塔式起重機(jī)電控實訓(xùn)平臺的研究與開發(fā)

張強(qiáng) 趙事洋

摘要：通過對目前常用塔式起重機(jī)工作過程的調(diào)研，結(jié)合塔式起重機(jī)電氣控制電路容易出現(xiàn)故障的現(xiàn)狀，利用電機(jī)技術(shù)、變頻技術(shù)、PLC技術(shù)，設(shè)計制造出塔式起重機(jī)電控實訓(xùn)平臺，供教學(xué)與實訓(xùn)使用。

關(guān)鍵詞：塔式起重機(jī)；電控實訓(xùn)平臺；研究與開發(fā)

1 前言

塔式起重機(jī)俗稱塔吊，是目前建筑工地上應(yīng)用最為廣泛的垂直運(yùn)輸機(jī)械。隨著社會經(jīng)濟(jì)的蓬勃發(fā)展，城市規(guī)劃及建設(shè)的進(jìn)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(jī)市場需求量呈直線上升趨勢，這對塔式起重機(jī)的維修保養(yǎng)人員也提出了更高的要求，在塔式起重機(jī)出現(xiàn)的故障中，電氣類故障的比例遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于機(jī)械類故障，因此，有必要開發(fā)出一套塔式起重機(jī)電控實訓(xùn)平臺，用于塔機(jī)企業(yè)維修人員和電氣類學(xué)生的教學(xué)與實訓(xùn)。

2 實施方案

塔式起重機(jī)電控實訓(xùn)平臺使用了真實塔機(jī)標(biāo)準(zhǔn)座椅及操作臺，配合模擬變頻電機(jī)、雙速變幅電機(jī)、真實回轉(zhuǎn)力矩電機(jī)，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)。

2.1 控制系統(tǒng)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。

聯(lián)動臺采用WLK3型主令控制器，用于塔機(jī)二次回路中電機(jī)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(jìn)行控制實現(xiàn)調(diào)壓調(diào)速，同時對半控硅MFA40-8進(jìn)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(diǎn)是啟停平穩(wěn)、沖擊小、操作方便、效率高，并配有定點(diǎn)吊裝的鎖臂功能，以保證在有風(fēng)的情況下實現(xiàn)穩(wěn)定平穩(wěn)的吊裝。斷電時可以通過風(fēng)標(biāo)按鈕實現(xiàn)風(fēng)標(biāo)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(fēng)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(jī)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(hù)繼電器（具有缺相、錯相、過壓、欠壓保護(hù)功育eJ，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（LAYSOC-20），當(dāng)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)定值的士0.2%，數(shù)字設(shè)定時為最高頻率設(shè)定值的士0.1%。維護(hù)性能提高，監(jiān)視器能顯示運(yùn)轉(zhuǎn)頻率、電壓、電流、線速度、故障狀態(tài)、機(jī)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(yùn)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(kuò)大，能實現(xiàn)電機(jī)失電后快速制動，制動時間小于0.25s，過載能力強(qiáng)，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。

2.2 機(jī)構(gòu)

回轉(zhuǎn)采用95NM-F1力矩電機(jī)，型號YPEJ112M-4，扭矩95N}m，帶制動器（Fl）；水平變幅采用模擬雙速小電機(jī)；起升采用小型變頻電機(jī)模擬。

2.3 控制方式

采用現(xiàn)塔機(jī)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(jī)品牌POTAIN的標(biāo)配產(chǎn)品，其起重專用軟件，更是針對起重行業(yè)特點(diǎn)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(jī)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(xué)員可以全面了解變頻系統(tǒng)在塔機(jī)各機(jī)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(jī)，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(jī)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(jī)相配合的方式，形象生動地解讀控制理論的特點(diǎn)、優(yōu)點(diǎn)，把復(fù)雜難明的回轉(zhuǎn)力矩電機(jī)結(jié)構(gòu)、枯燥的理論轉(zhuǎn)變?yōu)樯鷦赢嬅妗Ｗ兎鶛C(jī)構(gòu)采用的是小型塔機(jī)慣用的雙速電機(jī)直接啟動的控制方式。

2.4 未來擴(kuò)展

起升機(jī)構(gòu)未來擴(kuò)展：可以加裝行程限位器（但是無法像實際一樣與機(jī)構(gòu)聯(lián)動）、力矩限位器（真實塔機(jī)保護(hù)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(rèn)開關(guān)（安全裝置的一種，一般變頻機(jī)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(kuò)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(kuò)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(kuò)展，可獨(dú)立安裝。

起升、變幅為模擬電機(jī)，沒有卷筒，無法模擬實際塔機(jī)纏繞鋼絲繩及起吊重物的功能，回轉(zhuǎn)雖為真實電機(jī)，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(jī)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(jī)構(gòu)為模擬電機(jī)，與實際電機(jī)相比缺少制動器。

3 教學(xué)與實訓(xùn)效果

應(yīng)用編程序控制器，對電動機(jī)的驅(qū)動與制動特性進(jìn)行科學(xué)的組合控制。繞線電動機(jī)與渦流制動器相結(jié)合，是日前塔機(jī)調(diào)速應(yīng)用的主流。編程序控制器以按照啟動、加速、運(yùn)行、減速、停止的順序，將電動與制動特性科學(xué)地組合起來，滿足塔機(jī)傳動機(jī)構(gòu)的需求。

準(zhǔn)確設(shè)置動作順序應(yīng)用口編程序控制器，口設(shè)置下列動作：2個電動機(jī)切換時，先斷電再通電；電動機(jī)通電時，先通轉(zhuǎn)子后通定子；電動機(jī)斷電時，先斷定子后斷轉(zhuǎn)子；回路接通時，先接通制動器部分再接通電動機(jī)部分；回路斷開時，先斷開電動機(jī)部分再斷開制動器部分。調(diào)速換擋按順序要求依次完成，為防止接觸器斷開與閉合互相}一擾，采用高精度延時繼電器完成電氣動作切換。

智能化指令控制編程控制器具備對指令進(jìn)行判斷的功能，其將指令看成是一個矢員，根據(jù)力矩的性質(zhì)按照運(yùn)行要求調(diào)整力矩的種類及大小，滿足加速、減速及平穩(wěn)調(diào)速的要求，能夠做到重載低速和輕載高速，無論在恒功率還是恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)行區(qū)均定載多速運(yùn)行，實現(xiàn)了控制指令智能化。根據(jù)拖動對象的特點(diǎn)，對相關(guān)力矩進(jìn)行有效組合控制，實現(xiàn)停車準(zhǔn)確定位，使傳動機(jī)構(gòu)按照人性化的要求有序運(yùn)行，山此降低故障率，提高系統(tǒng)工作效率。

4 結(jié)語

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(jī)模型組成。通過真實的駕駛聯(lián)動臺，再現(xiàn)塔式起重機(jī)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(jī)模擬操作，學(xué)習(xí)塔機(jī)的各種功能及操作要點(diǎn)，迅速掌握操作塔機(jī)的技能后，再到塔機(jī)上進(jìn)行實地演練，適合對大批量人員進(jìn)行培訓(xùn)，能大幅度降低培訓(xùn)成本。

參考文獻(xiàn)

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（作者單位：沈陽三洋建筑機(jī)械有限公司）