塔式起重机起升机构调速控制系统 一、技术领域
本发明涉及塔式起重机的起升机构调速控制。
二、背景技术
起升机构是塔式起重机最重要的传动机构，其调速方式的优劣直接影响整机性能。目前传统的调速方式不能实现重载低速、轻载高速，而且调速范围小。起升机构调速方式选择原则有三个：首先要平稳，冲击小；其次要经济可靠，符合国情；三是要便于维修。常用传统的塔式起重机调速方法有如下几种：一是绕线异步电动机转子串电阻调速、晶闸管定子调压调速和串级调速；二是电磁离合器换档的减速器加带涡流制动的单速绕线转子电机；三是普通减速器加带涡流制动的多速绕线转子电机；四是差动星减速器加双电机。它们共同的特点是传动性能差，可靠性差，增加能耗，增加维修成本，而且都是采用单制动形式。单制动的优点是结构简单，安装、调试、维修方便；其缺点，也是最主要的致命点，就是当制动器失灵、电机轴或减速机轴损坏、制动器摩擦片磨损等制动装置失效后，没有其他保护措施使提升装置制动，由此原因导致的事故已屡见不鲜。
三、发明内容
为了克服以上现有技术的不足，本发明使用PLC变频调速技术，通过PLC对变频器的控制，实现对塔机起升机构灵活、可靠地调速。
本发明采用的技术方案是：由PLC通过变频器控制塔式起重机的起升机构，将塔式起重机起升及下降的各档开关量输入PLC，PLC输出连接变频器，变频器输出连接起升电机；PLC程序设计完成起升变频器给出定信号和外围信号的逻辑运算、制动器的控制和各种故障信号的逻辑判断及报警。
控制杆的开关连接到PLC的输入端子(X0～X5)，限位开关连接到PLC的输入端子(X8～XC)，变频器的控制信号连接到PLC的输入端子(XD～XF)，复位按钮开关连接到PLC的输入端子(X6)，主接触器辅助触点接到PLC的输入端子(X7)上，制动器确认开关与夹钳压力开关接到PLC的输入端子(X10、X11)上。
PLC的输出接到变频器的输入端子(S1～S8)上，PLC的输出端还接在制动器接触器的线圈(LFa)、蜂鸣器线圈(BZ)和夹钳制动器的继电器线圈(CXT、CXD)上；制动器接触器(LFa)接到制动器的电机(LFaM)上，夹钳制动器的继电器(CXD)接夹钳制动器电机(HYM)，(CXT)接夹钳制动器的电磁阀(HEVt)。
电源通过主接触器(KM)及电抗器(React1)连接到变频器的电源输入端(R\S\T)，同时电源分别接到制动器接触器的主触点(LFa-1.3.5)、风机(LVeM)、夹钳电机接触器的主触点(CXD-1.3.5)、夹钳压力开关的接触器(CXT-11.21)上。变频器输出端子(U\V\W)通过输出电抗器(RT)接到电机(LM)上，变频器的直流输出端子通过制动单元(BU)接到制动电阻(RL)上，变频器编码接入端子直接接到电机尾端所配带的编码器(PG)上。
通电后，首先X7、X8、X9、XA、XB、XC等限位开关闭合；
液压夹钳正常的情况下，YA、YB闭合，液压夹钳电机工作，液压夹钳打开，当压力达到14MPa时，X10闭合，然后YB断电，液压夹处于保压状态。当压力低于13MPa时，X10断开，此时YB接通，液压夹钳电机工作，继续给夹钳加压。如此反复，一直到停机或是出现故障时，液压夹钳才断电制动。
当起落钩由于意外而失去制动作用时，电机在重物的作用下出现溜钩，而此时通过电机配带的编码器(PG)产生信号，此信号通过变频器所配带的编码译码装置(PG-X2卡)，反馈给变频器，此时通过变频器内部的计算，发出一个开关时信号给PLC的XF端子，PLC根据此信号，再通过PLC内部所编写的程序，由PLC发出一个停机信号给夹钳制动器，夹钳制动器将卷筒制动住，防止意外的发生。此时自动切断起升与下降的动作，需人员检查方可继续操作。如果人员不去检查，而是断电重新启动变频器，此时变频器会继续检出信号，而再一次将起升制动住，如此反复，直到维修人员将有问题的部件修复为止，避免安全事故的发生。
PLC首先向变频器发出运行控制信号(Y1正转、Y2反转)，变频器接收到运行信号后开始启动，当变频器输出电流、输出转矩、输出频率三个量都达到设定值时，变频器出开闸信号Y8闭合，机械抱闸接着打开抱闸，电机开始启动。
根据生产要求，通过改变PLC控制器的速度变化信号输出点(Y4、Y5、Y6)和变频器在各段的频率设定值来改变上升或下降的运行速度，从而改变吊车的运行周期，以适应各种不同建筑的生产工艺要求。
为确保在生产过程及调试检修时的安全，在PLC中设置了PLC故障、变频器故障等报警信号(Y2、Y7)。只有无故障时，才能开始启动系统，并正常工作。否则，系统会发出故障报警信号，提醒维修人员解除故障。
本发明采用先进的PLC变频调速技术对塔式起重机电力拖动系统进行技术改造，使起重机起升机构实现平稳操作，提高运行效率，改善超负荷作业，消除起制动冲击，减少电气维护，降低电能消耗，提高功率因数等均可取得良好实效。同时还具有过电流、过电压、欠电压和输入缺相保护，以及变频器超温、超载、超速、制动单元过热、I/O故障保护、电动机故障保护等。
1)调速范围宽，可实现有精确控制定位要求的作业；
2)软启动、软停止的功能降低了机械传动冲击，可明显改善钢结构的承载性能，延长了起重机地使用寿命；
3)高集成度组件及高可靠性低压电器，有效解决原电气系统接线复杂问题，不仅降低了系统故障机率，而且易维护；
4)电动机在零速时，能全力矩输出，即使制动器松动或失灵时，也不会出现重物下滑，确保系统安全可靠；
5)具有快速的动态响应，不会出现溜钩并真正实现“零速交叉”功能；
6)专用负荷重量测控仪并配以相应软件，起升速度可随负荷重量变化自动切换，实现“轻载快速，重载慢速”的作业要求；
7)系统所用变频器，具有自动节能操作模式，能提高系统的功率因数和整机工作效率，节能效果显著，平均节电率可达20％以上；
8)当第一制动器失去作用时，第二制动器工作，直接使卷筒停止，两套制动系统实现机构的双重保护。
四、附图说明
图1为本发明的电路原理图；
图2为本发明的塔机起升机构的结构示意图；
图3为图2的左视图；
图4为图2的俯视图。
图5为本发明PLC编程的梯形图。
五、具体实施方式
塔式起重机的起升机构具有双制动机构(如图2、图3、图4)，起升机构包括卷筒1、减速机2、联轴器4、电机5以及底架7，在联轴器4处安装有第一制动器——液力推杆制动器3，在底架7上对应卷筒1的外侧安装有第二制动器——液压钳式制动装置8，在卷筒1的轴头安装有限位器6。当第一制动器失去作用时，第二制动器工作，直接使卷筒停止，两套制动系统实现机构的双重保护。
塔式起重机起升机构的变频调速传动方案采用一台变频器带一台电动机的“一拖一”方案，变频器选用直接转矩控制型提升机专用变频器，为了提高低速传动时的动态特性和高转矩输出能力，电动机采用带脉冲编码器的速度闭环控制。起升机构的驱动变频器采用起重机专用变频器，变频器的速度给定来自于PLC输出触点。PLC主要完成起升机构变频器的给定指令和变频调速系统的各种保护信号的逻辑控制，I/O点数共需用25点。实施方式PLC选用日本松下FP1-C40。此PLC为输入24点，输出16点的，完全适用于本发明的控制要求。其特点是体积小、功能多、良好的性价比、可拆卸端子便于维护。
确定PLC控制器的信号输出点，图1中的Y0到Y7点，即正转、反转、故障复位、多速段一、多速段二、多速段三、外部故障等信号输出点。相应的信号传送给变频器，变频器根据这些信号改变频率来实现上升或下降过程中速度变化的过程。
PLC首先向变频器发出运行控制信号(图1中的Y1正转、Y2反转)，变频器接收到运行信号后开始启动，当变频器输出电流、输出转矩、输出频率三个量都达到设定值时，变频器输出开闸信号Y8闭合，机械抱闸接着打开抱闸，电机开始启动。
根据生产要求，通过改变PLC控制器的速度变化信号输出点和变频器在各段的频率设定值来改变上升或下降的运行速度，从而改变吊车的运行周期，以适应各种不同建筑的生产工艺要求。
为确保在生产过程及调试检修时的安全，在PLC中设置了PLC故障、变频器故障等报警信号。只有无故障时，才能开始启动系统，并正常工作。否则，系统会发出故障报警信号，提醒维修人员解除故障。
PLC的程序设计是整个系统设计的关键环节，在PLC程序设计中，可采用梯形图进行编程。具有形象、直观、易懂好记的特点。设计梯形图时，可根据已知的继电器控制电路直接改画成梯形图，或是根据控制要求重新设计梯形图。根据控制系统的要求，对被控制对象的工作过程、功能和特性进行深入分析，确定控制系统需要的输入、输出点数量，确定内部辅助继电器、定时器、计数器等参数，编写绘制PLC程序。