CN109809304A - 一种机械式塔吊控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机械式塔吊控制装置，包括主控制器、报警及按键模块、电流互感器模块、RS485通讯模块和交流变频器模块，主控制器分别连接报警及按键模块、电流互感器模块、角度传感器模块、RS485通讯模块、交流变频器模块、LCD显示模块、数据存储模块、编码器模块和电源管理及复位模块，交流变频器模块还连接起升机构、回转机构和变幅机构。本发明实现了最优速度的高效运行控制器以及三坐标三联动，从而用于配合监控系统一起辅助操作人员来更好的实现塔吊的高效运行和停止前对于负载的防摆控制，从而实现安全基础上的高效运行。

Description

一种机械式塔吊控制装置

技术领域

本发明涉及一种控制系统，具体是一种机械式塔吊控制装置。

背景技术

20世纪80年代初，国内的有关行业、大专院校、研究院所等审位对超载保护装置进行了研究、设计、生产，发展至今也巳渐成规模。据2003年初步统计，国内取得起重力矩限制器、起重量限制器、起升高度限制器安全装置试验合格证的安全设备生产厂家有72家，其中起重机械力矩限制器的生产厂家有40家，其中如：中联ACS-200力矩限制器，宜昌维特公司也已开发了一系列的安全保护设备，如起重量超载限制器、起重力矩限制器、风速报警装置、启动报警器及起升高度显示器等安全保护装置。这些护保装置大部分是具有单一的保护功能，监控参数有限，且监控设备的稳定性和监控参数的准确性也不是十分可靠。国内的产品性能与国外同类产品相比，仍有较大的差距，国内多数起重机安全监控产品一般仅仅具有力矩限制和起重量限制的功能，极少数具备超重报警、超重保护等起重机安全控制功能。

综合国外塔机监测和控制系统发展现状可以看出主要存在以下问题：(1)保护装置大部分是具有单一的保护功能，监测参数有限，如果一台起重机需要装有多种保护功能装置，就得选购不同厂家的产品进行拼凑，由于厂家不同，型号规格不一，外形结构及安装方式各异，给安装和使用带来诸多不便，而且价格高，维护困难。(2)具有参数记录功能的产品依然存在记录参数不够科学，精确度不高的问题，致使安全监控的可靠性差。(3)系统的稳定性差不能适应复杂运行环境要求，整机性能完善方面也有待提高。（4）对于负载在运行过程中的摆动可能造成的隐患没有得到很好的解决。

发明内容

本发明的目的在于提供一种稳定高效的机械式塔吊控制装置，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种机械式塔吊控制装置，包括主控制器、报警及按键模块、电流互感器模块、角度传感器模块、RS485通讯模块和交流变频器模块，所述主控制器分别连接报警及按键模块、电流互感器模块、角度传感器模块、RS485通讯模块、交流变频器模块、LCD显示模块、数据存储模块、编码器模块和电源管理及复位模块，交流变频器模块还连接起升机构、回转机构和变幅机构。

作为本发明进一步的方案：所述主控制器采用芯片STM32103VBT6。

作为本发明进一步的方案：所述编码器模块采用绝对式的AB线编码器进行速度采集。

作为本发明进一步的方案：所述交流变频器模块为控制交流电机的速度、方向的控制器。

作为本发明进一步的方案：所述电流互感器模块采集起升机构、回转机构和变幅机构带负载回路的任意一项的回路电流大小，转化为0-5V的电压信号送入主控制器内部的AD口。

作为本发明进一步的方案：所述角度传感器模块采集负载摆动的角度的大小，将采集信号送入主控制器内部AD口。

作为本发明进一步的方案：所述LCD显示模块显示当前运行速度和电流互感器模块的电压值。

作为本发明再进一步的方案：所述按键及报警模块用于安全报警和手自动切换的操作。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：遵从可靠、简单、实用的原则，本发明主要研究一种塔吊的高效运行控制装置，可以实现检测、控制、负载防摆、报警等功能，实现了最优速度的高效运行控制器以及三坐标三联动，彻底根除了负载在装置运行停止前由于摆动可能造成的事故的发生。从而用于配合监控系统一起辅助操作人员来更好的实现塔吊的高效运行目的。

附图说明

图1为机械式塔吊控制装置的结构示意图；

图2为机械式塔吊控制装置中双闭环PID控制算法示意图；

图3为机械式塔吊控制装置中完美启动过程的转速和电流波形的示意图；

图4为机械式塔吊控制装置中主控制器的控制流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1～4，本发明实施例中，一种机械式塔吊控制装置，包括主控制器、报警及按键模块、电流互感器模块、RS485通讯模块和交流变频器模块，主控制器分别连接报警及按键模块、电流互感器模块、角度传感器模块、RS485通讯模块、交流变频器模块、LCD显示模块、数据存储模块、编码器模块和电源管理及复位模块，交流变频器模块还连接起升机构、回转机构和变幅机构。

主控制器采用芯片STM32103VBT6，这是一个低功耗的ARM嵌入式芯片。

编码器模块采用绝对式的AB线编码器进行速度采集，A线采集速度，B线采集方向变化。

交流变频器模块为控制交流电机的速度、方向的控制器。

电流互感器模块采集起升机构、回转机构和变幅机构带负载回路的任意一项的回路电流大小，转化为0-5V的电压信号送入主控制器内部的AD口，在起升机构主要作用是检测提升重物的重量大小，是否超出最大负载重量。

角度传感器模块用来采集负载在运行过程中摆动的幅度大小。

LCD显示模块显示当前运行速度和电流互感器模块的电压值。

按键及报警模块用于安全报警和手自动切换的操作。

本发明的工作原理是：对于目前国内外的塔吊控制而言，基本上都是基于塔吊的监测系统，也就是说只是在有危险是采取紧急刹车或者报警的功能，并没有能够实现塔吊的自动检测和控制高效运行的塔吊控制系统出现。所以为了提高运行效率,在起吊不同的重物，最安全高效的速度是完全不同的，在不同的吊点的安全基础上的最优速度也是不同的。因此为了使速度变换更加平滑、负载的防摆更加有效，并且能实现回转机构、变幅机构、起升机构三坐标三联动，实现高效运行。控制中应该加入合适的控制算法,本发明中采用双闭环控制算法外环即电流环只是以跟踪性能为主,所以采用常规PID。对于内环即转速环,采用模糊自适应PID控制算法,除了可以使系统在输入量为时变时有较好的动态性能之外,当系统的参数发生变化即受到干扰或负载变化的情况下,系统可以拥有有较好的调节性能。从而极大的提高了工作效率，避免了许多因素造成的危害。

物体重量的确定、吊重位置的确定、控制策略的选取以及电机速度的控制。具体为：首先，电流互感器检测电流值，将电流值I转换为对应的物体重量值G；编码器模块采集小车电机的转速，通过转速计算出小车运行到的具体位置，根据加速度积分得到速度输入值V，将得到的速度V给定吊重电机，编码器模块对吊重电机转速进行检测，将检测到的速度值V1与给定值V进行比较，若V1与V之间有偏差，则对其采用模糊PID进行调节，直至速度V1等于给定速度V。

负载在停止之前尽量消除摆动的控制，具体为：开始时，整个装置做匀加速运动，让负载稍稍落后于吊绳；在距离目的地还有较远距离时，做匀速运动；当接近于目的地时，可以适当减小变幅装置运行速度，让小车做匀减速运动，此时负载由于惯性会超前于吊绳；当快到目标位置时，对小车稍加驱动力，略微增大小车加速度，小车到达目标位置时，负载摆角减小至零。整个过程由于运行状态多变不定，所以在这种状况下采用模糊自适应PID算法，能够基本实现上述运行状态，达到消除负载摆动，交出安全隐患的目的。

本发明涉及到的算法主要是双闭环控制算法，其中内环即电流环只是以跟踪稳定性能为主,所以采用常规PID。对于外环1即转速环,采用自适应PID控制算法,除了可以使系统在输入量为时变时有较好的动态性能之外,当系统的参数发生变化即受到干扰或负载变化的情况下,系统可以拥有有较好的调节性能，外环2即角度环，这里也采用自适应PID控制算法进行控制与实现，从而在实现安全运行的基础上极大的提高了工作效率。

塔吊起升机构在启动到稳定运行需要一个过程，而这个过程的运行时间在安全的情况下越少就可以一定程度上提高塔吊装置的运行效率，达到高效运行的目的。

使用双闭环控制的一个重要目的就是要获得接近于图3所示的理想快速启动过程：双闭环调速系统突加给定电压U由静止状态启动时，转速和电流的动态过程如图3所示。由于在启动过程中转速调节器经历了不饱和、饱和、退饱和三种情况，整个动态过程就分为下图中表明的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三个阶段。其中第一阶段是电流上升阶段，这个阶段是电流上升阶段，还不能转动，当I大于Idm后，电动机开始起动。

第二阶段是恒流升速阶段，是起动过程中的主要阶段。系统的加速度恒定，转速呈线性增长。

第三阶段是转速调节阶段，超速调节，电动机仍加速，使转速超调，直到转速达到峰值，伺候，电动机开始在负载的阻力下减速，直到稳定。

在塔吊起升机构启动过程中，在设备允许的条件下实现最短时间的控制称作“时间最优控制”，对于塔吊的起吊而言，在交流电机允许过载能力限制下的恒流启动，就是所谓的时间最优控制。在电机最大容许电流和转矩受限制的条件下，应该充分利用电机的过载能力，最好是在过渡过程中始终保持电流为允许的最大值，使起升机构以最大的加速度启动，到达稳定转速时，立即让电流降下来，使转矩马上与负载平衡，从而转入稳态运行。这种运行状态就是时间最优控制的运行状态。但是由于在启动过程的前两个阶段中电流不能突变，实际启动过程和理想启动过程相比还有一些差距，不过这两段时间只占全部启动时间中的很小部分，无伤大局，采用饱和非线性控制的方法实现准时间最优控制是一种很有实用价值的控制策略，但是在这之前必须到干扰的影响就是来自负载扰动的干扰和电网电压扰动的干扰，这样才能实现起升机构的完美启动。

在小车行走初期，系统先不运行防摆系统，此时控制系统的工作重心放在使小车快速行走上；当小车接近终点时，系统开始运行防摆控制。

Claims (8)

1.一种机械式塔吊控制装置，包括主控制器、报警及按键模块、电流互感器模块、RS485通讯模块和交流变频器模块，其特征在于，所述主控制器分别连接报警及按键模块、电流互感器模块、角度传感器模块、RS485通讯模块、交流变频器模块、LCD显示模块、数据存储模块、编码器模块和电源管理及复位模块，交流变频器模块还连接起升机构、回转机构和变幅机构。

2.根据权利要求1所述的机械式塔吊控制装置，其特征在于，所述主控制器采用芯片STM32103VBT6。

3.根据权利要求1所述的机械式塔吊控制装置，其特征在于，所述编码器模块采用绝对式的AB线编码器进行速度采集。

4.根据权利要求1所述的机械式塔吊控制装置，其特征在于，所述交流变频器模块为控制交流电机的速度、方向的控制器。

5.根据权利要求1所述的机械式塔吊控制装置，其特征在于，所述电流互感器模块采集起升机构、回转机构和变幅机构带负载回路的任意一项的回路电流大小，转化为0-5V的电压信号送入主控制器内部的AD口。

6.根据权利要求1所述的机械式塔吊控制装置，其特征在于，所述角度传感器模块采集负载在运行过程中摆动的角度的大小，将型号送入主控制器内部的AD口。

7.根据权利要求1所述的机械式塔吊控制装置，其特征在于，所述LCD显示模块显示当前运行速度和电流互感器模块的电压值。

8.根据权利要求1所述的机械式塔吊控制装置，其特征在于，所述按键及报警模块用于安全报警和手自动切换的操作。