船舶起重机过载检测系统

船舶起重机过载检测系统

邹海飞，张玉莲

摘 要：为使船舶起重机安全可靠的工作，对起重机检测控制系统提出了更高的要求。阐述了船舶起重机过载检测系统的组成、工作原理以及系统硬件选型，根据额定总起重量表利用MATLAB实现了控制系统数学模型的建立，最后采用西门子PLC对建立的数学模型进行控制程序的设计。 关键词：甲板起重机；PLC；过载检测

中图分类号：TH137.7 文献标识码：A 文章编号：1006-7973（2018）01-0110-02

随着甲板起重机的日益广泛应用，起重机事故也不断凸显，而且很多是因为超载作业而引起的，如果起重力矩超过会导致吊臂折断甚至整船倾覆等恶性事故，因此，过载检测系统是必不可少的安全防范措施之一，起重机过载检测系统是起重机安全保护装臵，专门用于各种型号类型的起重机。该装臵具有红灯警示、立即报警、切断起重机起重和显示吊重、臂长、角度等功能，可以避免起重设备因过载和错误的起重角度造成的船舶设备和人身事故，因此它对船舶吊装具有极其重要的意义。

一、过载检测系统的工作原理

甲板起重机过载检测系统在设计上采用PLC控制，具有结构紧凑，体积小，抗干扰能力强，工作可靠，操作方便，安装维修方便等特点[1]。

图1 传感器安装位置

起重机过载检测系统由两大部分组成，传感器和控制器。当起重机起吊重物中力矩是不断变化的，而其所能承受的力矩是一个定值，工作幅度越大起重机所能吊起的重物就越轻，为保证起重机安全工作，其工作区域必须保证位于额定起重力矩曲线下方，长度传感器1安装在起重机主臂绞盘处，角度传感器2安装在吊钩上方的主臂上，压力传感器3使用专业夹具安装在钢丝绳上，具体如图1所示。根据起重机主臂伸长长度和主臂仰角计算出工作幅度，通过查表得到当前工作幅度下起重机可承受的最大起重量，即额定起重量，安装

收稿日期：2017-10-03

作者简介：邹海飞（1992-），男，浙江海洋大学船舶与机电工程学院，硕士研究生。

张玉莲（19-），女，浙江海洋大学船舶与机电工程学院，教授。

在钢丝绳上的压力传感器可以得到当前实际起重量，重量、臂长、角度传输到传感器使传感器产生微量电压变化，直接与西门子PLC的模拟扩展模块读取，经过逻辑处理后换算成重量、长度、角度值，该值与额定值相比较若达到110%的额定值，输出一个信号，用来切断起重机起重回路，同时，重量、长度、角度值可根据控制器的程序送到控制器处理后在触摸屏显示出额定值，预报警。

二、系统硬件组成

硬件组成包括西门子PLC224及EM235模块、传感器、数据记录显示、报警制动保护4部分组成。

1．西门子PLC

PLC（Programmable Logic Controller）可编程序控制器，一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的，它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数与运算操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟信号输入/输出控制各类型的机械或生产过程，是工业控制的核心部分。本系统中的PLC是采用西门子CPU224以及其扩展模块EM235。

CPU224本机集成了14点输入10点输出，共有24个数字量I/O。它可连接7个扩展模块，最大扩展至168点数字量I/O点。CPU224有13K字节程序和数据存储空间，6个的30KHZ高速计数器，2路20KHZ高速脉冲输出，具有PID控制器。CPU224配有1个RS-485通讯/编程口，具有PPI通讯、MPI通讯和自由方式通讯能力，是具有较强控制能力的小型控制器。

EM235是最常用的模拟量扩展模块，它实现了4路模拟量输入和1路模拟量输出功能。本系统是三个传感器与其相连，三个传感器是电压信号输入，要将传感器正负极直接接入EM235的X+和X-端；未连接传感器的通道要将X+和X-短接[2]。

2．传感器数据采集

数据采集使用长度传感器、角度传感器和压力传感器，他们分别采集主臂伸长长度、主臂仰角和起重载荷的信号，

第1期 邹海飞等：船舶起重机过载检测系统 111 其直接连接在EM235模块上。压力传感器的安装要满足安装方便，测量准确，线性度好。系统使用专用夹具，将传感器直接安装在钢丝绳上，通过检测钢丝绳张力来反映起重载荷。实践证明，这种方式安装简便，检测精度高。

起重机主臂与水平线的夹角称为主臂仰角，该角度反映了起重机的工作幅度和倾覆危险程度，直接关系到工作是否安全，因此，也需要精确测量，系统采用重锤式结构测量该角度[3]。

本系统应用的长度传感器技术参数为：测量范围0~90M；重复性<0.03%F.S；输出信号4~20MA 0~5V；温度范围-10℃；电压范围DC15~36V；绝缘>5,000M欧50V；线性<0.3%F.S。压力传感器测量范围 -0.1~0~1~180（MPa）；综合精度<1%F.S；输出信号4~20MA 0~5V；温度范围-10℃；电压范围DC15~36V；绝缘>5,000M欧50V；线性<0.1%F.S。角度传感器测量范围0~360°；重复性<0.03%F.S；输出信号4~20MA 0~5V；温度范围-10℃；电压范围DC15~36V；绝缘>5,000M欧50V；线性<0.5%F.S。

3．触摸屏显示

触摸屏又称可编程终端，它具有强大的显示功能和操作功能，既可以对生产现场、设备进行实时显示和监控，同时，又可以在其屏上设臵触摸开关，对设备进行操作使用触摸屏替代了原始的开关指示灯等实体器件，具有占地少、控制精度高、功能强、可编程、智能化等优点。本系统的触摸屏显示部分要求在正常工作状态时以图形形式实时显示主臂长度、主臂仰角、最大起重高度、工作幅度、实际起重重量等工作参数，这里采用的是HITECH PWS6A00系列触摸屏其参数为5.7寸，分辨率320×240，K真彩TFT显示，4兆存储空间，3串口，支持U盘CF卡进行程序、历史数据、警报、配方存储，带USB口，方便笔记本做程序。

首先进行工程新建，接下来进行设臵画面属性，再根据工程要求在画面里添加相应的控件即可，工程设计完毕后，即要进行数据传输，点击窗口的通讯，选择跟GOT的通讯，弹出跟GOT通讯的属性窗口，在基本画面和公共设臵前的方框上打对勾，然后点击下方的下载，即可进行传输[4]。

三、数学模型

数学模型是PLC控制器进行逻辑运算的前题，根据甲板起重机额定总起重量表[5]，如表1所示，进行建立数学模型，建立好数学模型后再据其编程输入到PLC中。这里是利用MATLAB进行数学模型的建立，这里主要使用了MATLAB中的polyfit函数，ppolyfit(x,y,m)其中，x，y为已知数据点向量，分别表示横纵坐标，m为拟合多项式的次数，结果返回m次拟合多项式系数，从高次到低次存放在向量p中。

首先是建立以臂杆10.4m不变，将工作半径和起吊重量建立函数，目标函数为f(x)0.7343x214.5703x85.1683（其它臂长同样方法，共5个函数）；再将五组函数的各项系数提取，再建立关于杆长的函数f(l)al2blc；再将这三组

函数建立重量的函数最终函数形式为gal2blc这就将所

有函数进行建立的线性关系，传感器每输入的值都有一一对

应的关系 [6]

。 表1 额定总起重量表 工作半径（m） 吊重 10.4m臂杆 17.6m臂杆 24.7m臂杆 31.9m臂杆 39.0m臂杆 2.0 50.5 27 3.5 42.2 27 4.0 37 27 4.5 33 27 18.0 5.0 30.2 27. 18.0 5.5 27.5 24. 18.0 6.0 25.0 22.9 18.0 12.0 6.5 22.7 21 18.0 12.0 7.0 19.5 19.5 16.75 12.0 7.5 17.4 17 15.6 12.0 6.5 8.0 15.65 15.2 14.7 12.0 6.5 9.0 12.75 12.4 12.0 10.75 6.5 10.0 10 10.0 9.75 6.0 11.0 8.7 8.40 8.90 6.5 12.0 7.3 7.10 7.75 6.0 14.0 5.2 5.10 5.55 5.1 16.0

3.7

3.70

4.45

4.4

四、软件设计

系统根据上面建立的数学模型，采用V4.0 STEP MicroWINSP9进行语句指令编程，首先在主程序页面里进行变量定义，需要对计算a值、计算b值、计算c值、计算g值及角度转化半径值变量定义。进而将其分为5个子程序，其次分别在这5个子程序里面进行编程以计算a 值为例：

MOVR VD300，#lv1：LD4 //MOVR 0.0278，#lv1：LD4 *R AC1，#lv1：LD4 -R 1.8054，#lv1：LD4 *R AC1，#lv1：LD4

+R 29.2936，#lv1：LD4这是对a值的求解进行的编程。

五、结束语

该甲板起重机过载检测系统作为起重机的安全保护装臵，具有体积小、功能多、可靠性高、操作方便等优点，符合国家有关技术标准和工作精度的要求，它可以准确地对起重机的起重量和工作精度进行监控，对起重机的安全作业起到很好的保护作用；多参数显示及超载报警使操作人员能及时了解起重机的工作状况，提高了工作效率，有效预防事故的发生。

参考文献

[1] 刘富良.船舶甲板起重机[J].机电设备，1979，（2）：40-43. [2] 汪晓平.PLC可编程控制器系统开发实例导航[M].北京:

人民邮电出版社，2004.

[3] 杨亲民.传感器与传感器技术[J].电气时代，2000，（8）：

28-28.

[4] 马红旗.触摸屏在PLC中的应用[J].机电一体化，2003，9

（4）：36-37.

[5] 方福胜.关于编制海上起重机规范的建议[J].起重运输机

械，2010，（12）：1-3.

[6] 张平.MATLAB基础与应用简明教程[J].2001.