PT160塔機電氣控制系統設計

干凌峰，李鄭

（1．安徽三建工程有限公司，安徽 合肥 230000；2．安徽三建工程有限公司，安徽 合肥 230000）

0 引言

塔機是建筑工地上最常用的一種起重設備，以一節一節的接長（高）（簡稱“標準節”），用來吊施工用的鋼筋、木楞、混凝土、鋼管等施工的原材料。塔吊是工地上一種必不可少的設備，由金屬結構、工作機構和電控系統三部分組成。金屬結構包括塔身、起重臂、底座、附著桿等。工作機構有起升、變幅和回轉三部分。電控系統包括電動機、控制器、配電箱、連接線路、信號及照明裝置等。現階段塔機電控系統屬于傳統電路，布線復雜，不易于對系統進行修改，維護工作繁重，可靠性低，故障率高。

本文提供的塔機電控系統設計，是以PT160 塔機為實例，將電控系統分為三個層次，從上到下分別是位于決策層的遠程控制云平臺，位于控制層的HMI、PLC、工業網關和安全監控儀，位于驅動層的變頻器。通過現場總線及時準確的反饋實時數據，通過人機界面顯示塔機狀態、報警及故障情況。下面給出完整的塔機電控系統的設計和實現過程。

1 系統方案設計

塔機電氣控制系統的總體結構如圖1 所示。通過PLC 驅動三大機構變頻器對電機進行控制，實現三大機構的平穩運行。PLC 運行過程中不斷接收司機發出的輸入信號和限位報警信號，通過網關同步顯示在人機界面和服務器數據平臺。PLC 接收到相應信號后經過運算輸出控制命令給對應的變頻器驅動對應電機動作。

圖1 塔機電氣控制系統

整個塔機電氣控制系統，不僅可以讓塔機三大機構運行平穩可靠，實現蟻速運行、高速運行、零伺服功能、回轉防搖功能，還能實時反饋塔機狀態和報警信息到人機界面以及云平臺，使得塔機每次動作過程都可以追溯回看，起到塔機黑匣子功能。同時，在特殊情況下，還能利用無限網關連接PLC，從而修改或終止PLC 的程序，實現遠程運行維護和斷電功能。后期還將完善從平臺端遠程控制塔機自動運行，實現自動駕駛功能。

2 系統功能設計

2.1 電氣原理圖設計

設計中為完成對塔機三大機構的數據采集及控制，采用集成控制柜，利用變頻器控制和各種限位裝置信息采集的方式實現電控柜與三大機構的連接。電控柜輸出電壓加在變頻器上，變頻器得到相應控制信號驅動三大機構電機轉動，變頻器失去控制信號后停止對三大機構電機的驅動，三大機構電機重新恢復靜止狀態。要改變三大機構電機的運動方向，只需要給變頻器輸入相反的信號即可做到，以此實現對塔機的控制。三大機構電機通過減速機完成塔機的主鉤起降、大臂轉動以及小車變幅動作。操作中首先合上斷路器QF0，觀察駕配箱上面的電壓表指示；再合上電控柜內部的斷路器，按下聯動臺的啟動按鈕，電控柜內部總接觸器KM 吸合，聯動臺上的電源指示燈亮，確認三臺變頻器為面板啟停控制方式。

起升機構試車：在停機狀態，按下起升變頻器面板啟動按鈕，起升變頻器動作，塔機主鉤上升，HMI顯示主鉤實時數據，工業網關實時上傳塔機運行數據至云平臺，按下變頻器面板停止按鈕，主鉤上升速度減慢直至完全停止；更改變頻器輸出相序再按下起升變頻器面板啟動按鈕，起升變頻器動作，塔機主鉤下降，HMI 顯示主鉤實時數據，工業網關實時上傳塔機運行數據至云平臺，按下變頻器面板停止按鈕，主鉤下降速度減慢直至完全停止。

回轉機構試車：在停機狀態，按下回轉變頻器面板啟動按鈕，回轉變頻器動作，塔機大臂左轉，HMI 顯示大臂轉動實時數據，工業網關實時上傳塔機運行數據至云平臺，按下變頻器面板停止按鈕，大臂轉動速度減慢直至完全停止；更改變頻器輸出相序再按下回轉變頻器面板啟動按鈕，回轉變頻器動作，塔機大臂右轉，HMI 顯示大臂轉動實時數據，工業網關實時上傳塔機運行數據至云平臺，按下變頻器面板停止按鈕，大臂轉動速度減慢直至完全停止。

變幅機構試車：在停機狀態，按下變幅變頻器面板啟動按鈕，變幅變頻器動作，塔機小車向前移動，HMI顯示小車實時數據，工業網關實時上傳塔機運行數據至云平臺，按下變頻器面板停止按鈕，小車向前速度減慢直至完全停止；更改變頻器輸出相序再按下回轉變頻器面板啟動按鈕，變幅變頻器動作，塔機小車向后移動，HMI顯示小車實時數據，工業網關實時上傳塔機運行數據至云平臺，按下變頻器面板停止按鈕，小車向前速度減慢直至完全停止。

通過測試可以看出，控制系統可靠，設備運行平穩，所有動作均有跡可循，電氣原理圖設計（圖2-圖5）符合系統控制要求。

圖2 總控電路

圖3 起升電路

圖4 回轉電路

圖5 變幅回路

2.2 PLC控制系統設計

根據PLC的設計原則和本系統的實際要求，選擇了三菱公司的FX3U 系列。FX3U 系列PLC 具有功能強大、速度快、靈活性高等特點，其主要由電源模塊、中央處理模塊、接口模塊、信號模塊、功能模塊等組成。為了適配該系統，還外置一個FX2N-8EX 擴展輸入模塊以連接外部傳感裝置，如按鈕、操作手柄、行程限位、重量限位、力矩限位等，通過輸入模塊實現了外部傳感裝置與PLC 的通信。具體PLC 輸入輸出點位分配如表1所示。

表1 PLC輸入輸出點位分配表

PLC 程序調試：操作前將配電箱通電，用電腦將程序拷貝進PLC 里面，具體塔機三大機構動作控制如PLC 電路圖（圖6-圖7）所示。程序輸入之后，通過聯動臺操作手柄分別試驗起升、回轉、變幅三大機構動作。依次推動起升操作手柄一檔至五檔，PLC 輸入、輸出信號燈正常，中間繼電器動作正常，變頻器輸出頻率正常，電機工作正常；利用同樣方法觀察下降過程一切正常。依次推動左轉操作手柄一檔至五檔，PLC 輸入、輸出信號燈正常，中間繼電器動作正常，變頻器輸出頻率正常，電機工作正常；利用同樣方法觀察右轉過程一切正常。依次推動增幅操作手柄一檔至四檔，PLC 輸入、輸出信號燈正常，中間繼電器動作正常，變頻器輸出頻率正常，電機工作正常；利用同樣方法觀察減幅過程一切正常。

圖6 PLC電路1

圖7 PLC電路2

根據設計要求，檢查“急停”按鈕正常。試運行超過監控儀設置參數則會切斷相應動作，只能向相反方向運行。塔機起重力矩或起重量超過監控儀設置參數則會切斷主鉤向上以及小車增幅方向運動信號。

通過塔機試運行，發現控制程序高效、嚴謹，輸入輸出信號明確，符合系統控制要求。

2.3 人機界面設計

根據控制系統要求，本系統選擇的TPC1031Ki觸摸屏，硬件配置高，軟件性能強勁，是一套以嵌入式低功耗CPU 為核心（主頻800MHz）的高性能嵌入式一體化工控機，該產品設計采用了10．1 英寸高亮度TFT 液晶顯示屏（分辨率1024×600）、四線電阻式觸摸屏（分辨率1024×1024），同時預裝了MCGS 嵌入式組態軟件。MCGS工控軟件可以很好的滿足塔機三大機構的數據采集要求，從而較好的保證電氣控制系統的穩定性、實時性、確定性和安全性。

塔機電氣系統觸摸屏頁面設計由參數頁和報警頁兩部分組成，參數頁主要用于顯示塔機當前工作狀態；報警頁主要用于顯示系統發生故障或各限位報警情況，幫助塔機駕駛員作出正確處理。當系統出現故障時，界面會顯示相對應的故障和聲光報警。具體界面如圖8所示。

圖8 HMI界面顯示

人機界面系統是塔機駕駛員與塔機直接通信的主要途徑，是該電控系統的重要組成部分，本系統很好的將PLC 和觸摸屏結合起來，通過試運行操作，HMI界面相關運行參數顯示正常。

3 結語

本文介紹的PT160塔機電氣控制系統工作原理和具體軟硬件要求，從電氣原理圖設計、PLC 控制系統設計、觸摸屏監控軟件的組態、通信系統建立到人機界面設計等，給出一個完整的塔機電控系統的設計過程和實現過程。以PLC為控制中樞，采用監控觸摸屏對塔機進行同步工作監控，使駕駛員可以準確掌握塔機實時工作狀態，也為以后的無人駕駛提供了一種新思路。