塔式起重機電控實訓(xùn)平臺的研究與開發(fā)

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(yīng)用最為廣泛的垂直運輸機械。隨著社會經(jīng)濟的蓬勃發(fā)展，城市規(guī)劃及建設(shè)的進程日益加快，工業(yè)與民用建筑的需求量大幅增加，建筑行業(yè)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(yǎng)人員也提出了更高的要求，在塔式起重機出現(xiàn)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(fā)出一套塔式起重機電控實訓(xùn)平臺，用于塔機企業(yè)維修人員和電氣類學生的教學與實訓(xùn)。

1 實施方案

塔式起重機電控實訓(xùn)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(zhuǎn)力矩電機，可以展示變頻器與PLC控制原理及回轉(zhuǎn)調(diào)壓調(diào)渦流控制系統(tǒng)。

1.1 控制系統(tǒng)

如圖1所示，控制系統(tǒng)由座椅、聯(lián)動臺、回轉(zhuǎn)變幅電控箱、電源及起升電控箱（ALFV）組成。

圖1 控制系統(tǒng)框圖

聯(lián)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(diào)速、制動、緩沖、阻尼、聯(lián)動、分動控制操作。

回轉(zhuǎn)變幅電控箱采用施耐德OSM32N3D32（額定電流32A）回轉(zhuǎn)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(xiàn)調(diào)壓調(diào)速，同時對半控硅MFA40-8進行控制實現(xiàn)調(diào)渦流調(diào)速，最終實現(xiàn)回轉(zhuǎn)的平滑無極調(diào)速，特點是啟停平穩(wěn)、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(xiàn)穩(wěn)定平穩(wěn)的吊裝。斷電時可以通過風標按鈕實現(xiàn)風標自動工作，并有指示燈指示，以保證在非工作狀態(tài)下大臂可以自由隨風轉(zhuǎn)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(zhuǎn)接觸器控制，電氣互鎖，響應(yīng)快，方便穩(wěn)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(cè)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(dǎo)致的觸電事故，電控箱內(nèi)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(shè)定時為最高頻率設(shè)定值的±0.2%，數(shù)字設(shè)定時為最高頻率設(shè)定值的±0.1%。維護性能提高，監(jiān)視器能顯示運轉(zhuǎn)頻率、電壓、電流、線速度、故障狀態(tài)、機電軸轉(zhuǎn)矩等28種功能。低振動和低噪音采用新開發(fā)的正弦波PWM控制技術(shù)，改善了電流波形，從而減輕了運轉(zhuǎn)抖動；采用了第三代IGBT，實現(xiàn)了高頻率和低噪聲化。在矢量控制條件下，調(diào)速范圍還可以擴大，能實現(xiàn)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(zhuǎn)矩平滑，無爬行現(xiàn)象。

1.2 機構(gòu)

回轉(zhuǎn)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(xiàn)塔機行業(yè)廣泛應(yīng)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(chǎn)品，其起重專用軟件，更是針對起重行業(yè)特點開發(fā)，擁有輕載增速等特有功能。此系統(tǒng)可全方位模擬起升、回轉(zhuǎn)、變幅等大中型高端塔機的實際變頻系統(tǒng)的設(shè)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(tǒng)在塔機各機構(gòu)中的應(yīng)用，并可熟練掌握實際操作技巧。

回轉(zhuǎn)采用雙向可控硅驅(qū)動力矩電機，通過調(diào)壓、調(diào)渦流組成平滑無極調(diào)試系統(tǒng)，為目前國內(nèi)外中小型塔機廣泛應(yīng)用的控制方式。以真實控制系統(tǒng)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(yōu)點，把復(fù)雜難明的回轉(zhuǎn)力矩電機結(jié)構(gòu)、枯燥的理論轉(zhuǎn)變?yōu)樯鷦赢嬅?。變幅機構(gòu)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(gòu)傳動圖

本系統(tǒng)采用的是微型變頻電機，模擬真實機構(gòu)，故無法展示真實起升機構(gòu)的結(jié)構(gòu)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(diào)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(gòu)傳動圖如圖2所示。

圖2 標準起升機構(gòu)傳動圖

2 未來擴展

起升機構(gòu)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(gòu)聯(lián)動）、力矩限位器（真實塔機保護鋼結(jié)構(gòu)的安全裝置，裝于鋼結(jié)構(gòu)上，此系統(tǒng)沒有實際鋼結(jié)構(gòu)，無法安裝，但可以采用模擬開關(guān)或指示燈模擬演示）；制動器確認開關(guān)（安全裝置的一種，一般變頻機構(gòu)配置），可以采用接觸器加開關(guān)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(guān)模擬，但其功能演示時需人為按動開關(guān)配合；超速開關(guān)，可以采用開關(guān)模擬。

回轉(zhuǎn)行程限位器未來擴展：可以采用實物開關(guān)，但無法聯(lián)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(guān)。電子力矩顯示器（內(nèi)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(zhuǎn)雖為真實電機，可直接應(yīng)用于實際產(chǎn)品，但是由于體積較大，恐無法安裝于未來鋼結(jié)構(gòu)模型上（如果要實現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)與機構(gòu)電控聯(lián)動，則需要從整體結(jié)構(gòu)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(gòu)為模擬電機，與實際電機相比缺少制動器。

3 教學與實訓(xùn)效果

本設(shè)計產(chǎn)品由真實的駕駛聯(lián)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(lián)動臺，再現(xiàn)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(xiàn)與操作者實時互動，讓操作人員產(chǎn)生身臨其境的感覺。受訓(xùn)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(xùn)，能大幅度降低培訓(xùn)成本。