CN102115012A - 塔式起重机控制系统及塔式起重机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种塔式起重机控制系统，包括用于驱动电机转动的逆变电路、用于接收操作指令信号和外围反馈信号并控制逆变电路的控制板、为所述逆变电路供电的直流母线回路以及用于将直流母线的电能转换为低压直流电的电源电路，其中所述逆变电路和电源电路的输入端分别连接到直流母线回路。本发明还揭露了一种采用上述控制系统的塔式起重机。本发明通过直流母线回路为电源电路供电从而为控制系统中的低压元件供电，从而节省了能源消耗。

Description

塔式起重机控制系统及塔式起重机

技术领域

本发明涉及起重机控制系统，更具体地说，涉及一种塔式起重机控制系统及塔式起重机。

背景技术

通常起重机包括塔身11、转臂12、操纵室13、配重块14以及主钩15，如图1所示。该起重机通过提升控制实现主钩15的垂向运动、通过变幅控制实现主钩15的水平运动、通过回转控制实现转臂12绕塔身11转动。通过上述三种控制，起重机实现了主钩15的立体三维运行，从而可以将重物搬运到指定位置。

随着变频器技术的不断成熟，起重机控制系统越来越多的采用变频控制技术，即通过变频器实现起重机的提升控制、变幅控制以及回转控制。这种系统具有节能、控制过程平稳、机械结构简单等特点。为了实现这三维的变频控制，起重机使用3个变频器来分别驱动每个方向的控制电机，如图2所示。可编程逻辑控制器(以下简称PLC)21将起重机的提升、变幅、回转三种控制逻辑集中在一起，其收集起重机的操作命令、起重机位置信号等，根据内部逻辑形成提升用变频器22、回转用变频器23以及变幅用变频器24的控制指令，实现电机25、26、27的运转，从而完成起重机的提升、回转、变幅控制。

在上述变频控制系统中，提升用变频器22、回转用变频器23以及变幅用变频器24在控制电机25、26、27运转的过程中，会产生一部分再生能源。例如起重机将重物放下时，重物的势能转化为电能向电机25回馈能量，即发电运行；重物上升过程中需要电机25拖动负载做功，电机25从电网中消耗电能，即电动运行。

发电运行所产生的能量通过电机和变频器转化为变频器直流母线(P、N之间)上的直流电能。这些能量被临时存储在变频器直流回路的电容中，随着起重机工作时间的持续，电容中的电能和电压越来越高，导致过压故障，使起重机停止工作。目前，起重机为了避免过压故障，通常在直流母线上增加能耗制动部分，通过制动单元将这部分能量以发热的方式消耗的制动电阻上(R1、R2、R3)。

另一方面，上述控制系统不易实现现场维护、产品归档记录等规范化管理。PLC 21的程序需由熟悉起重机控制的专业技术人员来编写，而且根据不同的使用场合、起重机类型等需进行现场程序更改。因此，该控制系统对调试维护人员有一定技术要求，人员成本高；每次现场更改程序软件，完全依赖人员的经验、水平，如果修改不当，存在安全隐患。

此外，PLC 21集中了所有控制线路，PLC 21与变频器22、23、24之间往往具有多根连线，PLC 21通过这些连线传递命令给变频器22、23、24。这种连接方式，他们之间的交互信息很少，控制逻辑无法识别出变频器的运行电流、运行速度等信息，因此只有在发生变频器故障后，起重机的控制逻辑才能停止工作，存在潜在危险。这些接线也增加了对电气接线人员的要求，为系统布线带来麻烦。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对上述起重机控制系统将再生能源消耗在制动电阻上从而造成能源浪费以及三个变频器的控制逻辑集中在单一的可编程逻辑控制器而导致连接复杂、系统体积大、维护成本高的的问题，提供一种塔式起重机控制系统及塔式起重机。

本发明解决上述技术问题的技术方案是，提供一种塔式起重机控制系统，包括用于驱动至少两个电机转动的至少两个逆变电路、用于接收操作指令信号和外围反馈信号并控制逆变电路的控制板、为所述逆变电路供电的直流母线回路以及用于将直流母线的电能转换为低压直流电的电源电路，其中所述逆变电路和电源电路的输入端分别连接到直流母线回路，所述电源电路为所述控制板及其他低压场所供电。

在本发明所述的塔式起重机控制系统中，所述逆变电路包括输出端分别连接到提升电机、变幅电机和回转电机的提升逆变电路、变幅逆变电路和回转逆变电路。

在本发明所述的塔式起重机控制系统中，每一所述逆变电路包括逆变控制单元和逆变处理单元，其中所述逆变处理单元用于实现电流转换，所述逆变控制单元用于控制所述逆变处理单元的电流转换以实现电机驱动和电能回馈。

在本发明所述的塔式起重机控制系统中，还包括整流电路、直流储能电路及制动单元，所述整流电路的输入端连接电网、输出端连接到所述直流母线回路，所述制动单元的输入端连接到所属直流母线回路，所述直流储能电路用于储存所述直流母线回路上的电能。

在本发明所述的塔式起重机控制系统中，所述控制板包括模拟量输入端子、数字量输入端子、数字量输出端子、逻辑处理单元、操作器接口以及通讯接口，所述逻辑处理单元采集各输入端子的输入信号并将根据上述输入信号生成的控制信号通过数字量端子或者通讯接口输出到对应逆变模块，以控制电机运行。

本发明还提供一种塔式起重机，包括塔身、转臂及控制系统，所述控制系统包括用于驱动至少两个电机转动的至少两个逆变电路、用于接收操作指令信号和外围反馈信号并控制逆变电路的控制板、为所述逆变电路供电的直流母线回路以及用于将直流母线的电能转换为低压直流电的电源电路，其中所述逆变电路和电源电路的输入端分别连接到直流母线回路，所述电源电路为所述控制板及其他低压场所供电。

在本发明所述的塔式起重机中，所述逆变电路包括输出端分别连接到提升电机、变幅电机和回转电机的提升逆变电路、变幅逆变电路和回转逆变电路。

在本发明所述的塔式起重机中，每一所述逆变电路包括逆变控制单元和逆变处理单元，其中所述逆变处理单元用于实现电流转换，所述逆变控制单元用于控制所述逆变处理单元的电流转换以实现电机驱动和电能回馈。

在本发明所述的塔式起重机中，还包括整流电路、直流储能电路及制动单元，所述整流电路的输入端连接电网、输出端连接到所述直流母线回路，所述制动单元的输入端连接到所属直流母线回路，所述直流储能电路用于储存所述直流母线回路上的电能。

在本发明所述的塔式起重机中，所述控制板包括模拟量输入端子、数字量输入端子、数字量输出端子、逻辑处理单元、操作器接口以及通讯接口，所述逻辑处理单元采集各输入端子的输入信号并将根据上述输入信号生成的控制信号通过数字量端子或者通讯接口输出到对应逆变模块，以控制电机运行。

本发明的塔式起重机控制系统及起重机具有以下有益效果：提升、变幅、回转逆变模块共用直流母线回路能够充分利用提升、变幅、回转电机在发电运行时所产生的能量供其他处于电动运行状态的电机使用，最大程度降低能耗。同时，在提升、变幅、回转电机均处于电动运行状态时，可通过一个整流电路在直流母线回路上实现直流电压共享，有效的降低了成本。除此之外，通过直流母线回路为电源电路供电从而为控制系统中的低压元件供电，也降低了能源消耗。

在本发明中，实现了制动单元的共享，整个直流母线回路未被吸收的多余再生能量可通过一个制动电阻消耗掉。整个塔式起重机控制系统实现了逻辑与变频控制一体化，调试方便，性能更加优越。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是现有塔式起重机的结构示意图；

图2是图1中塔式起重机控制系统的结构示意图；

图3是本发明塔式起重机控制系统实施例的示意图；

图4是图3中控制板的结构示意图；

图5是图4中逻辑处理单元的功能模块图；

图6是图3中逆变器的功能模块图。

具体实施方式

本发明的塔式起重机控制系统及起重机通过共直流母线的方式实现电机发电运行时所产生回馈能量的共享，有效的降低能量消耗，实现制动单元共享。同时，对直流母线回路中的电能进行转换，还可为控制系统中的控制板及其他低压场所供电。整个塔式起重机控制系统实现了逻辑与变频控制一体化，调试方便，性能更加优越。

如图3所示，是本发明的塔式起重机控制系统实施例的结构示意图。在本实施例中，该塔式起重机控制系统包括控制板31、整流电路32、直流储能电路33、电源电路34、直流母线回路35、提升逆变电路36、变幅逆变电路37、回转逆变电路38、制动单元39以及分别用于使吊装的货物提升、变幅、以及回转的提升电机310、变幅电机311以及回转电机312。

在本实施例中，控制板31是整个控制系统的核心，其内置专业逻辑模式，可通过功能码的方式(或者软件变更的方式)灵活调整运行逻辑，实现功能选择，从而控制起重机的整个工作过程。具体地，该控制板31根据接收到的操作指令和外围信号实现相应动作的控制逻辑以及电机驱动，使得逻辑控制与变频器控制结合为一体，避免了控制逻辑与变频器之间的接线，消除了原有系统中的安全隐患。

上述整流电路32以电网380V交流电压作为输入端，从而将电网电能经过整流后输出到直流母线回路35。直流储能电路33和电源电路34与直流母线(P、N)回路35相连。直流储能电路33用于储存直流母线回路上由电机发电运行产生的部分能量并在电机电动运行时通过直流母线回路35为电机供电。电源电路34用于将直流母线回路上的直流电压转换成低电压工作场所(例如控制板)所需的各种工作电压(如24V)。

上述提升电机310、变幅电机311以及回转电机312分别由提升逆变电路36、变幅逆变电路37、回转逆变电路38控制运行，其中提升逆变电路36的输出端连接到提升电机310的输入端，变幅逆变电路37的输出端连接到变幅电机311的输入端，回转逆变电路38的输出端连接到回转电机312的输入端。上述提升逆变电路36、变幅逆变电路37、回转逆变电路38的输入端连接到直流母线回路35，通过共享直流母线回路实现能量共享。

上述直流母线回路35与整流电路32、直流储能电路33、电源电路34、各逆变电路以及制动单元39相连，直流母线回路35可从整流电路32、逆变电路、直流储能电路33中获取能量，也可给逆变电路、直流储能电路33、电源电路34提供能量，并将未被吸收的多余再生能量提供给制动单元39以热能形式消耗。

通过直流母线回路共享，控制系统的整体能耗(电动能耗-发电能耗)可通过直流母线回路得到均衡，从而有效地减少整流电路32提供的电流，提高整流电路32的部分功率器件的降额，使其延长使用寿命。

具体地说，当与提升逆变电路36、变幅逆变电路37、回转逆变电路38连接的全部或部分电机处于发电运行状态时，将产生的电能回馈到直流母线回路35，这些回馈的再生能源可被其他处于电动运行状态的电机吸收掉，未被吸取的再生能量将被与直流母线回路35相连的直流储能电路33和制动单元39吸收。当全部电机均处于电动运行时，电网电压经整流电路32输出到直流母线回路35，直流母线回路35从电网中吸取所需能量或者从直流储能电路33中获得部分能量供电机驱动运行。

共享直流母线回路35不仅实现能量的合理利用，还可实现制动单元39共享，节约成本。

如图4所示，是图3中控制板31的硬件结构示意图，该控制板包括模拟量输入端子AI、数字量输入端子DI、数字量输出端子DO、时钟电路、逻辑处理单元、存储单元、操作器接口以及通讯接口。

具体地说，逻辑处理单元是整个控制板的核心电路。它采集控制板31各输入端子的输入信号，包括模拟量输入信号AI、数字量输入信号DI和操作器输入信号，逻辑处理单元根据上述输入信号进行内部逻辑控制处理，并通过数字量输出端子DO或者通讯接口输出对应控制信号到提升、变幅、回转逆变模块，以控制各电机运行。存储单元用于存储起重机的功能码参数，可通过控制板31上的操作器接口，在操作器上显示存储的相关功能码和参数。此外，也可通过该操作器完成起重机逻辑控制、起重机指令调度、电机控制等功能参数设置与调试等。通过操作器来完成塔式起重机控制系统的参数设置与调试，缩短调试时间，降低了对调试人员的技能要求。

如图5所示，是上述控制板31上的逻辑处理单元实施例的结构示意图。该逻辑处理单元包括输入输出处理子单元、操作器处理子单元、提升逻辑处理子单元、回转逻辑处理子单元以及变幅逻辑处理子单元。输入输出处理子单元主要通过操作器接口、通讯接口、模拟量输入端子AI和数字量输入端子接收操作指令和外围反馈信号，并根据内部逻辑判断作出相应的输出；提升逻辑处理子单元、变幅逻辑处理子单元以及回转逻辑处理子单元主要根据接收的输入信号经内部逻辑处理向提升逆变电路、变幅逆变电路和回转逆变电路发送控制信号，以控制相应提升电机、变幅电机以及回转电机的运行。

在本发明专利所述的塔式起重机控制系统中，提升逆变电路、变幅逆变电路和回转逆变电路中的每一个逆变电路都包括逆变控制单元和逆变处理单元，如图6所示。直流母线回路35的P、N端子与逆变处理单元相连作为逆变电路的输入电源，电源电路34作为逆变处理单元的驱动电源，逆变控制单元用于根据逻辑处理子单元、变幅逻辑处理子单元以及回转逻辑处理子单元的控制信号控制逆变处理单元的输出U、V、W，从而控制提升电机、变幅电机、回转电机的运行状态。

上述控制系统可应用于现有的的塔式起重机中，从而实现起重机的提升、变幅以及回转控制。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种塔式起重机控制系统，其特征在于，包括用于驱动至少两个电机转动的至少两个逆变电路、用于接收操作指令信号和外围反馈信号并控制逆变电路的控制板、为所述逆变电路供电的直流母线回路以及用于将直流母线的电能转换为低压直流电的电源电路，其中所述逆变电路和电源电路的输入端分别连接到直流母线回路，所述电源电路分别为所述控制板及其他低压场所供电。

2.根据权利要求1所述的塔式起重机控制系统，其特征在于，所述逆变电路包括输出端分别连接到提升电机、变幅电机和回转电机的提升逆变电路、变幅逆变电路和回转逆变电路。

3.根据权利要求2所述的塔式起重机控制系统，其特征在于，每一所述逆变电路包括逆变控制单元和逆变处理单元，其中所述逆变处理单元用于实现电流转换，所述逆变控制单元用于控制所述逆变处理单元的电流转换以实现电机驱动和电能回馈。

4.根据权利要求1所述的塔式起重机控制系统，其特征在于，还包括整流电路、直流储能电路及制动单元，所述整流电路的输入端连接电网、输出端连接到所述直流母线回路，所述制动单元的输入端连接到所属直流母线回路，所述直流储能电路用于储存所述直流母线回路上的电能。

5.根据权利要求1所述的塔式起重机控制系统，其特征在于，所述控制板包括模拟量输入端子、数字量输入端子、数字量输出端子、逻辑处理单元、操作器接口以及通讯接口，所述逻辑处理单元采集各输入端子的输入信号并将根据上述输入信号生成的控制信号通过数字量端子或者通讯接口输出到对应逆变模块，以控制电机运行。

6.一种塔式起重机，包括塔身、转臂及控制系统，其特征在于，所述控制系统包括用于驱动至少两个电机转动的至少两个逆变电路、用于接收操作指令信号和外围反馈信号并控制逆变电路的控制板、为所述逆变电路供电的直流母线回路以及用于将直流母线的电能转换为低压直流电的电源电路，其中所述逆变电路和电源电路的输入端分别连接到直流母线回路，所述电源电路分别为所述控制板及其他低压场所供电。

7.根据权利要求6所述的塔式起重机，其特征在于，所述逆变电路包括输出端分别连接到提升电机、变幅电机和回转电机的提升逆变电路、变幅逆变电路和回转逆变电路。

8.根据权利要求7所述的塔式起重机，其特征在于，每一所述逆变电路包括逆变控制单元和逆变处理单元，其中所述逆变处理单元用于实现电流转换，所述逆变控制单元用于控制所述逆变处理单元的电流转换以实现电机驱动和电能回馈。

9.根据权利要求6所述的塔式起重机，其特征在于，还包括整流电路、直流储能电路及制动单元，所述整流电路的输入端连接电网、输出端连接到所述直流母线回路，所述制动单元的输入端连接到所属直流母线回路，所述直流储能电路用于储存所述直流母线回路上的电能。

10.根据权利要求6所述的塔式起重机，其特征在于，所述控制板包括模拟量输入端子、数字量输入端子、数字量输出端子、逻辑处理单元、操作器接口以及通讯接口，所述逻辑处理单元采集各输入端子的输入信号并将根据上述输入信号生成的控制信号通过数字量端子或者通讯接口输出到对应逆变模块，以控制电机运行。

Images