塔式起重機電控實訓平臺的研究與開發

張建宏

（中國石油撫順石化工建公司，遼寧撫順113006）

0 引言

塔式起重機俗稱塔吊，是目前建筑工地上應用最為廣泛的垂直運輸機械。隨著社會經濟的蓬勃發展，城市規劃及建設的進程日益加快，工業與民用建筑的需求量大幅增加，建筑行業中必不可少的塔式起重機市場需求量呈直線上升趨勢，這對塔式起重機的維修保養人員也提出了更高的要求，在塔式起重機出現的故障中，電氣類故障的比例遠遠大于機械類故障，因此，有必要開發出一套塔式起重機電控實訓平臺，用于塔機企業維修人員和電氣類學生的教學與實訓。

1 實施方案

塔式起重機電控實訓平臺使用了真實塔機標準座椅及操作臺，配合模擬變頻電機、雙速變幅電機、真實回轉力矩電機，可以展示變頻器與PLC控制原理及回轉調壓調渦流控制系統。

1.1 控制系統

如圖1所示，控制系統由座椅、聯動臺、回轉變幅電控箱、電源及起升電控箱（ALFV）組成。

圖1 控制系統框圖

聯動臺采用WLK3型主令控制器，用于塔機二次回路中電機的倒順，1～5擋調速、制動、緩沖、阻尼、聯動、分動控制操作。

回轉變幅電控箱采用施耐德OSM32N3D32（額定電流32A）回轉斷路器；采用專用控制器RCV對雙向可控硅（SKKT92-12）進行控制實現調壓調速，同時對半控硅MFA40-8進行控制實現調渦流調速，最終實現回轉的平滑無極調速，特點是啟停平穩、沖擊小、操作方便、效率高，并配有定點吊裝的鎖臂功能，以保證在有風的情況下實現穩定平穩的吊裝。斷電時可以通過風標按鈕實現風標自動工作，并有指示燈指示，以保證在非工作狀態下大臂可以自由隨風轉動，并確保安全。

變幅斷路器采用施耐德OSM32N3D32（額定電流32A），工作電壓AC380V，雙速電機正反轉接觸器控制，電氣互鎖，響應快，方便穩鉤。

電源箱主空開采用施耐德NSC160S3160空開（額定電流160A，三相），并配有XJ11G型相序保護繼電器（具有缺相、錯相、過壓、欠壓保護功能），主接觸器采用施耐德LC1D95E7C接觸器，線圈AC48V，額定電流95A，電控箱側面配有紅色自鎖型維修按鈕（LAY50C-20），當維修時按下，即可切斷主電源，防止意外送電導致的觸電事故，電控箱內配有電笛，用以危險警示，提醒工人注意躲避吊物。

變頻起升箱的變頻器采用施耐德ATV71系列變頻器，可編程控制器采用施耐德小型PLC，空開、斷路器、接觸器、繼電器全部采用施耐德品牌。施耐德ATV71系列變頻范圍寬、精度高，可變頻率從0～100Hz，頻率精度提高至：模擬設定時為最高頻率設定值的±0.2%，數字設定時為最高頻率設定值的±0.1%。維護性能提高，監視器能顯示運轉頻率、電壓、電流、線速度、故障狀態、機電軸轉矩等28種功能。低振動和低噪音采用新開發的正弦波PWM控制技術，改善了電流波形，從而減輕了運轉抖動；采用了第三代IGBT，實現了高頻率和低噪聲化。在矢量控制條件下，調速范圍還可以擴大，能實現電機失電后快速制動，制動時間小于0.25s，過載能力強，1min過載180%，3min過載150%，低速性能好，低速時轉矩平滑，無爬行現象。

1.2 機構

回轉采用95NM-F1力矩電機，型號YPEJ112M-4，扭矩95N·m，帶制動器（F1）；水平變幅采用模擬雙速小電機；起升采用小型變頻電機模擬。

1.3 控制方式

采用現塔機行業廣泛應用的主流控制方式：起升采用法國施耐德ATL71變頻器與PLC，控制方式效仿世界著名塔機品牌POTAIN的標配產品，其起重專用軟件，更是針對起重行業特點開發，擁有輕載增速等特有功能。此系統可全方位模擬起升、回轉、變幅等大中型高端塔機的實際變頻系統的設計原理、注意事項、變頻器實際操作技巧、常見故障解決方案，使學員可以全面了解變頻系統在塔機各機構中的應用，并可熟練掌握實際操作技巧。

回轉采用雙向可控硅驅動力矩電機，通過調壓、調渦流組成平滑無極調試系統，為目前國內外中小型塔機廣泛應用的控制方式。以真實控制系統與真實力矩電機相配合的方式，形象生動地解讀控制理論的特點、優點，把復雜難明的回轉力矩電機結構、枯燥的理論轉變為生動畫面。變幅機構采用的是小型塔機慣用的雙速電機直接啟動的控制方式。

1.4 標準起升機構傳動圖

本系統采用的是微型變頻電機，模擬真實機構，故無法展示真實起升機構的結構形式、裝置特點。

變幅采用的為最簡單的雙速電機直接啟動的控制方式。其實變幅有很多控制方式，像三速電機、自耦變壓器變壓與調渦流相配合的控制方式等，本文不再一一介紹。

標準起升機構傳動圖如圖2所示。

圖2 標準起升機構傳動圖

2 未來擴展

起升機構未來擴展：可以加裝行程限位器（但是無法像實際一樣與機構聯動）、力矩限位器（真實塔機保護鋼結構的安全裝置，裝于鋼結構上，此系統沒有實際鋼結構，無法安裝，但可以采用模擬開關或指示燈模擬演示）；制動器確認開關（安全裝置的一種，一般變頻機構配置），可以采用接觸器加開關模擬其功能；第二制動器，無法模擬；起重量限制器，可以采用開關模擬，但其功能演示時需人為按動開關配合；超速開關，可以采用開關模擬。

回轉行程限位器未來擴展：可以采用實物開關，但無法聯動。變幅行程限位器及力矩限位器未來擴展：可以采用實物開關。電子力矩顯示器（內有黑匣子）未來擴展：可獨立安裝。

起升、變幅為模擬電機，沒有卷筒，無法模擬實際塔機纏繞鋼絲繩及起吊重物的功能，回轉雖為真實電機，可直接應用于實際產品，但是由于體積較大，恐無法安裝于未來鋼結構模型上（如果要實現鋼結構與機構電控聯動，則需要從整體結構空間、形式考慮，鋼絲繩走向，靜滑輪、動滑輪布置位置，變幅小車，倍率，吊鉤等）。由于各機構為模擬電機，與實際電機相比缺少制動器。

3 教學與實訓效果

本設計產品由真實的駕駛聯動臺、高清晰顯示終端和高比例塔式起重機模型組成。通過真實的駕駛聯動臺，再現塔式起重機操作人員在操作過程中看到的情況，并通過高精度微縮模型的動作實現與操作者實時互動，讓操作人員產生身臨其境的感覺。受訓人員先通過塔機模擬操作，學習塔機的各種功能及操作要點，迅速掌握操作塔機的技能后，再到塔機上進行實地演練，適合對大批量人員進行培訓，能大幅度降低培訓成本。