基于PLC和變頻器的塔式起重機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

高培暢

摘 要：塔式起重機(jī)是廣泛使用在建筑、冶金、物流等行業(yè)中的重要設(shè)備之一。塔式起重機(jī)的主要作用是物料的提升和下放，主要應(yīng)用于建筑行業(yè)中的設(shè)備，屬于循環(huán)、間隙運(yùn)動(dòng)的機(jī)械。文章主要研究變頻器塔式起重機(jī)電氣控制系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：變頻器；PLC；塔式起重機(jī)

1 概述

塔吊的組成部件眾多，但在這其中，電動(dòng)機(jī)對于系統(tǒng)的作用是最重要的，因?yàn)樗菣C(jī)械系統(tǒng)的主要驅(qū)動(dòng)元件，是將電能轉(zhuǎn)換為生產(chǎn)所需的機(jī)械能的主要裝置。電機(jī)良好的電氣性能能夠改善機(jī)械系統(tǒng)的性能，提高系統(tǒng)的可靠性，降低故障可能性，從而降低維護(hù)成本。

塔式起重機(jī)的電氣執(zhí)行機(jī)構(gòu)構(gòu)成需要至少進(jìn)行三個(gè)方向的控制，分別是垂直方向的起升機(jī)構(gòu)、水平方向小車進(jìn)退的變幅機(jī)構(gòu)以及吊臂旋轉(zhuǎn)的回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。

所以此次設(shè)計(jì)將采用的是傳感器限位控制，主要使用的是旋轉(zhuǎn)編碼器和轉(zhuǎn)速傳感器，旋轉(zhuǎn)編碼器的工作方式類似于它在電梯中的，只是我們進(jìn)行的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)線性平滑度要求較低。同時(shí)速度轉(zhuǎn)速傳感器可以配合變頻器進(jìn)行PID閉環(huán)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。

2 變頻器概述

西門子MM440系列變頻器是一款具有代表性的三相交流異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)備，屬于通用型矢量變頻器，基于三線交流異步電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型的控制方式，其核心是通過協(xié)調(diào)控制電壓和頻率，最大程度保證電動(dòng)機(jī)氣隙磁通穩(wěn)定與額定值。該變頻器提供的此類控制模式有：線性V/f 控制、拋物線V/f 控制、可編程多點(diǎn)設(shè)定V/f 控制、磁通電流控制等。此外，還有矢量控制功能。

3 方案的設(shè)計(jì)

3.1 塔式起重機(jī)的運(yùn)行控制要求

塔式起重機(jī)的主要作用是物料的提升和下放，主要應(yīng)用于建筑行業(yè)中的設(shè)備，屬于循環(huán)、間隙運(yùn)動(dòng)的機(jī)械?？傮w的功能要求：

（1）起升機(jī)構(gòu)

吊鉤的升降機(jī)構(gòu)的工作狀態(tài)分為空載和輕載、重載兩類。

（2）變幅機(jī)構(gòu)

小車的變幅機(jī)構(gòu)進(jìn)行的是小車在塔臂進(jìn)行的進(jìn)退運(yùn)動(dòng)，前臂尖端和末端皆安裝有限位開關(guān)。它也能夠通過變頻器對電機(jī)進(jìn)行速度控制，由于類似回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)具有一定的慣性沖擊，起動(dòng)和制動(dòng)不能過快。

（3）回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)

吊臂的回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)完成的是吊臂的順向逆向轉(zhuǎn)動(dòng)，其具有較大的慣性沖擊，起動(dòng)不能過快。停車和反打傳都不允許過界，否則不僅運(yùn)轉(zhuǎn)不平穩(wěn)，還會(huì)損壞機(jī)構(gòu)。因此還通過回轉(zhuǎn)專用減速機(jī)，同時(shí)采用變頻調(diào)速使起動(dòng)、制動(dòng)平穩(wěn)。

3.2 塔式起重機(jī)電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分析

針對上面提到的控制要求，獲得的起重機(jī)的電氣控制系統(tǒng)分層結(jié)構(gòu)。分層結(jié)圖2。

根據(jù)控制要求初步設(shè)計(jì)了對應(yīng)的實(shí)物的系統(tǒng)總框圖，如圖3所示。結(jié)合設(shè)計(jì)控制要求，從圖中我們可以看出，整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)其實(shí)是多并聯(lián)回路的控制系統(tǒng)。PLC控制器作為整個(gè)系統(tǒng)的上位機(jī)，主要職能是接受傳感器采集的信號并進(jìn)行處理運(yùn)算，然后發(fā)出指令，主要是給下位機(jī)（以變頻器為主）發(fā)送指令信號，這樣也基本形成了閉環(huán)反饋控制的思路；其實(shí)PLC最基礎(chǔ)的作用是進(jìn)行邏輯控制，即作為軟開關(guān)進(jìn)行繼電器的通斷控制，實(shí)現(xiàn)各機(jī)構(gòu)的工作狀態(tài)的切換。

PLC控制器的下位機(jī)是變頻器和若干的傳感器。變頻器是整個(gè)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的設(shè)備，它能夠?qū)崿F(xiàn)電動(dòng)機(jī)的矢量控制。

本系統(tǒng)使用的主要傳感器為旋轉(zhuǎn)編碼器和限位開關(guān)。在實(shí)際的系統(tǒng)中，結(jié)構(gòu)圖中的PG卡（脈沖發(fā)生器，Pulse Generator）是配合旋轉(zhuǎn)編碼器完成電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速采集的選件，它可以將不同輸出形式的編碼器信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換、隔離，輸出可以適配控制器的信號，以達(dá)到矢量變頻控制。主要實(shí)現(xiàn)的功能有：電平轉(zhuǎn)換，模數(shù)轉(zhuǎn)換，光耦隔離，整型等。

根據(jù)控制要求和系統(tǒng)總框圖進(jìn)一步確定系統(tǒng)軟件控制流程，通過軟件流程圖確定基本的控制順序。

4 結(jié)束語

本次設(shè)計(jì)主要是實(shí)現(xiàn)PLC與變頻器結(jié)合的塔吊電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，以了解現(xiàn)代自動(dòng)塔吊系統(tǒng)的發(fā)展方向和控制系統(tǒng)中的可改進(jìn)之處，同時(shí)也是設(shè)計(jì)更加效率的塔吊系統(tǒng)。與傳統(tǒng)繼電-接觸器控制系統(tǒng)相比，現(xiàn)代軟接觸器控制的系統(tǒng)可以更加精確地進(jìn)行控制，結(jié)合現(xiàn)代自動(dòng)控制理論，功能更加完善，操縱性也更強(qiáng)。

另外，本論文篇幅有限，沒有設(shè)計(jì)本系統(tǒng)的控制電路圖和PLC程序，讀者可自行設(shè)計(jì)。

參考文獻(xiàn)

[1]王瑞蘭.基于變頻器的恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].微計(jì)算機(jī)信息， 2005，21（9）：123-124.

[2]楊寧，趙玉剛.集散控制系統(tǒng)及現(xiàn)場總線[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2003.

[3]焦玉成，陳瑞.基于PLC與變頻器的編織生產(chǎn)線自動(dòng)控制系統(tǒng)[J].制造業(yè)自動(dòng)化，2012，34（2）：130-132.

[4]何鳳有，鮑衛(wèi)寧，劉良，等.基于PLC與變頻器的空壓機(jī)恒壓供氣系統(tǒng)[J].變頻器世界，2009（2）：77-79.

[5]廖常初.PLC基礎(chǔ)及應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

[6]李鳳閣，林景波，佟為明，等.基于PLC和變頻器的同步控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2011，28（11）：32-35.