.3.3变频器输入/输出参数设置 - 20 -
第五章 龙门吊车防碰撞系统的改进方案 - 21 -
5.1 龙门吊车防碰撞系统改进的方法 - 21 -
5.2龙门吊车防碰撞系统组态的建立 - 21 -
第六章 系统仿真 - 25 -
结论 - 28 -
致谢 - 29 -
参考文献 - 30 -
附录 - 31 -
第一章 引言
1.1 设计的背景及意义
随着科学技术的飞速发展，在我国的大型工业任务中，经常采用龙门式吊车（也称门式吊车）作为装卸工具。近年来，由于港口运输业的高度发展以及，集装箱装卸中龙门式吊车的应用越来越广泛，这就导致对龙门式吊车的技术要求也越来越严格。但随着任务量的增加，在港口集装箱的搬运过程中通常采用有两台及两台以上的吊车同时工作，这就不可避免地会导致由于人为操作的疏忽而发生多台吊车相撞的风险。
因此我想用PLC（可编程逻辑控制器）作为控制单元来控制这个因素，通过激光测距传感器来检测两台吊车之间的距离传输给PLC，再由PLC判断距离是否安全，当距离小于安全距离时PLC会通过给变频器传输电流模拟量信号，通过控制变频器进而控制三相异步电动机的转速，不仅操作简单，而且减少了不必要的风险，提高了工作过程中的安全性。
1.2 课题研究现状
1.2.1龙门式吊车的介绍以及发展现状
龙门吊车是桥式吊车的一种变形，也称之为门式吊车（如图1.1）。主要应用在港口、货料场、货物的装卸作业中，由于它的金属结构看起来很像一个龙门，经常被人们叫做龙门吊。龙门吊车由两个支脚和一个主梁构成，支脚下方装有三相异步电动机带动的滚轮，可以在轨道上行走，主梁两端具有可以向外延伸的悬臂梁，下方配有装卸货物用的钩锁。由于其场地利用率高，通用性强，作业面积大等特点，被广泛应用于各种场所。
随着科技的不断发展，大型船坞甚至航空母舰的建设显得越来越重要。由于建造大型船只的过程需要将船只在陆地上建造好再运输到海里，这就需要能吊起很大货物的吊车，因此世界上最大的龙门吊就由中国自主研制出来了，它高达148m，相当于50层楼高，可以吊起2.2万吨的货物。目前中国的龙门吊已经被全世界多家造船厂广泛应用，甚至英国的“伊丽莎白女王”级航母也是由中国研制的龙门吊来建造完成的。
1.2.2吊车防碰撞系统的发展现状
随着科技的高速发展，吊车在工业生产领域的应用越来越广泛，我国的吊车在世界船只也制造领域占比越来越大。但是在安全方面，国外的吊车已经非常成熟，可以在安全事故发生时及时给出预警，相比国外，我国的吊车由于经常需要多台并行的情况，因此避免不了会有碰撞事故的发生。
针对这种情况，我国大多数企业都会采用提升操作工人从业水平，制定一系列规章制度提高作业规范，以及明确作业过程中的危险源提前预防等措施，避免碰撞的发生。而国外，大多会采取机械的手段从外部尽可能的避免由于工作过程中的疏忽而造成的安全事故，相对比，我国的吊车防碰撞方面的措施急需改进，以应对各种突发情况的发生。
要想实现防碰撞效果，首先就应该把握住两台吊车之间的距离这一信号，并且能对这个距离进行精准把控，之后还需要一个及时做出相应的刹车系统作为执行机构。综合这些因素考虑，由于PLC（可编程逻辑控制器）具有操作难度小、反应迅速、可施加多个输入输出模块等特点，选用PLC作为系统的控制单元；激光测距传感器具有可检测距离长、安装便捷、检测精度较高、可输出模拟量信号供PLC调用等特点，选用激光测距仪作为测量原件；变频器具有既能够接受PLC传出来的电流模拟量信号，又能与三相异步电动机相连控制其转速等特点，选用变频器作为系统的执行原件。最后，逐个设备的进行选型适配，程序编辑等工作，最终完成本此的系统设计。
结论
综上所述，本次设计内容是基于PLC的龙门式吊车防碰撞系统的研究。以西门子S7-200 SMART为控制单元，将激光检测输出的模拟量通过PLC模拟量转换模块转换成数字量加以控制，将控制后的数字量再转换成电流模拟量给到变频器，自动调节电动机的频率，避免碰撞现象的发生。并且本次设计还通过MCGSE软件建立触摸屏组态，并将编辑好的工程上传给触摸屏，连接触摸屏与单片机，实线触摸屏对龙门吊行进过程的的检测与控制。满足了工业上对吊车防碰撞系统的设计。
参考文献
[1]倪骏程.PLC技术在电气设备自动化控制中的应用[J].电子制作，2019（02）：82-83.
[2]朱相羽，徐昕炜.变频调速提升机PLC的控制设计研究[J].现代信息科技，2019,3（02）：50-52.
[3]乔宏琦，孙同峰，吕艳秋.PLC变频控制系统在桥式卸船机中的应用[J].中国新技术新产品，2019（02）：12-13.
[4]李翔.PLC与变频器的通讯应用[J].电子技术与软件工程，2019（03）：106.
[5]陈劲松.西门子PLC在变频调速电机的应用[J].技术与市场，2019,26（02）：161.
[8]杨颖.PLC在电气自动控制系统中的应用研究[J].内燃机与配件,2017(21):112—113.
[9]蒋龙飞.PLC技术在电气自动化控制中的应用[J].数字技术与应用,2018(36):39—40.
[10]靳新芳.PLC与上位计算机通信监控系统的研究与应用[J].信息记录材料,2019(02):93—94.
[11]范强，董洪波，马斌.基于PLC和触摸屏的温度控制系统设计[J].机械研究与应用，2019(03):154-155,158.
[12]刘淼.电气自动化工程控制系统的现状及其发展趋势[J].电子技术与软件工程,2021(06):94-95.
[13]高培畅.基于PLC和变频器的塔式吊车控制系统设计[J].科技创新与应用,2016(36):31-31.
[14]Alphonsus E.R.,Abdullah M.O.,A Review on the Applications of Programmable Logic Controllers (PLCs)[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews,60,1185- 1205 (2016).
[15]Yılmaz C.,Korkmaz Y.,Sönmez Y.,Bulut L.,Işık M.F., Controlling of a 3-Phased Asynchronous Motor over Profibus Network,Internat[J].of Electronics and Electrical Engineering, 4(1),61-65 (2016).