塔式起重機水平變幅控制的改進設計

沈學彬

一、前言

塔式起重機是現代高層建筑和大面積建筑工程中的主要建筑設備之一。由于它具有起重量大、力臂長等許多優點，使其在建筑工程中的應用越來越廣泛。但是，傳統的塔式起重機在水平變幅上一般采用多級變速電動機或定子串接電阻來改變電動機轉速，在檔位切換和力矩保護等復雜邏輯方面用分散元件進行控制，系統故障率高、維護困難，很有必要進行技術更新和改進。

二、塔機水平變幅電控系統的組成與分析

塔式起重機水平變幅又包括小車向前與向后水平變幅，以及塔頂向左旋轉與向右旋轉的水平變幅，其相應的電控系統為小車變幅控制和回轉變幅控制。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。在實際使用過程當中，需要不斷地變換塔機吊鉤的位置，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作頻繁，在檔位切換時還會有較大的機械沖擊，導致整個塔身晃動，吊鉤難以定位時，整個控制系統故障率高且操作不方便。

為了解決塔機在水平變幅上的上述缺點，本文介紹采用PLC和變頻調速器來控制水平變幅電機。經過對塔式起重機水平變幅電機負載的測算和理論分析，采用變頻調速器完全可以達到正常工作時需要的啟動轉矩和啟動制動速度。所以，用變頻調速器和普通交流異步電機取代多級變速電機，實現對變幅電機的速度和換向控制；用PLC取代中間繼電器等分散元件，實現對塔機水平變幅各種復雜的檔位邏輯控制與保護控制是完全可行的。圖1是電氣系統的組成原理。

經過改進的水平變幅控制系統，其主要組成部分為：主電源通過接觸器連接到變頻調速器；變頻調速器直接控制三相異步電機；PLC為邏輯控制部件的核心部件，根據系統的輸入狀態，控制主接觸器、變頻調速器等各部分執行元件。我們選用西門子公司S7-200系列的CPU-222型PLC，它自帶8個輸入點和6個輸出點（此系列產品的可擴展性和組合性非常強，其輸入輸出口I/O的點數可以根據需要進行擴展）。PLC通過掃描各輸入口的信號（如操作手柄的狀態，各限位開關的通斷等），按照我們預先編好的邏輯控制程序處理后，輸出信號對變頻調速器進行控制，以滿足各種變幅需要。控制電機轉速及轉向的變頻調速器選用日立公司J300-XXXHFE系列，通過我們實際應用顯示，此系列變頻器具有轉矩矢量控制、轉差補償、電壓AVR自整定、負載轉矩自適應等一系列先進功能，完全能滿足各項性能指標。

三、控制系統的工作原理

經過改進后的水平變幅控制系統，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（回轉變幅與其基本相同）：首先定義PLC的輸入點I0.0～0.3為操作手柄的狀態信號，根據不同的組合，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；I0.6和I0.7為小車到達兩端終點限位信號；輸出Q1.0、Q1.1為控制變頻調速器正反轉的輸入數字信號，Q1.2、Q1.3 、Q1.4為控制變頻調速器不同頻率段的輸入數字信號。當控制室電源啟動后，主接觸器BFJ閉合，接通變頻調速器A的主電源，在啟動控制圖3電源及PLC程序進行初始化之后，PLC掃描各輸入口的狀態；PLC根據我們預先編好的程序對輸入信號進行邏輯處理后，輸出到控制變頻調速器的數字輸入端，從而控制帶動小車行走電機的轉速和轉向。

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，XK2、XK4閉合，PLC根據我們預先定義的輸入狀態，進行邏輯判斷處理后，置輸出Q1.0、Q1.2、Q1.4為“1”，變頻調速器數字輸入點“FW”、“4”、“1”接到信號后，“W、V、U”輸出使三相異電動機正轉的、頻率由0升至設定一檔頻率25Hz的主電源，拖動變幅系統工作。繼續推動操作手柄到二檔、三檔，電源頻率逐步上升到額定頻率50Hz。當小車變幅到達向前減速限位位置時，RDAR限位開關動作，PLC輸入點I0.5捕獲到一個輸入脈沖，即使使操作手柄還保持在向前三檔的狀態，PLC也會輸出使變頻調速器輸出電源頻率降到低頻率狀態如25Hz。使小車變幅速度減慢，最后到達前端極限位置時，限位開關SDAR動作，PLC輸出全部復“0”，主電源接觸器斷開，變頻調速器快速制動，變幅停止。同樣，控制手柄推到往后三檔或其他檔位時，工作原理也一樣。這樣，塔機的水平變幅操作非常方便，在檔位切換時，由于變頻調速器供給變幅電機電源的頻率緩慢提升或下降，減少了機械沖擊，提高系統的安全性和可操作性。并且，可根據不同的機型和實際需要，參照變頻調速器的操作手冊，設定更多的檔位和每個檔位的運行頻率、頻率提升和下降的時間等等。圖2是小車水平變幅時，手柄從一檔推到向前三檔位置的運行過程。其中T1、T2-T1、T3-T2分別為向前一、二、三檔加速時間；T5-T4、T6-T5、T7-T6分別為向前三、二、一檔減速時間。同理，操作手柄推到其他檔位時，PLC同樣會根據不同的輸入狀態，從而控制變頻調速器主電源的輸出。

四、PLC軟件設計及變頻調速器參數設置

在編寫PLC程序之前，應先定義好各輸入輸出口（I/O）的作用，確定所需的I/O點數，充分利用硬件資源，根據實際應用的需要，在不降低性能的情況下，適當除去一些中間邏輯控制環節，以提高機器的可維護性和安全性；同時控制正轉反轉、內部外部等關鍵輸出點，除外部電路保證互鎖外，PLC程序內部也必須軟件互鎖；在輸出正裝與反轉之間應設計保留一定的延時時間；因變頻器對外產生的干擾較大，根據實際情況編寫軟件抗干擾程序。

另外，做好變頻器參數設置及調試，是設備正常運轉的一個根本保障措施。現場中出現的許多問題，往往是因參數設置不當引起的，而與設備本身無關，由此可見合理正確設置參數很重要。（1）基本參數的設置：基本參數包括電機銘牌上的額定功率、電壓、電流、轉速、頻率等；（2）根據實際生產要求做好其他參數的設置。變頻器一般都有幾十上百個可設置的參數，實際運用中可采用大多數出廠設置，僅對少數做特殊設定即可滿足生產要求。如選擇變頻器的S型加減速曲線，使工作在制動和換向過程中無機械沖擊；按實際最大負載計算變頻器允許的最高速起動時間Tac和減速時間Tdc。其計算公式如下（有關參數參考文獻資料）：

（1）Tac=J1+J2/η2π（nm-0）Tm-TL/η60

（2）Tdc=J1+J2/η2π（0-nm）-（Tm+T1/η）60

為了提高控制系統可靠性和安全性，采取以下措施：

（1）增加一塊PLC的擴展模塊EM223，擴充了PLC的輸入點數，用于監控小車變幅的當前位置，當小車變幅到一定位置時，能使它自動減速行使直至停止，以避免誤操作時出現危險和機械沖擊。

（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點阻和制動控制單元，由變頻器手冊的有關說明可推算出：在100%制動轉矩下，制動電阻可獲得持續放電10s、放電能力約100kws、重復使用率達10%ED的制動效果。

（4）由于變頻器本身是一個強干擾源，正常工作時產生高次諧波。為此，對變頻器屏蔽網做單獨的專門接地，能有效抑制對外干擾。

五、結束語

變頻器與PLC的結合應用，充分體現了可靠、快速、靈活的控制特點，實現了以往難以做到的多種復雜控制和故障保護，使塔式起重機水平變幅控制系統具備了小型化、控制智能化和操作維護簡單等優點。

責任編輯 陳春陽