基于PLC和變頻器的塔式起重機控制系統(tǒng)設計

高培暢

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

關鍵詞：變頻器；PLC；塔式起重機

1 概述

塔吊的組成部件眾多，但在這其中，電動機對于系統(tǒng)的作用是最重要的，因為它是機械系統(tǒng)的主要驅(qū)動元件，是將電能轉(zhuǎn)換為生產(chǎn)所需的機械能的主要裝置。電機良好的電氣性能能夠改善機械系統(tǒng)的性能，提高系統(tǒng)的可靠性，降低故障可能性，從而降低維護成本。

塔式起重機的電氣執(zhí)行機構構成需要至少進行三個方向的控制，分別是垂直方向的起升機構、水平方向小車進退的變幅機構以及吊臂旋轉(zhuǎn)的回轉(zhuǎn)機構。

所以此次設計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，只是我們進行的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)線性平滑度要求較低。同時速度轉(zhuǎn)速傳感器可以配合變頻器進行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機驅(qū)動設備，屬于通用型矢量變頻器，基于三線交流異步電動機穩(wěn)態(tài)數(shù)學模型的控制方式，其核心是通過協(xié)調(diào)控制電壓和頻率，最大程度保證電動機氣隙磁通穩(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、可編程多點設定V/f 控制、磁通電流控制等。此外，還有矢量控制功能。

3 方案的設計

3.1 塔式起重機的運行控制要求

塔式起重機的主要作用是物料的提升和下放，主要應用于建筑行業(yè)中的設備，屬于循環(huán)、間隙運動的機械。總體的功能要求：

（1）起升機構

吊鉤的升降機構的工作狀態(tài)分為空載和輕載、重載兩類。

（2）變幅機構

小車的變幅機構進行的是小車在塔臂進行的進退運動，前臂尖端和末端皆安裝有限位開關。它也能夠通過變頻器對電機進行速度控制，由于類似回轉(zhuǎn)機構具有一定的慣性沖擊，起動和制動不能過快。

（3）回轉(zhuǎn)機構

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

3.2 塔式起重機電氣控制系統(tǒng)的設計分析

針對上面提到的控制要求，獲得的起重機的電氣控制系統(tǒng)分層結構。分層結圖2。

根據(jù)控制要求初步設計了對應的實物的系統(tǒng)總框圖，如圖3所示。結合設計控制要求，從圖中我們可以看出，整個系統(tǒng)的結構其實是多并聯(lián)回路的控制系統(tǒng)。PLC控制器作為整個系統(tǒng)的上位機，主要職能是接受傳感器采集的信號并進行處理運算，然后發(fā)出指令，主要是給下位機（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PLC最基礎的作用是進行邏輯控制，即作為軟開關進行繼電器的通斷控制，實現(xiàn)各機構的工作狀態(tài)的切換。

PLC控制器的下位機是變頻器和若干的傳感器。變頻器是整個系統(tǒng)驅(qū)動電動機的設備，它能夠?qū)崿F(xiàn)電動機的矢量控制。

本系統(tǒng)使用的主要傳感器為旋轉(zhuǎn)編碼器和限位開關。在實際的系統(tǒng)中，結構圖中的PG卡（脈沖發(fā)生器，Pulse Generator）是配合旋轉(zhuǎn)編碼器完成電動機轉(zhuǎn)速采集的選件，它可以將不同輸出形式的編碼器信號進行轉(zhuǎn)換、隔離，輸出可以適配控制器的信號，以達到矢量變頻控制。主要實現(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 結束語

本次設計主要是實現(xiàn)PLC與變頻器結合的塔吊電氣控制系統(tǒng)的設計，以了解現(xiàn)代自動塔吊系統(tǒng)的發(fā)展方向和控制系統(tǒng)中的可改進之處，同時也是設計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)可以更加精確地進行控制，結合現(xiàn)代自動控制理論，功能更加完善，操縱性也更強。

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

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