CN103043534A - 一种塔机起升调速控制系统及其调速控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种塔机起升调速控制系统，包括PLC，PLC同时与操作手柄、变频器、吊重传感器分别连接，变频器与电机、测速编码器连接构成一个闭合回路，电机通过减速箱与卷筒连接，吊重传感器通过检测钢绳张力检测吊重。本发明还公开了一种塔机起升调速控制方法，采用PLC控制变频器调速，实现分档与无级调速组合，工作过程中，PLC实时获取手柄信号、吊重信号，并通过485总线获取电机电流，根据上述系统状态确定起升调速模式。本发明装置及方法，将塔机实际运行速度在各档位最高速度限制下进行调速，避免了司机对速度的不可预测性，采用PLC实现电流的闭环控制，保证了速度的平稳性。

Description

一种塔机起升调速控制系统及其调速控制方法

技术领域

本发明属于塔机起升自动控制技术领域，涉及一种塔机起升调速控制系统，本发明还涉及一种塔机起升调速控制方法。

背景技术

塔式起重机（亦称塔机）是建设房屋和桥梁的主要运输作业工具。塔式起重机的起升机构是为塔机吊载行为提供动力的传动装置，该装置主要由电机、减速箱、卷筒、以及起升控制系统等构成。由于塔机起升功率大、运行速度快，在变速过程中产生的机械冲击比较大。因此，对塔机起升调速控制主要要求是：起/停运行以及调速过渡平稳，不溜钩、调速范围宽，实现重载低速、轻载高速，经济可靠，效率高。

常见的塔机起升调速控制采用力矩电机分级调速，这种方式是通过吊重控制电机速度，从而实现重载低速、轻载高速，以提高效率。目前，塔机起升机构常用的调速技术层次比较分明，在6~8吨塔机上主要使用多速电机变极调速，8~12吨塔机使用较多的是普通减速器加带涡流制动的绕线转子电机，再大一些的塔机使用较多的则是变频技术，也有一部分使用法国波坦的RCS机构。这些调速机构普遍存在着调速范围小、速度稳定性差，调速过程电机切换存在冲击等缺点，无法长时间低速下降载荷，且可靠性低、维护量大、能耗高。

目前，随着大型塔机的广泛应用，塔机起升越来越多的采用变频调速技术，变频调速具有较完美的机械特性，其良好的起制动性能实现了塔机起升吊钩的快速、准确定位，从而大大提高了作业效率，彻底避免了绕线式电机起制动速度无法精确控制的缺点。

然而，目前塔机起升变频控制，主要采用速度控制模式，塔机起升一般分5档速度，控制系统根据联动台主令开关以及正/反、停止指令控制变频器的输出频率。中频变频器设定的最高输出频率为100Hz，电机在0～50Hz范围内是恒转矩输出，在50～100Hz范围内是恒功率输出。在塔机变频的速度控制模式中，为了避免电机超载，同时实现轻载高速，塔机起升控制系统中设置了3个起重量限制开关,分别是0.3Qmax、0.5Qmax和1.05Qmax限制（其中Qmax为塔机最大起重量）。当电机运行在高频段时，由于高频损耗，电机的输出功率会随频率升高而迅速衰减，设置0.3Qmax限制开关来限定第5挡的实际起重量。在上述力限制控制模式下，虽然保护了电机，但没有充分发挥电机的功率，不利于提高系统效率。

发明内容

本发明的目的是提供一种塔机起升调速控制系统，解决了现有技术没有充分发挥电机的功率，不能显著提高系统效率的问题。

本发明的另一目的是提供一种塔机起升调速控制方法。

本发明所采用的技术方案是，一种塔机起升调速控制系统，包括PLC，PLC同时与操作手柄、变频器、吊重传感器分别连接，变频器与电机、测速编码器连接构成一个闭合回路，电机通过减速箱与卷筒连接。

本发明所采用的另一技术方案是，一种塔机起升调速控制方法，该方法利用上述的塔机起升调速控制系统，按照以下步骤实施：

第一步：在PLC1中设置塔机最大吊重Q_max，电机的最大允许电流I_max以及塔机各个档速的允许输出频率；

第二步：根据当前吊重以及操作手柄的档位判断速度控制方式；

当前吊重Q大于塔机的额定吊重Q_max，PLC将不会启动变频器的输出；

当前吊重Q小于0.3Q_max，PLC将根据操作手柄的档位直接设置变频器的输出频率，塔机当前转速完全取决于操作手柄的档位；

如果当前吊重在0.3Q_max≤Q≤1.05Q_max，PLC进入分级+无级组合调速过程，此时，先根据操作手柄的档位以及当前吊重确定当前塔机的允许档位，然后，直接设置变频器的输出频率低一档；

第三步：系统进入转速自适应过程，PLC将通过485总线实时监测电机的当前电流i，如果i＜I_max，逐渐提高变频器的输出频率f，在当前吊重不变的情况下，根据电机的恒功率特点，在调速过程中，随着变频器的输出频率提高，电机的电流将逐渐增加，直到I_max-i≤ε或者f＝F_max，系统则停止升速，完成调速过程。

本发明的有益效果是：1）充分利用电机的负载性能，在保护电机不被烧坏的前提下，最大程度提高系统的效率；系统采用分级+无级组合的自适应调速方式，在手柄档位速度限制下，塔机起升速度根据负载情况进行无级自调整，提高了塔机起升运行的效率。2）结合了起重量、电机电流以及档位控制信息，在各档位最高速度限制下进行调速，避免了司机对速度的不可预测性，有利于停车的平稳、可控。3）采用PLC实现电流的闭环控制，可以通过算法有效避免在起升过程中，或者在高速运行中电机电流的突变影响，保证了调速过程的平稳性。

附图说明

图1是本发明的塔机起升调速控制系统的结构示意图；

图2是本发明塔机起升调速控制系统实施例的局部电气原理示意图。

图中，1.PLC，2.操作手柄，3.变频器，4.测速编码器，5.电机，6.减速箱，7.卷筒，8.吊重传感器，9.吊重。

具体实施方式

参照图1，本发明的塔机起升调速控制系统的结构是，主要包括PLC1、变频器3、电机5、与电机5同轴的测速编码器4（PG）、减速箱6、卷筒7以及操作手柄2和吊重传感器8。其中，PLC1同时与操作手柄2、变频器3、吊重传感器8分别连接，变频器3与电机5、测速编码器4连接构成一个闭合回路，电机5通过减速箱6与卷筒7连接，卷筒7上的钢丝绳吊钩用于吊装吊重9，系统设有吊重传感器8用于检测吊重。

上述的整个系统中，PLC1内置有逻辑控制程序，PLC1综合利用司机操作过程中的手柄信号、吊重信号以及电机电流信号，用于全面协调的起升调速逻辑控制，实现塔机电机5的自动调速。

本发明的塔机起升调速控制系统在工作过程中，测速编码器4检测电机5的实时转速，反馈给变频器3，实现速度闭环控制；变频器3与PLC1之间通过485总线进行信息交换，PLC1实时从变频器3中读出电机5的电流值，控制电机5的电流防止过大而烧毁，同时，变频器3工作在速度模式，PLC1根据控制逻辑通过485总线将调速频率设置入变频器3内，实现电机5的变速，该控制逻辑在有效避免电机过流损坏的前提下，实现在给定的速度档速内的无极变速，提高效率。

PLC1利用吊重传感器8检测实时的起升吊重信号用于塔机最大起重量限制以及速度限制；利用塔机司机操作操作手柄2的位置信号包括档位以及方向，控制塔机的当前最高速度以及运行方向。

参照图2，现有的一种塔机一般具有5档速度，实施例显示的是1档、2档、3档为低档，其最高频率不会超过50HZ，电机处于恒力矩状态；4档、5档为高档，用于轻载高速，本发明系统PLC1中预装的基本控制逻辑如下：

第一，PLC1检测当前吊重信号Q，当前吊重Q大于1.05Q_max，PLC1将停止变频器3的输出，电机5将会停止工作；

第二，如果当前吊重小于塔机最大吊重，PLC1进入调速过程，此时，如果司机将操作手柄2的档位信号处在三个低档范围，PLC1不进行无级调速，根据分档控制原则，直接将设置的三档频率输入变频器3，启动低速运行；如果司机将操作手柄2的档位信号处在高档，PLC1首先根据当前吊重判断是否可运行当前档速，

如果0.5Q_max≤Q≤1.05Q_max，塔机将在3档与4档之间无级调速；

如果0.3Q_max≤Q≤0.5Q_max，塔机将在4档与5档之间无级调速；

如果Q＜0.3Q_max，塔机将在最高的5档运行；

上述的控制逻辑是基于变频器3进行起升无级调速时，电机5的速度只能在给定档速以下。

第三，本发明系统在进行高档无级调速时，系统会根据电机5的恒功率特征，以电机5的最大电流I_max为控制目标，逐渐增加变频器3的输出频率，直到当前载荷下，电机5输出至最大功率。基本控制过程为：根据当前吊重Q_max以及手柄档位，确定当前变频器3的最大输出频率F_max，首先变频器3运行到最高频率档位的低一个档位速度，然后，实时监测变频器3的当前电流i，如果i＜I_max，逐渐提高变频器3的输出频率f，直到I_max-i≤ε或者f＝F_max，系统则停止升速，完成调速过程。

本发明的塔机起升调速控制方法，利用上述的塔机起升调速控制系统，按照以下步骤实施：

第一步：在PLC1中设置塔机最大吊重Q_max，电机5的最大允许电流I_max以及塔机5个档速的允许输出频率；

第二步：根据当前吊重以及操作手柄2的档位判断速度控制方式；

当前吊重Q大于塔机的额定吊重Q_max，PLC1将不会启动变频器3的输出；

当前吊重Q小于0.3Q_max，PLC1将根据操作手柄2的档位直接设置变频器3的输出频率，塔机当前转速完全取决于操作手柄2的档位；

如果当前吊重在0.3Q_max≤Q≤1.05Q_max，PLC1进入分级+无级组合调速过程，此时，先根据操作手柄2的档位以及当前吊重确定当前塔机的允许档位（即最高速度），然后，直接设置变频器3的输出频率低一档（即输出速度）；

第三步：系统进入转速自适应过程，该过程中，PLC1将通过485总线实时监测电机5的当前电流i，如果i＜I_max，逐渐提高变频器3的输出频率f，在当前吊重不变的情况下，根据电机5的恒功率特点，在调速过程中，随着变频器3的输出频率提高，电机5的电流将逐渐增加，直到I_max-i≤ε或者f＝F_max，系统则停止升速，完成调速过程。

实施例

参照图2，以某16吨塔机起升调速为例，PLC1选用三菱PLC，变频器3选用安川变频器。塔机起升控制系统配置如下：

该塔机起升5档变频器设置频率为：5Hz、15Hz、45Hz、80Hz、110Hz；对应上述起升机构，塔机2绳下的起升线速度如下：

档位频率（Hz）	5	15	45	80	110
						2绳线速度（m/min）	3.9	11.7	35.1	62.4	85.8

根据电机特性，当前吊重Q≤4.8吨，系统可以运行110Hz；

当前吊重4.8吨≤Q≤8吨，系统可以运行在80Hz~110Hz之间；

对于普通的分级控制，当前吊重Q≤6吨时，变频器输出频率只能为80Hz，但在本发明的调速方式，当前吊重Q≤6吨时，变频器输出频率可以到达95Hz；两种调速方式下，2绳起升线速度分别为：62.4m/min以及74.1m/min；当塔机高度为200米的时候，两种调速下，本发明给出的调速方式，可以节省时间0.6min，提高了塔机工作效率。

本发明的塔机起升调速控制系统，采用PLC控制变频器调速，实现分档与无级调速组合，提高系统效率。工作过程中，PLC实时获取手柄信号、吊重信号，并通过485总线获取电机电流，根据上述系统状态确定起升调速模式。当前吊重Q大于1.05Q_max时，停止塔机起升；如果0.5Q_max≤Q≤1.05Q_max，塔机可在在3档与4档之间无级调速；如果0.3Q_max≤Q≤0.5Q_max，塔机可在4档与5档之间无级调速；如果Q＜0.3Q_max，塔机运行在最高5档；系统进入无级调速模式后，PLC将以电机额定电流为控制目标，逐渐提高输出频率，电机电流将逐渐增加，直到I_max-i≤ε或者输出频率等于当前手柄档位频率，完成调速过程。

本发明的塔机起升调速控制系统，提高了塔机起升运行的效率。同时，塔机实际运行速度在各档位最高速度限制下进行调速，避免了司机对速度的不可预测性，而且本发明采用PLC实现电流的闭环控制，能够通过算法有效避免在起升过程中，或者在高速运行中电机电流的突变影响，保证了速度的平稳性。

Claims (3)

1.一种塔机起升调速控制系统，其特征在于：包括PLC（1），PLC（1）同时与操作手柄（2）、变频器（3）、吊重传感器（8）分别连接，变频器（3）与电机（5）、测速编码器（4）连接构成一个闭合回路，电机（5）通过减速箱（6）与卷筒（7）连接。

2.根据权利要求1所述的塔机起升调速控制系统，其特征在于：所述的卷筒（7）上的钢丝绳吊钩用于吊装吊重（9），吊重传感器（8）用于检测吊重（9）的质量。

3.一种塔机起升调速控制方法，其特征在于，该方法利用权利要求2所述的塔机起升调速控制系统，按照以下步骤实施：

第一步：在PLC1中设置塔机最大吊重Q_max，电机（5）的最大允许电流I_max以及塔机各个档速的允许输出频率；

第二步：根据当前吊重以及操作手柄（2）的档位判断速度控制方式；

当前吊重Q大于塔机的额定吊重Q_max，PLC（1）将不会启动变频器（3）的输出；

当前吊重Q小于0.3Q_max，PLC（1）将根据操作手柄（2）的档位直接设置变频器（3）的输出频率，塔机当前转速完全取决于操作手柄（2）的档位；

如果当前吊重在0.3Q_max≤Q≤1.05Q_max，PLC（1）进入分级+无级组合调速过程，此时，先根据操作手柄（2）的档位以及当前吊重确定当前塔机的允许档位，然后，直接设置变频器（3）的输出频率低一档；

第三步：系统进入转速自适应过程，PLC（1）将通过485总线实时监测电机（5）的当前电流i，如果i＜I_max，逐渐提高变频器（3）的输出频率f，在当前吊重不变的情况下，根据电机（5）的恒功率特点，在调速过程中，随着变频器（3）的输出频率提高，电机（5）的电流将逐渐增加，直到I_max-i≤ε或者f＝F_max，系统则停止升速，完成调速过程。

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