CN106744401B - 一种具有防拆功能的安全力矩限制系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有防拆功能的安全力矩限制系统及控制方法，包括拉铁，焊接在塔式起重机的塔帽上，用于固定力矩传感器的丝杆；丝杆，用于连接力矩传感器，并用螺母将丝杆安装在拉铁上；力矩传感器，用于检测丝杆受到拉力，并把模拟信号转换成4‑20mA的电流信号；主机单元，用于显示力矩传感器所输出的电流值，并通过RS485通信模块将电流值发送给PLC控制模块；PLC控制模块，用于将通信模块反馈的电流值作出控制输出；力矩限制器，对称的安装在塔帽上，力矩限制器的开关量信号接在PLC控制模块的输入触点上；当达到所要限制力矩值时，PLC控制模块通过检测外部输入信号的变化以及和RS485通信模块反馈的电流数值进行限制动作。以完善塔机超力矩保护功能。

Description

一种具有防拆功能的安全力矩限制系统及控制方法

技术领域

本发明涉及一种具有防拆功能的安全力矩限制系统及控制方法，尤其适用于塔机，涉及建筑工程机械技术领域。

背景技术

目前，塔机在转运操作过程中使用的力矩限制器，没法判断是否调整到位，且经常人为的将力矩限制器的控制线进行短接、拆除，造成力矩限制器的功能失效，使塔机失去重要的超力矩保护功能。在塔机使用过程中力矩超标，会引起塔机倾覆、折臂、倒塔等重大财产损失及人身伤亡事故。

现有技术中没有针对此问题提出很好的解决方案，经常进行违规操作控制。这样存在以下缺点：1、经常擅自拆除、短接其电气线路，使力矩限制器失去了安全保护功能；2、力矩限制器动作不灵活，不可靠；3、控制灵敏度较低；4、使用寿命低；5、无法判断调整是否到位。

因此，亟待设计出一种新型的适用于塔机的力矩限制系统。

发明内容

针对上述现存的技术问题，本发明提供一种具有防拆功能的安全力矩限制系统，以完善塔机超力矩保护功能。

为实现上述目的，本发明提供一种具有防拆功能的安全力矩限制系统，用于塔式起重机，包括：拉铁，焊接在塔式起重机的塔帽上，用于固定力矩传感器的丝杆；丝杆，用于连接力矩传感器，并用螺母将丝杆安装在拉铁上；力矩传感器，用于检测丝杆受到拉力，并把模拟信号转换成4-20mA的电流信号发送给主机单元；主机单元，包括RS485通信模块和显示模块，用于显示力矩传感器所输出的电流值，并通过RS485通信模块将电流值发送给PLC控制模块；PLC控制模块，用于将通信模块反馈的电流值，通过滤波算法和相应的PLC控制程序作出控制输出；力矩限制器，对称的安装在塔帽上，力矩限制器的开关量信号接在PLC控制模块的输入触点上；当达到所要限制力矩值时，PLC控制模块通过检测外部输入信号的变化以及和RS485通信模块反馈的电流数值进行限制动作。

进一步，所述RS485通信模块将作用在力矩传感器上的拉力，使力矩传感器内部的膜片产生变形，膜片变形使合金薄膜应变电阻的几何尺寸和阻值发生改变，电桥输出相应的电信号，并通过专用电子电路，将电桥输出的电信号放大，并转换成标准的4-20mA电流信号输出。

进一步，所述显示模块，安装在驾驶室内，便于观察，用于显示力矩传感器输出的电流值，并将电流数值放大100倍进行显示。

进一步，塔帽所受的拉力根据公式T = Q×S计算得出，其中：T为起重力矩；Q为起重量，即起重吊钩上所悬挂的锁具与重物的重量之和；S为工作幅度，即吊钩中心到塔机回转中心线之间的水平距离。

进一步，力矩传感器输出的电流值根据公式I=KT+P计算得出，其中：I为电流值，K为比例系数，T为丝杆受到的拉力，P为常数。

可知，本系统采用力矩传感器将反馈的4-20mA电流信号（模拟信号）传给主机单元，主机单元把电流值通过RS485通讯将信号同时发给PLC控制模块，PLC控制模块使用滤波算法和相应的控制程序作出相应的限位输出，力矩限制器的开关量信号直接进行限位控制，实现力矩限制器对塔机超力矩的精准控制。

本发明还提供一种具有防拆功能的安全力矩限制系统的控制方法，包括如下具体步骤：S1、塔式起重机吊载重物；

S2、塔帽上安装在拉铁之间的丝杆受到拉力而发生形变，此拉力作用在力矩传感器上，再转换成标准的4-20mA电流信号输出；

S3、将力矩传感器输出的电流信号传送给主机单元，并通过其内部的存储芯片，将电流数值保存下来；

S4、主机单元通过RS485通信模块将保存的电流数值发送给PLC控制模块，PLC控制模块通过检测外部输入信号的变化以及和RS485通信模块反馈的电流数值通过编制程序进行限制动作，分为以下几种情况：

A、判断力矩值是否在0-90％力矩范围内，若是，则塔机输出动作正常；

B、判断力矩值是否在90％-110％力矩范围内，若是，则 PLC控制模块作出相应地限制动作，并发出持续报警信号；

C、判断力矩值是否大于120％，若是，则PLC控制模块限制塔机动作一段时间后，禁止塔机的一切输出动作；

D、判断力矩传感器控制线是否完好、正确，若是控制线被拆除，则输出的电流值为0，PLC控制模块报警，塔机没有相应的动作；

E、判断力矩传感器控制线是否完好、正确，若是控制线被短接，则输出的电流值远大于20mA而报警，塔机没有相应的动作；

F、判断力矩传感器控制线是否完好、正确，若是RS485通信模块损坏，电流值在4-20mA内，但是RS485通信模块无法将电流值发送给PLC控制模块， PLC控制模块接收不到信号而报警，塔机没有相应的动作。

综上所述，在工作时，如果将力矩限制器的控制线进行短接、拆除，则力矩传感器输出的电流信号异常，控制器通过程序控制，使塔机相应动作没有反应，则塔机不能工作。只有保证力矩限制器的控制线的正确、完整，塔机才能正常工作。相比现有技术，本发明具有以下几个优点：

1、采用传感器反馈的4-20mA电流信号，通过RS485通讯将模拟量信号发送给控制器进行控制，且主机带显示和通讯输出功能。

2、提高了操控性，且控制准确、工作效率高。

3、采用安全防拆控制，提高了安全性能、降低了成本。

附图说明

图1为本发明系统的安装示意图；

图2为本发明系统的原理框图；

图3为本发明实施力矩限制方法的流程示意图；

图4为本发明实施力矩故障时的流程示意图；

图中：1、塔帽，2、拉铁，3、传感器，4、丝杠，5、主机单元，6、显示模块，7、通信模块，8、力矩限制器，9、PLC控制模块。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1和图2所示，本发明具有防拆功能的力矩限制系统，用于塔式起重机，包括拉铁2，焊接在塔式起重机的塔帽1上，用于固定丝杆4；丝杆4，通过螺母安装在拉铁2上，用于连接传感器；力矩传感器3，用于检测丝杆4受到的拉力，并把模拟信号转换成4-20mA的电流信号发送给主机单元5；主机单元5，用于显示力矩传感器3所输出的电流值，并将电流值发送给PLC控制模块9；PLC控制模块9，用于将通信模块7反馈的电流值，通过滤波算法和相应的PLC控制程序作出控制输出；力矩传感器8对称的安装在塔帽1上，力矩限制器8的开关量信号接在PLC控制模块9的输入触点上，当达到所要限制力矩值时，直接进行限位。

所述主机单元5包括：RS485通信模块7和显示模块6。所述通信模块7的作用在于：作用在力矩传感器3上的拉力，使力矩传感器3内部的膜片产生变形，膜片变形使合金薄膜应变电阻的几何尺寸和阻值发生改变，电桥输出相应的电信号，并通过专用电子电路，将电桥输出的电信号放大，并转换成标准的4-20mA电流信号输出。所述显示模块6安装在驾驶室内，便于观察，用于显示传感器输出的电流值，并将电流数值放大100倍进行显示。

所述拉铁2，对于同一种机型，必须保证焊接拉铁2的距离一致，安装后需要仔细调整仔细调整螺母的松紧程度，使显示模块6上的数值在398-402这个合理范围之内。为了被防止被人为的故意调整，在安装调节好后，必须对安装螺母进行铅封处理，以保证力矩传感器3的精度和测量数值的准确性。

所述塔帽1所受的拉力根据公式T = Q×S计算得出，其中：T为起重力矩；Q为起重量，即起重吊钩上所悬挂的锁具与重物的重量之和；S为工作幅度，即吊钩中心到塔机回转中心线之间的水平距离。

所述丝杠4的变形量与丝杆4受到的拉力之间的关系不满足简单的线性关系，丝杆4的变形量与拉力之间的关系必须用专用软件进行计算分析，故没有具体公式。

力矩传感器3输出的电流值根据公式I = KT+P计算得出，其中：I为电流值；K为比例系数，形同型号的力矩传感器3的比例系数是一样的；T为丝杆受到的拉力；P为常数。

力矩传感器3对称的安装在塔帽1上，力矩限制器的开关量信号接在PLC控制模块9的输入触点上，当达到所要限制力矩值时， PLC控制模块9通过检测外部输入信号的变化以及和RS485通信模块7反馈的电流数值通过编制程序进行限制动作。力矩值通过每台塔机的起重曲线表可查到。

如图3和图4所示，上述系统的防拆功能的控制步骤如下：

S1、塔式起重机吊载重物。

S2、塔帽1上安装在拉铁2之间的丝杆4受到拉力而发生形变，此拉力作用在力矩传感器3上，使其内部的膜片产生变形，从而使合金薄膜应变电阻的几何尺寸和阻值发生改变，电桥输出相应的电信号，并通过专用电子电路将电桥输出的电信号放大，再转换成标准的4-20mA电流信号输出。

S3、将力矩传感器3输出的电流信号传送给主机单元5，并通过其内部的存储芯片，将电流数值保存下来。

S4、主机单元5通过RS485通信模块6将保存的电流数值发送给PLC控制模块9，PLC控制模块9通过检测外部输入信号的变化以及和RS485通信模块7反馈的电流数值通过编制程序进行限制动作，分为以下几种情况：

A、判断力矩值是否在0-90％力矩范围内，若是，则塔机输出动作正常；

B、判断力矩值是否在90％-110％力矩范围内，若是，则 PLC控制模块9作出相应地限制动作，并发出持续报警信号；

C、判断力矩值是否大于120％，若是，则PLC控制模块9限制塔机动作一段时间后，禁止塔机的一切输出动作；

D、判断力矩传感器控制线是否完好、正确，若是控制线被拆除，则输出的电流值为0，PLC控制模块9报警，塔机没有相应的动作；

E、判断力矩传感器控制线是否完好、正确，若是控制线被短接，则输出的电流值远大于20mA而报警，塔机没有相应的动作；

F、判断力矩传感器控制线是否完好、正确，若是RS485通信模块损坏，电流值在4-20mA内，但是RS485通信模块7无法将电流值发送给PLC控制模块9， PLC控制模块9接收不到信号而报警，塔机没有相应的动作。

实施时，本系统包括以下几种防拆的工作模式：

A、力矩控制线被拆除：当塔机上安装的力矩限制器8的控制线被拆除时，吊起重物，力矩传感器3反馈的电流信号为0，主机单元5无法发送信号给PLC控制模块9，PLC控制模块9在5秒内无法接到反馈信号，则PLC控制模块9报警，使塔机对应动作没有输出。

B、力矩控制线被短接：当塔机上安装的力矩限制器8的控制线被拆除时，吊起重物，力矩传感器3反馈的电流信号远大于20mA，主机单元5将大电流信号发送给PLC控制模块9，PLC控制模块9在通过程序运算判断为异常信号，则PLC控制模块9报警，使塔机对应动作没有输出。

C、RS485模块损坏：当主机单元5内的RS485通讯模块7损坏时，吊起重物，力矩传感器3反馈的电流值在4-20mA范围内，但主机单元5无法发送信号给PLC控制模块9，PLC控制模块9在10秒内无法接到反馈信号，则PLC控制模块9报警，使塔机对应动作没有输出。

上述具有防拆功能的安全力矩限制器及其控制方法具有操作简单，限制可靠、防拆的优点，有利于提高塔式起重机的作业安全。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所在的任何修改，等同替换、该进等，均应在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种具有防拆功能的安全力矩限制系统，其特征在于，用于塔式起重机，包括：

拉铁（2），焊接在塔式起重机的塔帽（1）上，用于固定传感器（3）的丝杆（4）；

丝杆（4），用于连接传感器（3），并用螺母将丝杆安装在拉铁（2）上；

传感器（3），用于检测丝杆（4）受到拉力，并把模拟信号转换成4-20mA的电流信号发送给主机单元（5）；

主机单元（5），包括通信模块（7）和显示模块（6），用于显示传感器（3）所输出的电流值，并通过通信模块（7）将电流值发送给PLC控制模块（9）；

PLC控制模块（9），用于将通信模块（7）反馈的电流值，通过滤波算法和相应的PLC控制程序作出控制输出；

力矩限制器（8），对称的安装在塔帽（1）上，力矩限制器（8）的开关量信号接在PLC控制模块（9）的输入触点上；当达到所要限制力矩值时，PLC控制模块（9）通过检测外部输入信号的变化以及和通信模块（7）反馈的电流数值进行限制动作。

2.根据权利要求1所述的一种具有防拆功能的安全力矩限制系统，其特征在于，所述通信模块（7）将作用在传感器（3）上的拉力，使传感器（3）内部的膜片产生变形，膜片变形使合金薄膜应变电阻的几何尺寸和阻值发生改变，电桥输出相应的电信号，并通过专用电子电路，将电桥输出的电信号放大，并转换成标准的4-20mA电流信号输出。

3.根据权利要求1所述的一种具有防拆功能的安全力矩限制系统，其特征在于，所述显示模块（6），安装在驾驶室内，便于观察，用于显示传感器（3）输出的电流值，并将电流数值放大100倍进行显示。

4. 根据权利要求1所述的一种具有防拆功能的安全力矩限制系统，其特征在于，塔帽（1）所受的拉力根据公式T = Q×S计算得出，其中：T为起重力矩；Q为起重量，即起重吊钩上所悬挂的锁具与重物的重量之和；S为工作幅度，即吊钩中心到塔机回转中心线之间的水平距离。

5.根据权利要求1所述的一种具有防拆功能的安全力矩限制系统，其特征在于，传感器（3）输出的电流值根据公式I=KT+P计算得出，其中：I为电流值，K为比例系数，T为丝杆（4）受到的拉力，P为常数。

6.一种根据权利要求1至5任一项所述力矩限制系统的控制方法，其特征在于，包括如下具体步骤：

S1、塔式起重机吊载重物；

S2、塔帽（1）上安装在拉铁（2）之间的丝杆（4）受到拉力而发生形变，此拉力作用在传感器（3）上，再转换成标准的4-20mA电流信号输出；

S3、将传感器（3）输出的电流信号传送给主机单元（5），并通过其内部的存储芯片，将电流数值保存下来；

S4、主机单元（5）通过通信模块（7）将保存的电流数值发送给PLC控制模块（9），PLC控制模块（9）通过检测外部输入信号的变化以及和通信模块（7）反馈的电流数值通过编制程序进行限制动作，分为以下几种情况：

A、判断力矩值是否在0-90％力矩范围内，若是，则塔机输出动作正常；

B、判断力矩值是否在90％-110％力矩范围内，若是，则 PLC控制模块（9）作出相应地限制动作，并发出持续报警信号；

C、判断力矩值是否大于120％，若是，则PLC控制模块（9）限制塔机动作一段时间后，禁止塔机的一切输出动作；

D、判断传感器（3）控制线是否完好、正确，若是控制线被拆除，则输出的电流值为0，PLC控制模块（9）报警，塔机没有相应的动作；

E、判断传感器（3）控制线是否完好、正确，若是控制线被短接，则输出的电流值远大于20mA而报警，塔机没有相应的动作；

F、判断传感器（3）控制线是否完好、正确，若是通信模块（7）损坏，电流值在4-20mA内，但是通信模块（7）无法将电流值发送给PLC控制模块（9）， PLC控制模块（9）接收不到信号而报警，塔机没有相应的动作。