基于PLC的塔机控制系统设计

摘要传统的塔式起重机是以继电器硬接线电气控制的系统。虽然其成本低，但它使用寿命短，维护投入大，接线复杂，自动化程度低；而且这种控制致命的缺点是无法进行数据运算。而PLC使用软继电器来存储和传递继电器的状态量0和1，可以实现继电器动作无冲击化，而且PLC使用梯形图语言。编程简单，修改方便，并且带有A/D模块可以对模拟量输入进行数据处理。因而使用PLC代替硬接线电气控制来控制塔机系统，通过调节变频器发出的频率来控制塔机各机构电动机的转数，从而改变各机构运转的速度以达到变频调速的功能.。本文针对K80型号塔式起重机的工作特点，采用OMRONC200H型模块式可编程序控制器进行控制系统设计。首先，根据塔机的机械结构特点和性能及塔机的整体对控制的要求进行了控制系统方案设计；然后，进行了控制系统的硬件和软件设计。另外，还介绍了变频电机与普通电机的区别及其参数的选定。本控制系统硬件设计内容包括：塔机运行方式控制、外部电路设计及PLC选型设计。软件设计包括：主控程序设计及起升机构、变幅机构、回转机构和安全回路各子程序的设计。采用PLC和变频调速技术控制的K80型号塔机，其控制系统的可靠性得到了明显的改善，并且提高了塔机的动态性能和抗干扰性以及小车行走的稳定性和定位的精确性。最终达到了减少生产成本，提高企业效益，提高塔机电动控制设备的技术水平的目的。绪论现在，我国的建筑用塔式起重机已越来越普遍。从普通的多层建筑、房地产工程、高层建筑到大型的铁路工程、桥梁工程、电力工程、水利工程，到处都有塔式起重机的应用。而随着我国加入WTO及进入21世纪，塔式起重机将面临巨大的挑战。分析国内外同类产品的现状后发现系统向智能化方向发展。广泛采用集中控制、变频式控制及计算机系统总线控制与人机截面等新技术，系统大大提高了整体的可靠性和动态精度。目前国内起重电器产品与国外相比还存在一定的差距，普遍采用单独控制方式，即一台桥式起重机小车、吊钩、塔臂分别用三套不同的电气装置来控制，这些装置又由普通低压电器元件等传统起重电器组成。由于单套装置的可靠性差，各套装置间又缺乏内在连锁保护，所以国内产品很少采用调速装置。无论是设备的平移还是吊钩的下降、上升、定位精度及平衡性都不好。继电器硬接线控制主要是依赖中间继电器及时间继电器的转换，其方法虽然成本低，但技术含量低，起重机难以实现准确定位。接点多，一旦有一接点松动，就会影响系统的正常运行。操作工作强度高、耗材多、耗量大、体积笨重、使用寿命短，难以适应现代化的要求；此外，这种控制系统的致命缺点是无法进行数据运算。而现在许多大型的塔式起重机对电气控制系统的动作精度和可靠性以及塔机运行时的平稳性提出了更高的要求。一般继电器硬接线控制系统难以达到这样的要求，并且目前有很大一部分塔式起重机的各个机构电机均采用“恒速”控制。例如塔机吊钩的升、降速度一般都控制在（4—6）m/min，而塔机大部分时间都在轻载或空钩的情况下运行，工作效率很低，供电电源功率因数很低（一般在0.4以下）能耗大、浪费严重。针对现在对塔式起重机的需求，这里将提出一套完整的以PLC和变频调速技术为核心的控制系统。整合小车、吊钩、塔臂的电气控制。改变在一台起重机上有多套控制装置的不合理结构，从而将大大提高整合塔式起重机的控制系统特性和可靠性，提高企业生产效率，提高塔式起重机电机控制设备的技术水平。因此，利用PLC对塔式起重机的系统进行控制，用变频调速改变电机转数从而改变各机构运行速度是很有必要的事情，在下面的各章中会对所涉及的问题进行研究。1塔机概述1.1塔机的机械构造塔机的全称为塔式起重机。其机械部分包括：塔身、套架（框架、平台标杆、支撑销及引进吊销等）、塔帽起重臂与拉杆、平衡臂、平衡物、上下转台、回转支撑等。1.1.1分类：（一）按结构形式分类分为固定式塔式起重机、移动式塔式起重机（轨道式塔式起重机、轮胎式塔式起重机、汽车式塔式起重机、履带式塔式起重机）、自式塔式起重机（附着式塔式起重机、内爬式塔式起重机）。（二）按回转方式分类分为上回转式塔式起重机（塔帽回转式、塔顶回转式、上回转平台式转柱式）和下回转塔式起重机。还可按变幅方式、专业性质、行走机构、升高方式、起重量方式进行分类。1.1.2机构简介（一）、变幅机构本机构的卷筒两端固定有钢丝绳端头，当变幅小车走在最外端或最里端时卷筒的两端都还有3-4圈的钢丝绳不会放完，在放在和卷进的钢丝绳之间还有3-4倍钢丝绳直径距离的光卷筒，当工作一段时间后钢丝绳被拉长而垂量过大时可以用变幅小车两端的螺栓将钢丝绳收紧，变幅限制最大最小幅度，当幅度大于等于25m时还能限制高速回转。其机械结构图如图1-1所示：（二）起升机构，其机械机构如图1-2所示：（三）回转机构，其机械结构如图所示：（四）、液压顶升系统塔机安装时，先将平衡阀、油管、顶升横梁等与油缸组装在一起，再与套架连接随套架安装。为了防止油缸组件摆动，应将其临时固定。液压泵站（包括油箱、电机和阀等），待塔机其它部件安装后吊运在平台上，然后拆除油缸组件与套架的临时固定再联结两根高压管检查无误后方可试车，先使油缸空载伸缩次数，检查有无异常现象，同时排除液压系统内的空气。1.2塔机控制要求应用背景与需求塔式起重机是一种循环、间隙运动的机械，主要用于物料的装卸，在工业生产、建筑及物流系统中是不可缺少的设备，有着广泛是用途。塔式起重机是起重机的一种，由于该类设备笨重，运输安装困难，对其产品质量的检测一般要在现场进行。由于对塔式起重机的检测需要在现场进行，就要求检测控制设备要接线方便、便于携带、工作可靠、控制灵活，PLC可以满足这些要求。总体的功能要求：吊钩的起升机构、小车的变幅机构、塔臂的回转机构的传感器检测电路（霍尔传感器），塔机其他的输入信号通过A/D转换调用PLC可编程控制器的各个子程序，执行相应子程序的各条程序命令，再通过D/A转换成模拟信号对各自对象进行控制以完成塔机一个工作的循环。1.2.1升降机构吊钩的升降机构其工作状态分为空载、轻载和重载三种，通过PLC可编程控制器对电机转数进行变频控制以此来改变塔钩的升降速度。速度共分为五档：四档和五档对货物重量有限制。五档只适用于空载和额定载重的30%以下重物进行高速运行。四档适用于额定载重的50%以下重物进行高速运行。起升上行、下行命令发出必须有减速器对速度进行控制。在发出换档命令后，不可以马上进行换档必须经过一定的时间的延时并且起升电机要完成抱闸。起升上行和起升下行应为互锁。1.2.2变幅机构小车的变幅机构是指小车在卷筒两端固定钢丝绳收、放的带动下在塔的前臂进行行走，前臂尖端装有限位开关，接近尾端装有限力矩开关。它也是通过变频器对电机进行速度控制，调用PLC子程序来完成速度的调频。其运行速度分三档：二档要求额定力矩在70%以下的重物使用；三档速度的载重量在额定载重的50%以下。变幅上行和变幅下行应为互锁。1.2.3回转机构回转机构是指塔臂的左右转动，其具有较大的惯性冲击、启动不能过快。停车和反打转都不允许过快过急，否则不仅运转不平稳还会损坏机构。因此采用回转专用减速机，同时采用变频调速使起、制动平稳，通过PLC子程序完成变频对电机速度的改变。1.2.4安全回路当安全回路遭到破坏或者有速度报警时关闭变频器。由于塔式起重机工作的性质是高空作业，因此对风力也有一定的要求，风速达到6级变频器将自动关闭。塔机在运行时每一档都需要在一定时间内对计数器进行计数，如果超过这一档规定值说明速度超出允许范围，产生超速报警。在起升条件得到满足的条件下，如果五秒内计数器没有变化，说明起升卷筒没有转动，设备有问题。在抱闸之后提供2秒延时，在2秒延时之后，卷筒仍然转了5圈以上说明制动有问题。2塔机的变频电机2.1基本原理一般塔式起重机的调速性能是较差的，当需要准确停车时，司机只能采取“点车”的操纵方法；如果“点车”次数很多不但增加了司机的劳动强度，而且由于电器接电次数和电动机起动次数增加，而使电器、电动机工作寿命大为缩短，事故增加，维修量增加。有的起重机对准确停车要求较高，必须实行调速才能满足停准的要求。K80型号塔式起重机采用了PLC程序控制以及变频调速技术后准确调速要求得以实现。变频调速主要原理是利用电动机同步转速随频率变化的特性，通过改变电动机的供电频率进行调速的方法。随着变频技术的飞速发展，旋转变频机组作为可变频电源时，异步电动机进行调速的方式已不多用，取而代之的时晶闸管静止变频装置。K80塔机采用间接变换方式（交—直流变频）。它是把交流电通过整流器变为直流电，再用逆变器直流电变为频率可变的交流电供给异步电动机。这种方式又分为三种类型：1、电压型变频调速整流输出经电感电容滤波，具有恒压特性，逆变器具有反馈二极管，是一种方波电压逆变器。变频器对三相交流异步电动机提供可靠的电压与频率成比例的交流电源。这种方法需要设置与整流器反向并联的再生逆变器，否则不能实现再生制动。2、电流型变频调速，整流输出靠直流电抗器滤波，具有恒流源特性，供给异步电动方波电流。这种方式电力能返回电源，适用于四象限运行和要求快速调速场合。