施工升降機新型傳動機構與電控系統的研究

王建軍，朱長建，崔德剛，朱冒峰WANG Jian-jun, ZHU Chang-jian, CUI De-gang, ZHU Mao-feng(徐工集團徐州建機工程機械有限公司，江蘇 徐州 221007)

施工升降機新型傳動機構與電控系統的研究

王建軍，朱長建，崔德剛，朱冒峰
WANG Jian-jun, ZHU Chang-jian, CUI De-gang, ZHU Mao-feng
(徐工集團徐州建機工程機械有限公司，江蘇 徐州 221007)

[摘 要]根據市場對施工升降機的使用要求和發展趨勢，融入創新思想，自主研發了新型傳動機構和控制系統，大幅度提高了產品的運行平穩性，安全可靠性，開啟了控制系統的物聯網程度和過程監控的新階段。

[關鍵詞]可編程控制器；觸摸屏；編碼器；傳動機構

施工升降機是建筑施工中不可或缺的起重機械，主要擔負著運送人員、工具、設備、物料的任務。隨著科技的發展，對施工升降機的舒適性和安全性提出了更高的要求。施工升降機種類很多，根據建筑物外形，有垂直式、曲線式、傾斜式。按控制方式分為手動控制和自動控制,還可增加變頻調速裝置和PLC可編程控制器以滿足不同客戶需要。

本文根據客戶的需求和物聯網的應用，符合施工升降機的控制要求，設計一套新型的施工升降機傳動機構和控制系統，提升了升降機的可操控性、平穩性、智能化及過程的監控能力。

1 新型控制系統的組成

如圖1所示，本系統共由可編程控制器（集成GPS）、觸摸屏、編碼器（自動平層使用）、故障診斷、樓層顯示裝置、超載保護器（帶RS485接口）、樓層呼叫器（帶RS485接口）、語音播報模塊（帶RS485接口）和YZR傳動機構等10個部分組成。

2 各部分功能介紹

2.1 可編程控制器

圖1 新型控制系統組成

可編程控制器即我們常稱為的PLC。市場上的PLC制造廠家眾多，主要分為歐、日、美三大家。但是本系統中所用的PLC為徐工集團自主研發制造建筑起重機械用產品，型號為XGCT4040BTD,共有40個輸入點，40個輸出點，內部集成GPS，同時具備黑匣子功能。該模塊處理輸入信號，經過PLC內部的邏輯控制后輸出，控制各個終端。

2.2 傳動機構

普通的施工升降機一般為二傳動或者三傳動，電機都是4極的鼠籠式轉子電機，該機構結構和控制系統較為簡單，成本較低，便于維護。但是該種傳動機構在起動和制動過程中產生較大的沖擊和振動，影響整機的性能，對鋼結構影響較大。因此設計一款YZR繞線轉子電機，功率為11kW，通過在轉子上串接電阻分成兩段速，低速起制動，速度為15m/min，高速正常運行，速度36m/min。傳動機構在運行、起動和制動階段的振動沖擊大大降低。有效達到了慢起動、慢就位的效果。

2.3 編碼器

自動平層是常用的一種控制方式，由于其屬于高端配置，在常規產品上并不多見。其原理是在吊籠或傳動小車上安裝一個絕對值型編碼器，編碼器的輸出軸端安裝一個尼龍齒輪，該齒輪與齒條嚙合，將吊籠運行時，編碼器便將其信號輸入到PLC內部進行處理。同時設計一個樓層設定裝置，進行各樓層高度標定和目標樓層的設定，其工作原理如下。

1）進行零點標定，如圖2所示，表示的是樓層設定裝置的面板，當吊籠在地面上時，點擊“OK”，作為零點標定。

圖2 零點標定

2）然后將吊籠上升至第二層，此過程編碼器隨之轉動，輸入信號隨之改變，點擊面板上的數字“2”，再點擊“OK”，此時二樓標定完畢，由于絕對值型編碼器具有定位功能，PLC內部程序會自動記錄此時編碼器對應的位置。

3）以此類推，依次每個樓層進行標定。面板上的數字為組合鍵，可以組合0～99個數字。

當該功能標定結束后即可正常使用。在觸摸屏上輸入目標樓層，如圖3所示，然后點擊“運行”，控制系統將驅動動力裝置運行到指定位置，如果在中途遇到緊急情況，駕駛員只要觸動一下手柄或者按下急停按鈕，控制器內的指令信息則自動消失且傳動機構停車，當再次運行時需要重新輸入目標樓層信息或者使用手動操作，保證了運行的安全性。同時，如果中途按下緊急停止按鈕，為了保障安全性，當急停復位后，當再次按下總啟動，原來輸入的自動平層信息自動取消，否則當急停按鈕復位再次啟動后，傳動機構會立即運行，不符合操作安全性。

圖3 自動平層運行界面

另外，當安裝籠頂操作盒后，籠內操作臺上的手柄及觸摸屏內的自動平層功能失靈，保證籠頂操作的優先權。

2.4 樓層呼叫器

該樓層呼叫器較常規產品增加RS485通訊，其功能是通過RS485通訊使樓層呼叫器與PLC進行通訊，再通過CAN總線使PLC與顯示器進行通訊，從而將樓層呼叫器接收到的信息在顯示器上顯示并通過語音播報器播放，使呼叫樓層信息可以直觀形象地展示給操作者。

2.5 語音播報模塊

本控制系統同時可以監控升降機上各個限位的實時狀態，如吊籠單開門限位、雙開門限位、天窗限位、上行限位、下行限位、減速限位和防墜落安全器限位等，將上述限位信號輸入至PLC內，當各限位不符合工作狀態時PLC便通過RS485通訊將信息發給語音模塊進行播報，同時通過CAN總線將信息發給觸摸屏進行顯示，控制系統失靈，動力裝置無法運行，直到排除故障為止。

2.6 超載保護器

該超載保護器較常規產品增加RS485通訊，其功能是通過RS485總線將銷軸傳感器的信號傳輸至PLC內部處理，然后再通過CAN總線輸出至顯示器進行顯示和播報，使操作者能清晰了解載重情況，當超載時系統會自動切斷吊籠運行信號，直到載重量降低到額定載重量以下。

2.7 樓層顯示裝置

該樓層顯示裝置安裝在底籠上，作用是實時顯示吊籠運行狀態，包括運行方向和所在樓層信息。其構成部分分為：顯示主機、發射器、接收器3個部分。發射器通過RS485通訊與PLC進行數據傳遞，PLC通過計算編碼器的輸入信號，將運行狀態與所到位置信息通過發射器傳送至顯示主機顯示出來。

3 主回路設計

新型控制系統主回路設計如圖4所示。

圖4 主回路設計

本控制系統使用變頻器驅動電動機作為動力裝置，變頻器選用安川品牌。根據設計要求，傳動機構為二傳動2×15kW電動機配套2個全齒輪減速機，其傳動為1∶14，全齒輪減速機雖然在起制動過程中沖擊較大，但其傳動效率一般可達到90%～92%，通過變頻器控制其調速效果頗佳。

根據控制要求，主電路部分選用變頻器控制電動機，每個電動機都有一個熱繼電器保護過電流。該控制系統具備低速、高速兩個速度，低速用于起制動或者安裝過程，高速用于正常運行。

變頻器上的控制端子KA1控制正轉，KA2控制反轉，KA3表示一速，KA7表示二速，當按下急停后，控制線路中的總啟動斷開的同時，急停的信號也輸入到變頻器內，變頻器會基極封鎖，立即停止輸出，保證了剎車及時性。

M1、M2表示剎車頻率的輸出，MA、MC表示變頻器故障信號輸出，兩個信號都輸入至PLC內進行處理。

4 輸入/輸出回路設計

將升降機運行過程中的各種輸入信號送入PLC中進行處理，最終與外圍線路構成完整的控制系統。輸入/輸出分配表如表1所示。編碼器、樓層顯示器、語音報警模塊、觸摸屏均連接在PLC上，與PLC進行連接和通訊。

表1 I/O分配表

編碼器將信號輸入至PLC內，PLC處理信號用以自動平層。語音報警模塊、樓層呼叫器通過RS485總線與PLC 進行通訊，觸摸屏通過CAN總線與PLC進行通訊。輸入端的各個限位信號輸入至PLC內，當出現故障時PLC便輸出相應動作，并且通過語音報警模塊進行播報，使駕駛員及時了解動態。

當各個限位在出現故障即沒有信號輸入PLC內時，手柄一旦動作，語音播報模塊便發出報警，例如，當吊籠單開門沒有關好，其限位沒有閉合，當手柄上升動作時，PLC沒有輸出，動力裝置隨之也沒有輸出，吊籠無法運行，同時發出“吊籠單開門沒有閉合”的語音提示，提醒駕駛員排除故障，直到故障解除了手柄方可恢復正常操作。

為提高自動化水平，同時實現良好的人機界面功能，采用觸摸屏裝置，可以在屏幕上設定控制參數，還能顯示實時數據，記錄工況統計等功能。

5 結 語

根據施工升降機的控制流程和控制要求，融合PLC及觸摸屏，編制了整個電路系統和PLC程序及觸摸屏程序，并進行了調試，利用PLC較為強大的功能，以及主流的控制思想和理念，融合物聯網，最終完成了施工升降機新型控制系統和傳動機構的設計并付諸實踐，并且進行了驗證，效果滿意。

但從完善角度考慮還是存在些許不足，比如系統可靠性方面、可操作性方面、遠程監控的實時性方面等。相信將來隨著系統的不斷完善，這些問題將會逐步得到解決。

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（編輯 賈澤輝）

［中圖分類號］TH211+.6

［文獻標識碼］B

［文章編號］1001-1366(2015)05-0028-03

［收稿日期］2015-04-17

Research of new type of transmission mechanism and electric control system of construction hoist