PT160塔機(jī)電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

干凌峰，李鄭

（1．安徽三建工程有限公司，安徽 合肥 230000；2．安徽三建工程有限公司，安徽 合肥 230000）

0 引言

塔機(jī)是建筑工地上最常用的一種起重設(shè)備，以一節(jié)一節(jié)的接長(zhǎng)（高）（簡(jiǎn)稱(chēng)“標(biāo)準(zhǔn)節(jié)”），用來(lái)吊施工用的鋼筋、木楞、混凝土、鋼管等施工的原材料。塔吊是工地上一種必不可少的設(shè)備，由金屬結(jié)構(gòu)、工作機(jī)構(gòu)和電控系統(tǒng)三部分組成。金屬結(jié)構(gòu)包括塔身、起重臂、底座、附著桿等。工作機(jī)構(gòu)有起升、變幅和回轉(zhuǎn)三部分。電控系統(tǒng)包括電動(dòng)機(jī)、控制器、配電箱、連接線路、信號(hào)及照明裝置等。現(xiàn)階段塔機(jī)電控系統(tǒng)屬于傳統(tǒng)電路，布線復(fù)雜，不易于對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行修改，維護(hù)工作繁重，可靠性低，故障率高。

本文提供的塔機(jī)電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)，是以PT160 塔機(jī)為實(shí)例，將電控系統(tǒng)分為三個(gè)層次，從上到下分別是位于決策層的遠(yuǎn)程控制云平臺(tái)，位于控制層的HMI、PLC、工業(yè)網(wǎng)關(guān)和安全監(jiān)控儀，位于驅(qū)動(dòng)層的變頻器。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線及時(shí)準(zhǔn)確的反饋實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，通過(guò)人機(jī)界面顯示塔機(jī)狀態(tài)、報(bào)警及故障情況。下面給出完整的塔機(jī)電控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)過(guò)程。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

塔機(jī)電氣控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。通過(guò)PLC 驅(qū)動(dòng)三大機(jī)構(gòu)變頻器對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)三大機(jī)構(gòu)的平穩(wěn)運(yùn)行。PLC 運(yùn)行過(guò)程中不斷接收司機(jī)發(fā)出的輸入信號(hào)和限位報(bào)警信號(hào)，通過(guò)網(wǎng)關(guān)同步顯示在人機(jī)界面和服務(wù)器數(shù)據(jù)平臺(tái)。PLC 接收到相應(yīng)信號(hào)后經(jīng)過(guò)運(yùn)算輸出控制命令給對(duì)應(yīng)的變頻器驅(qū)動(dòng)對(duì)應(yīng)電機(jī)動(dòng)作。

圖1 塔機(jī)電氣控制系統(tǒng)

整個(gè)塔機(jī)電氣控制系統(tǒng)，不僅可以讓塔機(jī)三大機(jī)構(gòu)運(yùn)行平穩(wěn)可靠，實(shí)現(xiàn)蟻速運(yùn)行、高速運(yùn)行、零伺服功能、回轉(zhuǎn)防搖功能，還能實(shí)時(shí)反饋塔機(jī)狀態(tài)和報(bào)警信息到人機(jī)界面以及云平臺(tái)，使得塔機(jī)每次動(dòng)作過(guò)程都可以追溯回看，起到塔機(jī)黑匣子功能。同時(shí)，在特殊情況下，還能利用無(wú)限網(wǎng)關(guān)連接PLC，從而修改或終止PLC 的程序，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程運(yùn)行維護(hù)和斷電功能。后期還將完善從平臺(tái)端遠(yuǎn)程控制塔機(jī)自動(dòng)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛功能。

2 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

2.1 電氣原理圖設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)中為完成對(duì)塔機(jī)三大機(jī)構(gòu)的數(shù)據(jù)采集及控制，采用集成控制柜，利用變頻器控制和各種限位裝置信息采集的方式實(shí)現(xiàn)電控柜與三大機(jī)構(gòu)的連接。電控柜輸出電壓加在變頻器上，變頻器得到相應(yīng)控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)三大機(jī)構(gòu)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，變頻器失去控制信號(hào)后停止對(duì)三大機(jī)構(gòu)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)，三大機(jī)構(gòu)電機(jī)重新恢復(fù)靜止?fàn)顟B(tài)。要改變?nèi)髾C(jī)構(gòu)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)方向，只需要給變頻器輸入相反的信號(hào)即可做到，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)塔機(jī)的控制。三大機(jī)構(gòu)電機(jī)通過(guò)減速機(jī)完成塔機(jī)的主鉤起降、大臂轉(zhuǎn)動(dòng)以及小車(chē)變幅動(dòng)作。操作中首先合上斷路器QF0，觀察駕配箱上面的電壓表指示；再合上電控柜內(nèi)部的斷路器，按下聯(lián)動(dòng)臺(tái)的啟動(dòng)按鈕，電控柜內(nèi)部總接觸器KM 吸合，聯(lián)動(dòng)臺(tái)上的電源指示燈亮，確認(rèn)三臺(tái)變頻器為面板啟停控制方式。

起升機(jī)構(gòu)試車(chē)：在停機(jī)狀態(tài)，按下起升變頻器面板啟動(dòng)按鈕，起升變頻器動(dòng)作，塔機(jī)主鉤上升，HMI顯示主鉤實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，工業(yè)網(wǎng)關(guān)實(shí)時(shí)上傳塔機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)至云平臺(tái)，按下變頻器面板停止按鈕，主鉤上升速度減慢直至完全停止；更改變頻器輸出相序再按下起升變頻器面板啟動(dòng)按鈕，起升變頻器動(dòng)作，塔機(jī)主鉤下降，HMI 顯示主鉤實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，工業(yè)網(wǎng)關(guān)實(shí)時(shí)上傳塔機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)至云平臺(tái)，按下變頻器面板停止按鈕，主鉤下降速度減慢直至完全停止。

回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)試車(chē)：在停機(jī)狀態(tài)，按下回轉(zhuǎn)變頻器面板啟動(dòng)按鈕，回轉(zhuǎn)變頻器動(dòng)作，塔機(jī)大臂左轉(zhuǎn)，HMI 顯示大臂轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，工業(yè)網(wǎng)關(guān)實(shí)時(shí)上傳塔機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)至云平臺(tái)，按下變頻器面板停止按鈕，大臂轉(zhuǎn)動(dòng)速度減慢直至完全停止；更改變頻器輸出相序再按下回轉(zhuǎn)變頻器面板啟動(dòng)按鈕，回轉(zhuǎn)變頻器動(dòng)作，塔機(jī)大臂右轉(zhuǎn)，HMI 顯示大臂轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，工業(yè)網(wǎng)關(guān)實(shí)時(shí)上傳塔機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)至云平臺(tái)，按下變頻器面板停止按鈕，大臂轉(zhuǎn)動(dòng)速度減慢直至完全停止。

變幅機(jī)構(gòu)試車(chē)：在停機(jī)狀態(tài)，按下變幅變頻器面板啟動(dòng)按鈕，變幅變頻器動(dòng)作，塔機(jī)小車(chē)向前移動(dòng)，HMI顯示小車(chē)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，工業(yè)網(wǎng)關(guān)實(shí)時(shí)上傳塔機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)至云平臺(tái)，按下變頻器面板停止按鈕，小車(chē)向前速度減慢直至完全停止；更改變頻器輸出相序再按下回轉(zhuǎn)變頻器面板啟動(dòng)按鈕，變幅變頻器動(dòng)作，塔機(jī)小車(chē)向后移動(dòng)，HMI顯示小車(chē)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，工業(yè)網(wǎng)關(guān)實(shí)時(shí)上傳塔機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)至云平臺(tái)，按下變頻器面板停止按鈕，小車(chē)向前速度減慢直至完全停止。

通過(guò)測(cè)試可以看出，控制系統(tǒng)可靠，設(shè)備運(yùn)行平穩(wěn)，所有動(dòng)作均有跡可循，電氣原理圖設(shè)計(jì)（圖2-圖5）符合系統(tǒng)控制要求。

圖2 總控電路

圖3 起升電路

圖4 回轉(zhuǎn)電路

圖5 變幅回路

2.2 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)PLC的設(shè)計(jì)原則和本系統(tǒng)的實(shí)際要求，選擇了三菱公司的FX3U 系列。FX3U 系列PLC 具有功能強(qiáng)大、速度快、靈活性高等特點(diǎn)，其主要由電源模塊、中央處理模塊、接口模塊、信號(hào)模塊、功能模塊等組成。為了適配該系統(tǒng)，還外置一個(gè)FX2N-8EX 擴(kuò)展輸入模塊以連接外部傳感裝置，如按鈕、操作手柄、行程限位、重量限位、力矩限位等，通過(guò)輸入模塊實(shí)現(xiàn)了外部傳感裝置與PLC 的通信。具體PLC 輸入輸出點(diǎn)位分配如表1所示。

表1 PLC輸入輸出點(diǎn)位分配表

PLC 程序調(diào)試：操作前將配電箱通電，用電腦將程序拷貝進(jìn)PLC 里面，具體塔機(jī)三大機(jī)構(gòu)動(dòng)作控制如PLC 電路圖（圖6-圖7）所示。程序輸入之后，通過(guò)聯(lián)動(dòng)臺(tái)操作手柄分別試驗(yàn)起升、回轉(zhuǎn)、變幅三大機(jī)構(gòu)動(dòng)作。依次推動(dòng)起升操作手柄一檔至五檔，PLC 輸入、輸出信號(hào)燈正常，中間繼電器動(dòng)作正常，變頻器輸出頻率正常，電機(jī)工作正常；利用同樣方法觀察下降過(guò)程一切正常。依次推動(dòng)左轉(zhuǎn)操作手柄一檔至五檔，PLC 輸入、輸出信號(hào)燈正常，中間繼電器動(dòng)作正常，變頻器輸出頻率正常，電機(jī)工作正常；利用同樣方法觀察右轉(zhuǎn)過(guò)程一切正常。依次推動(dòng)增幅操作手柄一檔至四檔，PLC 輸入、輸出信號(hào)燈正常，中間繼電器動(dòng)作正常，變頻器輸出頻率正常，電機(jī)工作正常；利用同樣方法觀察減幅過(guò)程一切正常。

圖6 PLC電路1

圖7 PLC電路2

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，檢查“急停”按鈕正常。試運(yùn)行超過(guò)監(jiān)控儀設(shè)置參數(shù)則會(huì)切斷相應(yīng)動(dòng)作，只能向相反方向運(yùn)行。塔機(jī)起重力矩或起重量超過(guò)監(jiān)控儀設(shè)置參數(shù)則會(huì)切斷主鉤向上以及小車(chē)增幅方向運(yùn)動(dòng)信號(hào)。

通過(guò)塔機(jī)試運(yùn)行，發(fā)現(xiàn)控制程序高效、嚴(yán)謹(jǐn)，輸入輸出信號(hào)明確，符合系統(tǒng)控制要求。

2.3 人機(jī)界面設(shè)計(jì)

根據(jù)控制系統(tǒng)要求，本系統(tǒng)選擇的TPC1031Ki觸摸屏，硬件配置高，軟件性能強(qiáng)勁，是一套以嵌入式低功耗CPU 為核心（主頻800MHz）的高性能嵌入式一體化工控機(jī)，該產(chǎn)品設(shè)計(jì)采用了10．1 英寸高亮度TFT 液晶顯示屏（分辨率1024×600）、四線電阻式觸摸屏（分辨率1024×1024），同時(shí)預(yù)裝了MCGS 嵌入式組態(tài)軟件。MCGS工控軟件可以很好的滿(mǎn)足塔機(jī)三大機(jī)構(gòu)的數(shù)據(jù)采集要求，從而較好的保證電氣控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性、實(shí)時(shí)性、確定性和安全性。

塔機(jī)電氣系統(tǒng)觸摸屏頁(yè)面設(shè)計(jì)由參數(shù)頁(yè)和報(bào)警頁(yè)兩部分組成，參數(shù)頁(yè)主要用于顯示塔機(jī)當(dāng)前工作狀態(tài)；報(bào)警頁(yè)主要用于顯示系統(tǒng)發(fā)生故障或各限位報(bào)警情況，幫助塔機(jī)駕駛員作出正確處理。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，界面會(huì)顯示相對(duì)應(yīng)的故障和聲光報(bào)警。具體界面如圖8所示。

圖8 HMI界面顯示

人機(jī)界面系統(tǒng)是塔機(jī)駕駛員與塔機(jī)直接通信的主要途徑，是該電控系統(tǒng)的重要組成部分，本系統(tǒng)很好的將PLC 和觸摸屏結(jié)合起來(lái)，通過(guò)試運(yùn)行操作，HMI界面相關(guān)運(yùn)行參數(shù)顯示正常。

3 結(jié)語(yǔ)

本文介紹的PT160塔機(jī)電氣控制系統(tǒng)工作原理和具體軟硬件要求，從電氣原理圖設(shè)計(jì)、PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、觸摸屏監(jiān)控軟件的組態(tài)、通信系統(tǒng)建立到人機(jī)界面設(shè)計(jì)等，給出一個(gè)完整的塔機(jī)電控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程和實(shí)現(xiàn)過(guò)程。以PLC為控制中樞，采用監(jiān)控觸摸屏對(duì)塔機(jī)進(jìn)行同步工作監(jiān)控，使駕駛員可以準(zhǔn)確掌握塔機(jī)實(shí)時(shí)工作狀態(tài)，也為以后的無(wú)人駕駛提供了一種新思路。