CN102442611A - 一种起重机控制系统及其实现方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种起重机控制系统及其实现方法，所述的系统包括起升机构控制器、大车1#机构控制器、大车2#机构控制器、小车机构控制器、桥架控制器、回转机构控制器和司机室控制器，所述的起升机构控制器、大车1#机构控制器、大车2#机构控制器、小车机构控制器、桥架控制器、回转机构控制器和司机室控制器分别包括一个嵌入式模块，嵌入式模块结构及外围控制电路相同。本发明对于一台起重机上已应用的嵌入式模块硬件相同，该台起重机所需要不同功能的应用的程序均被预先固化在每个嵌入式模块内，根据应用的功能不同，可以通过拨码开关直接调用相应程序，这样一个嵌入式模块可以有各种功能，方便备件，也可以节约用户的维护成本和维护时间。
Description
技术领域
本发明涉及一种起重机械的控制技术，特别是一种起重机控制系统及其实现方法。
背景技术
目前国内外起重机的控制方式均采用继电器逻辑控制和PLC控制这两种控制方式。两种控制方式各有优缺点。
如图1所示，继电器控制方式：特点是成本低、控制回路复杂、故障率高、维修频繁。此种方式主要由各类继电器搭建逻辑控制关系，成本低，但容易出现因线路损坏或者松动而出现的故障，故障率较高，故障点多，应用这种控制方式的起重机后期维修任务繁重，容易影响使用者的正常生产。
如图2所示，PLC控制方式：特点是成本高、回路简单、故障率低，但是维护需专业人员。PLC控制系统是目前工厂自动化控制的主要实施方式。其成本高，虽然回路较为简单，故障率低，但是一旦出现系统故障，必须由专业人员来解决，主要应用于控制系统复杂的起重机系统，高成本和维护的专业性使很多中小企业不愿采用PLC控制系统。
基于嵌入式平台的控制系统正在被应用到许多控制领域，如中国专利CN102163045A公开了福建工程学院的《基于ARM9嵌入式系统及CPLD的六轴联动控制的方法》、CN201489364U公开了首都师范大学的《一种基于蓝牙和嵌入式系统的机器人运动平台》、CN101149608A公开了北京大学的《一种基于嵌入式系统的手持机器人运动监控平台》，但针对起重机开发的专用的嵌入式系统目前还没有，因此发明一种兼具继电器逻辑控制和PLC控制两种方式的优点即成本低、控制回路简单、故障率低、便于维护的起重机控制系统是亟待解决的技术难题。
发明内容
为解决现有技术存在的上述问题，本发明要设计一种基于嵌入式平台的起重机控制系统及其实现方法，实现起重机控制成本低、控制系统回路简单、故障率低和维护方便的目的。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种起重机控制系统，包括起升机构控制器、大车1#机构控制器、大车2#机构控制器、小车机构控制器、桥架控制器、回转机构控制器和司机室控制器，所述的起升机构控制器、大车1#机构控制器、大车2#机构控制器、小车机构控制器、桥架控制器、回转机构控制器和司机室控制器分别安装在起升机构、大车1#机构、大车2#机构、小车机构、桥架、回转机构和司机室上，所述的起升机构控制器、大车1#机构控制器、大车2#机构控制器、小车机构控制器、桥架控制器、回转机构控制器和司机室控制器通过工业以太网交换机的以太网络连接或者通过PROFIBUS DP网络连接，所述的起升机构控制器、大车1#机构控制器、大车2#机构控制器、小车机构控制器、桥架控制器、回转机构控制器和司机室控制器分别包括一个嵌入式模块，所述的嵌入式模块结构及外围控制电路相同；
所述的嵌入式模块包括10M/100M工业以太网通信接口、支持MB+高速总线的2路RS485通信接口、24路数字量输入接口和16路数字量输出接口；
所述的24路数字量输入接口包括4路最高50KHz高速输入接口和12路最高15KHz高速输入接口；所述的16路数字量输出接口包括2路最高频率50KHz高速输出接口；
所述的嵌入式模块分别与控制器继电器辅助触点、电气回路连接线和继电器与接触器连接，并构成控制回路；
所述的嵌入式模块上有各个端子的状态指示灯；
所述的嵌入式模块上安装有拨码开关。
一种基于嵌入式平台的起重机控制系统的实现方法，包括以下步骤：
A、将预先编辑的起重机控制所需的各种程序固化到嵌入式模块中；并将嵌入式模块分别安装到起升机构控制器、大车1#机构控制器、大车2#机构控制器、小车机构控制器、桥架控制器、回转机构控制器和司机室控制器中；
B、将安装有嵌入式模块的起升机构控制器、大车1#机构控制器、大车2#机构控制器、小车机构控制器、桥架控制器、回转机构控制器和司机室控制器分别安装到起升机构、大车1#机构、大车2#机构、小车机构、桥架、回转机构和司机室上；
C、将起升机构控制器、大车1#机构控制器、大车2#机构控制器、小车机构控制器、桥架控制器、回转机构控制器和司机室控制器中的嵌入式模块上的拨码开关拨到对应的功能控制位置；
D、起重机操作者在司机室或者通过遥控器发出控制指令，控制指令通过司机室联动台内的嵌入式系统模块处理后，通过以太网或者PROFIBUS DP网络发送至起升机构、大车1#机构、大车2#机构、小车机构、桥架、回转机构和司机室，以完成起重机起升、运行、加减速、回转和停车的动作。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明的核心元件是嵌入式模块，嵌入式模块的设计是根据起重机各个机构运行特点，把起重机起升机构、大小车运行机构、司机室控制等多种控制逻辑固化在嵌入式模块内部，每个嵌入式模块可以固化多种控制逻辑，使用时只需将拨码开关置于对应功能的位置即可。因此，嵌入式模块的功能质量是实现起重机控制系统功能质量的关键。在起重机的司机室、小车、桥架等位置分别布置嵌入式模块，相应位置的控制信号直接接入嵌入式模块输入端子，拨动嵌入式模块上的拨码开关，各个位置上的起重机机构逻辑关系建立，通过嵌入式模块输出端口控制起重机相应机构动作。起重机操作者在司机室(或者遥控器)开始操作后，控制指令通过司机室联动台内的嵌入式系统模块将命令处理后，通过网络发送至小车、大车、桥架上，以完成控制外围电路的任务。这样的控制模式控制回路外围的电路简化，各个机构只需接动力回路和控制元件电缆(即电机、制动器、限位等)，逻辑控制电缆都直接接至嵌入式模块的相应端子上，嵌入式模块上有各个端子的状态指示灯，出现故障，根据相应指示灯进行判断故障点，便于维护。
2、本发明对于一台起重机上已应用的嵌入式模块硬件相同，该台起重机所需要不同功能的应用的程序均被预先固化在每个嵌入式模块内，根据应用的功能不同，可以通过拨码开关直接调用相应程序，这样一个嵌入式模块可以有各种功能，方便备件。
3、本发明使得起重机硬件控制逻辑十分简单，全部采用软件控制的方式。这种方式可以实现被控制的起重机的各个机构之间的控制柜体内没有外在的形式差异，各种功能是通过调用嵌入式模块上的拨码开关实现的，当拨码开关处于不同位置的时候，模块会调用不同的程序来执行不同的功能，这样对于不同起重机的设计不存在差异，因此减少了设计成本；同一起重机的不同机构的控制回路，不存在外在差异，这样不同的机构的控制柜内部布置形式一样，只需根据电机容量改变动力回路，元件可以批量生产，节省了生产制造的复杂程度和周期；对于最终用户，所有的柜体都是一种，而且接线方式是十分简单的一对一方式，备件和维护都变得极为简单，而且如果出现问题，可以更换一个模块即可，所有的嵌入式模块都是一样的，只需将拨码开关置于对应功能的不同位置即可。这样也节约了用户的维护成本和维护时间。
4、我国起重机市场高达200亿元的规模，每年40000台以上。可以应用本发明的大概占20％，电气系统可以节约成本20％以上，以电气控制系统占整体成本的10％保守估算，可以节约起重机市场的成本3％，高达几亿元的市场规模。本发明的应用使最终用户节约了维护的时间和成本，间接经济效益也是十分可观的。以国内起重机龙头企业——大连华锐重工起重机有限公司来核算，该起重机公司的年销售额在15亿元左右，共计400余台起重机，保守估算应用本发明的部分为5亿元，那么5(亿元)*20％(电气成本)*10％(节约)＝1500万元，即每年可以直接给该公司节省成本1500万元。
5、本发明中不同位置的模块调用不同的功能，通过以太网连接，组建整个系统。这种方式使用灵活，而且单个位置的功能单—，便于故障的定位和排除。
附图说明
本发明共有附图2张，其中：
图1是基于嵌入式模块的起重机机构控制回路示意图。
图2是基于嵌入式模块的起重机控制系统典型布置示意图。
图中：1、控制器继电器辅助触点，2、电气回路连接线，3、继电器与接触器，4、嵌入式模块，5、司机室控制器，6、小车机构控制器，7、大车1#机构控制器，8、大车2#机构控制器，9、桥架控制器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行进一步地描述。如图1-2所示，一种起重机控制系统，包括起升机构控制器、大车1#机构控制器7、大车2#机构控制器8、小车机构控制器6、桥架控制器9、回转机构控制器和司机室控制器5，所述的起升机构控制器、大车1#机构控制器7、大车2#机构控制器8、小车机构控制器6、桥架控制器9、回转机构控制器和司机室控制器5分别安装在起升机构、大车1#机构、大车2#机构、小车机构、桥架、回转机构和司机室上，所述的起升机构控制器、大车1#机构控制器7、大车2#机构控制器8、小车机构控制器6、桥架控制器9、回转机构控制器和司机室控制器5通过工业以太网交换机的以太网络连接或者通过PROFIBUS DP网络连接，所述的起升机构控制器、大车1#机构控制器7、大车2#机构控制器8、小车机构控制器6、桥架控制器9、回转机构控制器和司机室控制器5分别包括一个嵌入式模块4，所述的嵌入式模块4结构及外围控制电路相同；
所述的嵌入式模块4包括10M/100M工业以太网通信接口、支持MB+高速总线的2路RS485通信接口、24路数字量输入接口和16路数字量输出接口；
所述的24路数字量输入接口包括4路最高50KHz高速输入接口和12路最高15KHz高速输入接口；所述的16路数字量输出接口包括2路最高频率50KHz高速输出接口；
所述的嵌入式模块4分别与控制器继电器辅助触点1、电气回路连接线2和继电器与接触器3连接，并构成控制回路；
所述的嵌入式模块4上有各个端子的状态指示灯；
所述的嵌入式模块4上安装有拨码开关。
一种基于嵌入式平台的起重机控制系统的实现方法，包括以下步骤：
A、将预先编辑的起重机控制所需的各种程序固化到嵌入式模块4中；并将嵌入式模块4分别安装到起升机构控制器、大车1#机构控制器7、大车2#机构控制器8、小车机构控制器6、桥架控制器9、回转机构控制器和司机室控制器5中；
B、将安装有嵌入式模块4的起升机构控制器、大车1#机构控制器7、大车2#机构控制器8、小车机构控制器6、桥架控制器9、回转机构控制器和司机室控制器5分别安装到起升机构、大车1#机构、大车2#机构、小车机构、桥架、回转机构和司机室上；
C、将起升机构控制器、大车1#机构控制器7、大车2#机构控制器8、小车机构控制器6、桥架控制器9、回转机构控制器和司机室控制器5中的嵌入式模块4上的拨码开关拨到对应的功能控制位置；
D、起重机操作者在司机室或者通过遥控器发出控制指令，控制指令通过司机室联动台内的嵌入式系统模块处理后，通过以太网或者PROFIBUS DP网络发送至起升机构、大车1#机构、大车2#机构、小车机构、桥架、回转机构和司机室，以完成起重机起升、运行、加减速、回转和停车的动作。
本发明的嵌入式模块4元器件选择如下：
1)采用NXP出品的LPC2378处理器，主要资源有JTAG接口、4个串口、标准RMII接口、2个SSP接口、1个SPI接口、6路PWM、128K的扩展RAM接口、4个外部中断引脚、60余个可配置为GPIO的管脚。
2)外部扩展RAM：采用ISSI公司的62LV5128BLL或其兼容芯片。特点为低压，存储容量大(512KB)支持低电压数据保存。
3)以太网驱动电路：采用NS的DP83848C，性能稳定，支持10M/100M/自适应模式，全双工/半双工通讯模式。
4)开关电源：采用电源芯片XL2576-5.0，成本低，输出功率大。MC34063，成本低。双二极管采用MMBD7000，关断速度快、反向耐压高，成本低。
5)MOS管：采用VS2362，耐压高输出驱动采用MC1413，性能稳定。
6)RS485接口电路：采用DS75176BT，其性能十分稳定。
通过这个嵌入式模块4，针对起重机控制开发了如下系统功能：
10M/100M工业以太网通信接口；2路RS485通信接口，支持MB+高速总线；24路数字量输入(支持4路最高50KHz高速输入，12路最高15KHz高速输入)；16路数字量输出(支持2路最高频率50KHz高速输出)；能实现开关量的与或非逻辑判断、定时、计数及比较等功能；本地可以扩展到8个同型号的模块。在最大传输距离200米以内，8个子站，每个子站最多8个扩展的情况下，整个系统运算扫描周期不得高于200ms。对于网络及扩展有容错功能。整个模块的元件需采用工业级别以上的元件。输出采用光电隔离形式，2A的隔离继电器输出。输入输出于外围的连接采用端子的形式。端子可以接入1平方毫米的标准电线。模块的抗环境电磁干扰、抗杂波干扰能力、耐压、过电流、耐温(-45～105℃)、耐震、耐尘、耐酸碱腐蚀、等具备工业级别以上的能力。
Claims (2)
1.一种起重机控制系统，其特征在于：包括起升机构控制器、大车1#机构控制器(7)、大车2#机构控制器(8)、小车机构控制器(6)、桥架控制器(9)、回转机构控制器和司机室控制器(5)，所述的起升机构控制器、大车1#机构控制器(7)、大车2#机构控制器(8)、小车机构控制器(6)、桥架控制器(9)、回转机构控制器和司机室控制器(5)分别安装在起升机构、大车1#机构、大车2#机构、小车机构、桥架、回转机构和司机室上，所述的起升机构控制器、大车1#机构控制器(7)、大车2#机构控制器(8)、小车机构控制器(6)、桥架控制器(9)、回转机构控制器和司机室控制器(5)通过工业以太网交换机的以太网络连接或者通过PROFIBUS DP网络连接，所述的起升机构控制器、大车1#机构控制器(7)、大车2#机构控制器(8)、小车机构控制器(6)、桥架控制器(9)、回转机构控制器和司机室控制器(5)分别包括一个嵌入式模块(4)，所述的嵌入式模块(4)结构及外围控制电路相同；
所述的嵌入式模块(4)包括10M/100M工业以太网通信接口、支持MB+高速总线的2路RS485通信接口、24路数字量输入接口和16路数字量输出接口；
所述的24路数字量输入接口包括4路最高50KHz高速输入接口和12路最高15KHz高速输入接口；所述的16路数字量输出接口包括2路最高频率50KHz高速输出接口；
所述的嵌入式模块(4)分别与控制器继电器辅助触点(1)、电气回路连接线(2)和继电器与接触器(3)连接，并构成控制回路；
所述的嵌入式模块(4)上有各个端子的状态指示灯；
所述的嵌入式模块(4)上安装有拨码开关。
2.一种基于嵌入式平台的起重机控制系统的实现方法，其特征在于：包括以下步骤：
A、将预先编辑的起重机控制所需的各种程序固化到嵌入式模块(4)中；并将嵌入式模块(4)分别安装到起升机构控制器、大车1#机构控制器(7)、大车2#机构控制器(8)、小车机构控制器(6)、桥架控制器(9)、回转机构控制器和司机室控制器(5)中；
B、将安装有嵌入式模块(4)的起升机构控制器、大车1#机构控制器(7)、大车2#机构控制器(8)、小车机构控制器(6)、桥架控制器(9)、回转机构控制器和司机室控制器(5)分别安装到起升机构、大车1#机构、大车2#机构、小车机构、桥架、回转机构和司机室上；
C、将起升机构控制器、大车1#机构控制器(7)、大车2#机构控制器(8)、小车机构控制器(6)、桥架控制器(9)、回转机构控制器和司机室控制器(5)中的嵌入式模块(4)上的拨码开关拨到对应的功能控制位置；
D、起重机操作者在司机室或者通过遥控器发出控制指令，控制指令通过司机室联动台内的嵌入式系统模块处理后，通过以太网或者PROFIBUS DP网络发送至起升机构、大车1#机构、大车2#机构、小车机构、桥架、回转机构和司机室，以完成起重机起升、运行、加减速、回转和停车的动作。
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