張強(qiáng) 趙事洋

摘要：通過(guò)對(duì)目前常用塔式起重機(jī)工作過(guò)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(jì)制造出塔式起重機(jī)電控實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，供教學(xué)與實(shí)訓(xùn)使用。

關(guān)鍵詞：塔式起重機(jī)；電控實(shí)訓(xùn)平臺(tái)；研究與開(kāi)發(fā)

1 前言

塔式起重機(jī)俗稱(chēng)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(huì)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(chǎng)需求量呈直線(xiàn)上升趨勢(shì)，這對(duì)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(lèi)故障的比例遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于機(jī)械類(lèi)故障，因此，有必要開(kāi)發(fā)出一套塔式起重機(jī)電控實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，用于塔機(jī)企業(yè)維修人員和電氣類(lèi)學(xué)生的教學(xué)與實(shí)訓(xùn)。

2 實(shí)施方案

塔式起重機(jī)電控實(shí)訓(xùn)平臺(tái)使用了真實(shí)塔機(jī)標(biāo)準(zhǔn)座椅及操作臺(tái)，配合模擬變頻電機(jī)、雙速變幅電機(jī)、真實(shí)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(dòng)臺(tái)、回轉(zhuǎn)變幅電控箱、電源及起升電控箱（ALFV）組成。

聯(lián)動(dòng)臺(tái)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(dòng)、緩沖、阻尼、聯(lián)動(dòng)、分動(dòng)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(zhuān)用控制器RCV對(duì)雙向可控硅（SKKT92-12）進(jìn)行控制實(shí)現(xiàn)調(diào)壓調(diào)速，同時(shí)對(duì)半控硅MFA40-8進(jìn)行控制實(shí)現(xiàn)調(diào)渦流調(diào)速，最終實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)的平滑無(wú)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(shí)現(xiàn)穩(wěn)定平穩(wěn)的吊裝。斷電時(shí)可以通過(guò)風(fēng)標(biāo)按鈕實(shí)現(xiàn)風(fēng)標(biāo)自動(dòng)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(dòng)，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(kāi)采用施耐德NSC160S3160空開(kāi)（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(cuò)相、過(guò)壓、欠壓保護(hù)功育eJ，主接觸器采用施耐德LC1D95E7C接觸器，線(xiàn)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(shí)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(xiǎn)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(kāi)、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(shí)為最高頻率設(shè)定值的士0.2%，數(shù)字設(shè)定時(shí)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(xiàn)速度、故障狀態(tài)、機(jī)電軸轉(zhuǎn)矩等28種功能。低振動(dòng)和低噪音采用新開(kāi)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(dòng)；采用了第三代IGBT，實(shí)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(shí)現(xiàn)電機(jī)失電后快速制動(dòng)，制動(dòng)時(shí)間小于0.25s，過(guò)載能力強(qiáng)，1min過(guò)載180%}3min過(guò)載150%，低速性能好，低速時(shí)轉(zhuǎn)矩平滑，無(wú)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(hào)YPEJ112M-4，扭矩95N}m，帶制動(dòng)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(guó)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(zhuān)用軟件，更是針對(duì)起重行業(yè)特點(diǎn)開(kāi)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(shí)際變頻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理、注意事項(xiàng)、變頻器實(shí)際操作技巧、常見(jiàn)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(shí)際操作技巧。

回轉(zhuǎn)采用雙向可控硅驅(qū)動(dòng)力矩電機(jī)，通過(guò)調(diào)壓、調(diào)渦流組成平滑無(wú)極調(diào)試系統(tǒng)，為目前國(guó)內(nèi)外中小型塔機(jī)廣泛應(yīng)用的控制方式。以真實(shí)控制系統(tǒng)與真實(shí)力矩電機(jī)相配合的方式，形象生動(dòng)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?dòng)畫(huà)面。變幅機(jī)構(gòu)采用的是小型塔機(jī)慣用的雙速電機(jī)直接啟動(dòng)的控制方式。

2.4 未來(lái)擴(kuò)展

起升機(jī)構(gòu)未來(lái)擴(kuò)展：可以加裝行程限位器（但是無(wú)法像實(shí)際一樣與機(jī)構(gòu)聯(lián)動(dòng)）、力矩限位器（真實(shí)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(méi)有實(shí)際鋼結(jié)構(gòu)，無(wú)法安裝，但可以采用模擬開(kāi)關(guān)或指示燈模擬演示）；制動(dòng)器確認(rèn)開(kāi)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(kāi)關(guān)模擬其功能；第二制動(dòng)器，無(wú)法模擬；起重量限制器，可以采用開(kāi)關(guān)模擬，但其功能演示時(shí)需人為按動(dòng)開(kāi)關(guān)配合；超速開(kāi)關(guān)，可以采用開(kāi)關(guān)模擬。

回轉(zhuǎn)行程限位器未來(lái)擴(kuò)展：可以采用實(shí)物開(kāi)關(guān)，但無(wú)法聯(lián)動(dòng)。變幅行程限位器及力矩限位器未來(lái)擴(kuò)展可以采用實(shí)物開(kāi)關(guān)。電子力矩顯示器（內(nèi)有黑匣子）未來(lái)擴(kuò)展，可獨(dú)立安裝。

起升、變幅為模擬電機(jī)，沒(méi)有卷筒，無(wú)法模擬實(shí)際塔機(jī)纏繞鋼絲繩及起吊重物的功能，回轉(zhuǎn)雖為真實(shí)電機(jī)，可直接應(yīng)用于實(shí)際產(chǎn)品，但是由于體積較大，恐無(wú)法安裝于未來(lái)鋼結(jié)構(gòu)模型上（如果要實(shí)現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)與機(jī)構(gòu)電控聯(lián)動(dòng)，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(dòng)滑輪布置位置，變幅小車(chē)，倍率，吊鉤等）。由于各機(jī)構(gòu)為模擬電機(jī)，與實(shí)際電機(jī)相比缺少制動(dòng)器。

3 教學(xué)與實(shí)訓(xùn)效果

應(yīng)用編程序控制器，對(duì)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)與制動(dòng)特性進(jìn)行科學(xué)的組合控制。繞線(xiàn)電動(dòng)機(jī)與渦流制動(dòng)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(dòng)、加速、運(yùn)行、減速、停止的順序，將電動(dòng)與制動(dòng)特性科學(xué)地組合起來(lái)，滿(mǎn)足塔機(jī)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的需求。

準(zhǔn)確設(shè)置動(dòng)作順序應(yīng)用口編程序控制器，口設(shè)置下列動(dòng)作：2個(gè)電動(dòng)機(jī)切換時(shí)，先斷電再通電；電動(dòng)機(jī)通電時(shí)，先通轉(zhuǎn)子后通定子；電動(dòng)機(jī)斷電時(shí)，先斷定子后斷轉(zhuǎn)子；回路接通時(shí)，先接通制動(dòng)器部分再接通電動(dòng)機(jī)部分；回路斷開(kāi)時(shí)，先斷開(kāi)電動(dòng)機(jī)部分再斷開(kāi)制動(dòng)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(kāi)與閉合互相}一擾，采用高精度延時(shí)繼電器完成電氣動(dòng)作切換。

智能化指令控制編程控制器具備對(duì)指令進(jìn)行判斷的功能，其將指令看成是一個(gè)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(lèi)及大小，滿(mǎn)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(wú)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(shí)現(xiàn)了控制指令智能化。根據(jù)拖動(dòng)對(duì)象的特點(diǎn)，對(duì)相關(guān)力矩進(jìn)行有效組合控制，實(shí)現(xiàn)停車(chē)準(zhǔn)確定位，使傳動(dòng)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(yǔ)

本設(shè)計(jì)產(chǎn)品由真實(shí)的駕駛聯(lián)動(dòng)臺(tái)、高清晰顯示終端和高比例塔式起重機(jī)模型組成。通過(guò)真實(shí)的駕駛聯(lián)動(dòng)臺(tái)，再現(xiàn)塔式起重機(jī)操作人員在操作過(guò)程中看到的情況，并通過(guò)高精度微縮模型的動(dòng)作實(shí)現(xiàn)與操作者實(shí)時(shí)互動(dòng)，讓操作人員產(chǎn)生身臨其境的感覺(jué)。受訓(xùn)人員先通過(guò)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(shí)地演練，適合對(duì)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(yáng)三洋建筑機(jī)械有限公司）