利用PLC的塔式起重机控制系统的设计

关键词：可编程序控制器;塔式起重机;稳定性

1. 传统的塔式起重机的控制现状

　　塔式起重机是我们建筑机械的关键设备，在建筑施工中起着重要作用，我们只用了五十年时间走完了国外发达国家上百年塔机发展的路程，如今已达到发达国家水平并跻身于当代国际市场.随着高层建筑发展，对施工机械提出了新的要求.于是，160TM附着式、45TM内爬式、120TM自升式等都由我国自己设计并制造;八十年代，国家建设突飞猛进，建筑用最大的250TM塔机也应运而生.进入九十年代，现代化进程不断加快，国内外市场对塔机要求越来越高，众多城市大型建筑、水利、电力、桥梁等不断增加，市场的要求加快了新产品开发的力度，先后有400TM、900TM水平臂和300TM动臂式塔机[1，、2>.90年代开发生产的塔机产品技术性能均显著提高，起升机构采用三速电机驱动、涡流制动、电动换挡减速箱，变幅回转采用双速电机液力联轴节驱动，或采用变频调速，有多种速度，工作平稳生产效率高.安全装置齐全，动作灵敏可靠，装有防止误操作和野蛮操作装置，可杜绝安全事故[2>.

　　随着功率电子技术的发展，早在六十年代后期，国外就开始致力于晶闸管定子调压调速技术的开发研究.目前，该技术己进入了成熟稳定的发展应用阶段.可编程序控制器PLC引入到交流电气传动系统后[3，4>，使传动系统性能发生了质的变化.在塔式起重机实现了抓斗的自动控制和故障诊断、检测显示等，达到了新的技术高度.

　　由变频器构成的交流调速系统可取代直流调速系统，是随着计算机技术特别是大规模集成电路制造技术的不断发展的必然结果，符合起重机的发展趋势，适合发展大起重重量的起重机.

2. 塔式起重机PLC控制系统原理

　　本系统将塔式起重机控制系统由继电器控制改为PLC控制，四大机构调速均采用变频调速.塔式起重机控制系统的系统总框图如图1所示[5，8，9>.

　　塔式起重机的起升、变幅、回转、运行电动机都需要独立运行，整个系统由6台电动机和4台变频器传动，使用一台PLC加以控制.

图1 系统总框图

　　运行机构的起动时间应尽量符合实际需要，起动迅速而平稳;机构的电气制动方式必须着重考虑.对不同的工况，可选择自由制动方式与强制制动方式.在运行机构正常停止时，可选用自由停止方式，其停止时间可按实际生产中的运行情况设定，以尽量满足司机操作塔式起重机的需要为主.为保证起升机构起动时具有足够大的起动转矩，可以通过设定机械制动器的打开时间、变频器的最低运行频率、运行电流之间的关系，以满足机构负载特性的要求.变频器内部参数的设定能保证机构具有良好的调速精度及起制动性能，由于起升机构电机需使用脉冲编码器作为速度反馈装置.通过测量脉冲编码器的脉冲数，利用二者之差控制电机的速度，所以选择脉冲编码器及其安装时，应当考虑周全[6，7，10>.

3. 系统硬件设计

　　电气控制系统原理图主要包括主电路和PLC外围接线图.

　　1.主电路共有六台电机，同时带有风机冷却装置.

　　2.PLC外围接线电路的I/O接线信号分别与表1中的I/O名称相对应.

　　表1 S7-200 I/O分配表

4. 系统软件设计

　　根据塔式起重机控制电路的工作原理，绘制软件流程图如图2所示.

图2 系统软件流程图

　　在本系统中，PLC程序设计的主要任务是接受外部开关信号（按钮、联动控制台继电器）的输入，判断当前的系统状态以及输出信号去控制接触器等器件，以完成相应的控制任务。

　　系统部分梯形图如图3所示.

图3 梯形图

5. 结论

　　本文设计的塔式起重机PLC控制系统在实验室调试以后，已成功应用于长沙某大型起重机公司，系统经过六个月的连续运行，从未发生一次故障，与传统的塔式起重机控制系统相比较，具有以下优点：

　　1. 使用方便;

　　2. 具有良好的动态调整性能;

　　3. 极大提高了系统的稳定性、可靠性;

　　4. 每年可节约维修成本1万元左右（据使用该塔机的公司粗略统计，与之前相比，经济效益每年可提高50多万元），运行效率极大地得到了提高.

　　经实践证明：本系统的设计是行之有效的，具有良好的应用价值.

　　本文创新点：对传统的继电-接触器控制的塔式起重机进行改造，设计了一套基于PLC的塔式起重机控制系统，已投入使用.实践证明：该系统使用方便，具有良好的动态调整性能,极大提高了系统的稳定性、可靠性.

参考文献：

　　[1> 中华机械网.塔式起重机的历史发展和存在问题[EB/OL> .

　　[2> 刘佩衡.我国塔式起重机行业发展历程.北京：中国学术期刊（光盘版）电子杂志社，2003（10）-2004（1）.

　　[3> 张礼华.PLC在塔式起重机电气控制上的应用[J>.南京工业职业技术学院学报.2004.4（3）4-6.

　　[4> 赵闪.SIEMENS SIMATIC S7_300 PLC在锅炉计算机监控系统中的应用[J>.微计算机信息.2003，19（8），24-25

　　[5> 张万忠.可编程控制器入门与应用实例[M>.北京：中国电力出版社，2005.

　　[6> 李泰炯，田中平，谢其盛.塔式起重机控制系统的改进[J> .维普资讯，2006（2）62-63.

　　[7> 李秀忠 .PLC在门座式起重机控制电路中的应用[A>.煤矿机械，2004（1）：97-99.

　　[8> 吴中俊,黄永红.可编程序控制器原理及应用[M>.北京：机械工业出版社，2004.

　　[9> 鲁远栋.PLC机电控制系统应用设计技术[J>.北京：电子工业出版社，2006：63-130.

　　[10> GB/T13752-1992塔式起重机设计规范[S>.北京：中国标准出版社，1996.

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