塔式起重機(jī)水平變幅控制的改進(jìn)設(shè)計(jì)

沈?qū)W彬

一、前言

塔式起重機(jī)是現(xiàn)代高層建筑和大面積建筑工程中的主要建筑設(shè)備之一。由于它具有起重量大、力臂長等許多優(yōu)點(diǎn)，使其在建筑工程中的應(yīng)用越來越廣泛。但是，傳統(tǒng)的塔式起重機(jī)在水平變幅上一般采用多級(jí)變速電動(dòng)機(jī)或定子串接電阻來改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，在檔位切換和力矩保護(hù)等復(fù)雜邏輯方面用分散元件進(jìn)行控制，系統(tǒng)故障率高、維護(hù)困難，很有必要進(jìn)行技術(shù)更新和改進(jìn)。

二、塔機(jī)水平變幅電控系統(tǒng)的組成與分析

塔式起重機(jī)水平變幅又包括小車向前與向后水平變幅，以及塔頂向左旋轉(zhuǎn)與向右旋轉(zhuǎn)的水平變幅，其相應(yīng)的電控系統(tǒng)為小車變幅控制和回轉(zhuǎn)變幅控制。在這兩部分控制中，不僅包括了變幅的方向控制，還包括不同變幅速度的檔位控制。在實(shí)際使用過程當(dāng)中，需要不斷地變換塔機(jī)吊鉤的位置，也即不斷地改變吊鉤的幅度，并且不斷切換檔位，使控制變幅的接觸器動(dòng)作頻繁，在檔位切換時(shí)還會(huì)有較大的機(jī)械沖擊，導(dǎo)致整個(gè)塔身晃動(dòng)，吊鉤難以定位時(shí)，整個(gè)控制系統(tǒng)故障率高且操作不方便。

為了解決塔機(jī)在水平變幅上的上述缺點(diǎn)，本文介紹采用PLC和變頻調(diào)速器來控制水平變幅電機(jī)。經(jīng)過對塔式起重機(jī)水平變幅電機(jī)負(fù)載的測算和理論分析，采用變頻調(diào)速器完全可以達(dá)到正常工作時(shí)需要的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩和啟動(dòng)制動(dòng)速度。所以，用變頻調(diào)速器和普通交流異步電機(jī)取代多級(jí)變速電機(jī)，實(shí)現(xiàn)對變幅電機(jī)的速度和換向控制；用PLC取代中間繼電器等分散元件，實(shí)現(xiàn)對塔機(jī)水平變幅各種復(fù)雜的檔位邏輯控制與保護(hù)控制是完全可行的。圖1是電氣系統(tǒng)的組成原理。

經(jīng)過改進(jìn)的水平變幅控制系統(tǒng)，其主要組成部分為：主電源通過接觸器連接到變頻調(diào)速器；變頻調(diào)速器直接控制三相異步電機(jī)；PLC為邏輯控制部件的核心部件，根據(jù)系統(tǒng)的輸入狀態(tài)，控制主接觸器、變頻調(diào)速器等各部分執(zhí)行元件。我們選用西門子公司S7-200系列的CPU-222型PLC，它自帶8個(gè)輸入點(diǎn)和6個(gè)輸出點(diǎn)（此系列產(chǎn)品的可擴(kuò)展性和組合性非常強(qiáng)，其輸入輸出口I/O的點(diǎn)數(shù)可以根據(jù)需要進(jìn)行擴(kuò)展）。PLC通過掃描各輸入口的信號(hào)（如操作手柄的狀態(tài)，各限位開關(guān)的通斷等），按照我們預(yù)先編好的邏輯控制程序處理后，輸出信號(hào)對變頻調(diào)速器進(jìn)行控制，以滿足各種變幅需要?？刂齐姍C(jī)轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)向的變頻調(diào)速器選用日立公司J300-XXXHFE系列，通過我們實(shí)際應(yīng)用顯示，此系列變頻器具有轉(zhuǎn)矩矢量控制、轉(zhuǎn)差補(bǔ)償、電壓AVR自整定、負(fù)載轉(zhuǎn)矩自適應(yīng)等一系列先進(jìn)功能，完全能滿足各項(xiàng)性能指標(biāo)。

三、控制系統(tǒng)的工作原理

經(jīng)過改進(jìn)后的水平變幅控制系統(tǒng)，其工作原理非常簡單，工作原理如圖3所示。

以小車水平變幅控制為例（回轉(zhuǎn)變幅與其基本相同）：首先定義PLC的輸入點(diǎn)I0.0～0.3為操作手柄的狀態(tài)信號(hào)，根據(jù)不同的組合，可分別用作控制小車的檔位和變幅的方向；I0.4 和I0.5分別為向前、向后減速限位信號(hào)；I0.6和I0.7為小車到達(dá)兩端終點(diǎn)限位信號(hào)；輸出Q1.0、Q1.1為控制變頻調(diào)速器正反轉(zhuǎn)的輸入數(shù)字信號(hào)，Q1.2、Q1.3 、Q1.4為控制變頻調(diào)速器不同頻率段的輸入數(shù)字信號(hào)。當(dāng)控制室電源啟動(dòng)后，主接觸器BFJ閉合，接通變頻調(diào)速器A的主電源，在啟動(dòng)控制圖3電源及PLC程序進(jìn)行初始化之后，PLC掃描各輸入口的狀態(tài)；PLC根據(jù)我們預(yù)先編好的程序?qū)斎胄盘?hào)進(jìn)行邏輯處理后，輸出到控制變頻調(diào)速器的數(shù)字輸入端，從而控制帶動(dòng)小車行走電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向。

具體工作如下：控制室操作者將操作手柄推到小車變幅向前一檔時(shí)，XK2、XK4閉合，PLC根據(jù)我們預(yù)先定義的輸入狀態(tài)，進(jìn)行邏輯判斷處理后，置輸出Q1.0、Q1.2、Q1.4為“1”，變頻調(diào)速器數(shù)字輸入點(diǎn)“FW”、“4”、“1”接到信號(hào)后，“W、V、U”輸出使三相異電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)的、頻率由0升至設(shè)定一檔頻率25Hz的主電源，拖動(dòng)變幅系統(tǒng)工作。繼續(xù)推動(dòng)操作手柄到二檔、三檔，電源頻率逐步上升到額定頻率50Hz。當(dāng)小車變幅到達(dá)向前減速限位位置時(shí)，RDAR限位開關(guān)動(dòng)作，PLC輸入點(diǎn)I0.5捕獲到一個(gè)輸入脈沖，即使使操作手柄還保持在向前三檔的狀態(tài)，PLC也會(huì)輸出使變頻調(diào)速器輸出電源頻率降到低頻率狀態(tài)如25Hz。使小車變幅速度減慢，最后到達(dá)前端極限位置時(shí)，限位開關(guān)SDAR動(dòng)作，PLC輸出全部復(fù)“0”，主電源接觸器斷開，變頻調(diào)速器快速制動(dòng)，變幅停止。同樣，控制手柄推到往后三檔或其他檔位時(shí)，工作原理也一樣。這樣，塔機(jī)的水平變幅操作非常方便，在檔位切換時(shí)，由于變頻調(diào)速器供給變幅電機(jī)電源的頻率緩慢提升或下降，減少了機(jī)械沖擊，提高系統(tǒng)的安全性和可操作性。并且，可根據(jù)不同的機(jī)型和實(shí)際需要，參照變頻調(diào)速器的操作手冊，設(shè)定更多的檔位和每個(gè)檔位的運(yùn)行頻率、頻率提升和下降的時(shí)間等等。圖2是小車水平變幅時(shí)，手柄從一檔推到向前三檔位置的運(yùn)行過程。其中T1、T2-T1、T3-T2分別為向前一、二、三檔加速時(shí)間；T5-T4、T6-T5、T7-T6分別為向前三、二、一檔減速時(shí)間。同理，操作手柄推到其他檔位時(shí)，PLC同樣會(huì)根據(jù)不同的輸入狀態(tài)，從而控制變頻調(diào)速器主電源的輸出。

四、PLC軟件設(shè)計(jì)及變頻調(diào)速器參數(shù)設(shè)置

在編寫PLC程序之前，應(yīng)先定義好各輸入輸出口（I/O）的作用，確定所需的I/O點(diǎn)數(shù)，充分利用硬件資源，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的需要，在不降低性能的情況下，適當(dāng)除去一些中間邏輯控制環(huán)節(jié)，以提高機(jī)器的可維護(hù)性和安全性；同時(shí)控制正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)、內(nèi)部外部等關(guān)鍵輸出點(diǎn)，除外部電路保證互鎖外，PLC程序內(nèi)部也必須軟件互鎖；在輸出正裝與反轉(zhuǎn)之間應(yīng)設(shè)計(jì)保留一定的延時(shí)時(shí)間；因變頻器對外產(chǎn)生的干擾較大，根據(jù)實(shí)際情況編寫軟件抗干擾程序。

另外，做好變頻器參數(shù)設(shè)置及調(diào)試，是設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)的一個(gè)根本保障措施。現(xiàn)場中出現(xiàn)的許多問題，往往是因參數(shù)設(shè)置不當(dāng)引起的，而與設(shè)備本身無關(guān)，由此可見合理正確設(shè)置參數(shù)很重要。（1）基本參數(shù)的設(shè)置：基本參數(shù)包括電機(jī)銘牌上的額定功率、電壓、電流、轉(zhuǎn)速、頻率等；（2）根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)要求做好其他參數(shù)的設(shè)置。變頻器一般都有幾十上百個(gè)可設(shè)置的參數(shù)，實(shí)際運(yùn)用中可采用大多數(shù)出廠設(shè)置，僅對少數(shù)做特殊設(shè)定即可滿足生產(chǎn)要求。如選擇變頻器的S型加減速曲線，使工作在制動(dòng)和換向過程中無機(jī)械沖擊；按實(shí)際最大負(fù)載計(jì)算變頻器允許的最高速起動(dòng)時(shí)間Tac和減速時(shí)間Tdc。其計(jì)算公式如下（有關(guān)參數(shù)參考文獻(xiàn)資料）：

（1）Tac=J1+J2/η2π（nm-0）Tm-TL/η60

（2）Tdc=J1+J2/η2π（0-nm）-（Tm+T1/η）60

為了提高控制系統(tǒng)可靠性和安全性，采取以下措施：

（1）增加一塊PLC的擴(kuò)展模塊EM223，擴(kuò)充了PLC的輸入點(diǎn)數(shù)，用于監(jiān)控小車變幅的當(dāng)前位置，當(dāng)小車變幅到一定位置時(shí)，能使它自動(dòng)減速行使直至停止，以避免誤操作時(shí)出現(xiàn)危險(xiǎn)和機(jī)械沖擊。

（2）對邏輯控制中心的PLC程序，增加軟件抗干擾程序。

（3）在變頻器直流P-N端外接比變頻器容量大一檔的制動(dòng)點(diǎn)阻和制動(dòng)控制單元，由變頻器手冊的有關(guān)說明可推算出：在100%制動(dòng)轉(zhuǎn)矩下，制動(dòng)電阻可獲得持續(xù)放電10s、放電能力約100kws、重復(fù)使用率達(dá)10%ED的制動(dòng)效果。

（4）由于變頻器本身是一個(gè)強(qiáng)干擾源，正常工作時(shí)產(chǎn)生高次諧波。為此，對變頻器屏蔽網(wǎng)做單獨(dú)的專門接地，能有效抑制對外干擾。

五、結(jié)束語

變頻器與PLC的結(jié)合應(yīng)用，充分體現(xiàn)了可靠、快速、靈活的控制特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了以往難以做到的多種復(fù)雜控制和故障保護(hù)，使塔式起重機(jī)水平變幅控制系統(tǒng)具備了小型化、控制智能化和操作維護(hù)簡單等優(yōu)點(diǎn)。

責(zé)任編輯 陳春陽