CN116812792A - 一种塔机控制系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种塔机控制系统及控制方法，包括电源、起升机构、回转机构、变幅机构、紧急制动机构、安全保护机构、数据采集子站、数据采集控制器、卷筒检测器、显示器和仪表盘，所述数据采集子站为多个，多个所述数据采集子站分别设置于所述电源、所述起升机构、所述回转机构、所述变幅机构、所述紧急制动机构和所述安全保护机构上，多个所述数据采集子站的数据输出端与所述数据采集控制器的数据输入端连接。本发明技术方案通过增加数据采集子站、卷筒检测器和数据采集控制器等组件，实现了对塔机各个机构状态的全面监测和数据采集功能。这样，操作人员可以更准确地了解塔机的运行状况，提高操作安全性和效率。

Description

一种塔机控制系统及控制方法

技术领域

本发明涉及塔式起重机控制技术领域，尤其涉及一种塔机控制系统及控制方法。

背景技术

塔机控制系统是一种用于控制和监测塔式起重机(塔机)操作的系统。塔机通常用于在建筑工地等场合进行重物的吊装和搬运任务。为了确保塔机的安全性和效率，塔机控制系统需要能够监测和控制塔机的各个机构，包括电源、起升机构、回转机构、变幅机构、紧急制动机构和安全保护机构。

传统的塔机控制系统通常只提供基本的操作和控制功能，而缺乏对各个机构状态的全面监测和数据采集能力。这限制了操作人员对塔机状态的准确了解和风险判断能力。

发明内容

本发明的目的是要提供一种塔机控制系统及控制方法。

为达到上述目的，本发明是按照以下技术方案实施的：

本发明一种塔机控制系统包括电源、起升机构、回转机构、变幅机构、紧急制动机构、安全保护机构、数据采集子站、数据采集控制器、卷筒检测器、显示器和仪表盘，所述数据采集子站为多个，多个所述数据采集子站分别设置于所述电源、所述起升机构、所述回转机构、所述变幅机构、所述紧急制动机构和所述安全保护机构上，多个所述数据采集子站的数据输出端与所述数据采集控制器的数据输入端连接，所述卷筒检测器设置于起升机构的卷筒位置，所述卷筒检测器的数据输出端与所述数据采集控制器连接，所述数据采集控制器的显示与控制信号传输端与所述显示器和所述仪表盘连接。

所述数据采集子站采集各机构的振动、幅度、风速、压力、重力数据。

所述数据采集子站支持7路DI输入、2路继电器输出、3路PT100温度采样、1路风速/重量采样通道、1路模拟量高度采样通道、1路振动采样通道、1路NPN型传感器输入通道、1路液压检测通道、1路485绝对值编码器采样通道。

所述数据采集控制器收集数据采集子站的各项传感器数据汇总后进行云转发、适时语音提示、故障报警、HMI显示、关键参数仪表盘显示总控功能，包括3路485通信接口、2个DI接口、2个DO接口、1个CAN接口、1个SD卡接口。

所述卷筒检测器支持1路激光雷达数据解析，检测识别激光雷达采样的卷筒切线数据，实时监控卷筒状态信息，并能够在卷筒乱绳后向卷外部发送卷筒乱绳警告。

所述显示器执行起升机构、回转机构、变幅机构的变频器数据监控、硬件的温度监控、油位监控、振动监控、电机温度监控、云数据转发、传感器来源设置、行程标定任务。

所述仪表盘监控起升机构、回转机构、变幅机构的力矩、重量、限位信息、实时速度、电机温度的参数。

本发明所述的塔机控制系统的控制方法包括以下步骤：

S1：系统初始化和状态监测：在启动塔机控制系统时，进行系统初始化和自检，包括检查电源、各个机构的连接和通信状态，并确保常运行；同时，监测各个数据采集子站和传感器的状态，确保正常连接和工作，如果有任何异常情况，及时报警并采取相应的纠正措施；

S2：自动控制模式：数据采集子站采集起升机构、回转机构和变幅机构的振动、幅度、风速、压力和重力数据，数据采集控制器对这些数据进行汇总和处理，根据预设的工作任务和操作要求，生成相应的控制信号以实现塔机各机构的自动运动和定位；

S3：限位保护控制：数据采集控制器通过连接的限位传感器或编码器设备监测起升机构、回转机构和变幅机构的运动范围，在塔机运行过程中，数据采集控制器实时监测机构的位置，并与预设的限位信息进行比较，当机构接近或超过预设限位时，数据采集控制器会发出警报并采取相应的控制措施；

S4：紧急制动控制：塔机配备紧急制动机构，用于快速停止塔机的运动，以应对紧急情况；当接收到紧急制动信号时，数据采集控制器会触发紧急制动装置，使塔机迅速停止并保持在安全位置；

S5：风速控制：数据采集子站采集到的风速数据会被传输到数据采集控制器进行实时监测；数据采集控制器与预设的风速阈值进行比较；如果风速超过设定的阈值，数据采集控制器会发出警报，并采取相应的控制措施；

S6：数据显示和记录：数据采集控制器将汇总的传感器数据通过显示器进行展示，数据采集控制器还记录关键参数和操作历史；

S7：远程控制和调整：数据采集控制器通过远程通信接口与远程控制系统进行通信；通过远程控制系统，操作人员远程监测和控制塔机的运行状态，进行远程调整和操作。

本发明的有益效果是：

本发明是一种塔机控制系统及控制方法，与现有技术相比，本发明具备以下技术效果：

1.多个数据采集子站：系统中设置了多个数据采集子站，分别安装在塔机的各个机构上，如电源、起升机构、回转机构、变幅机构、紧急制动机构和安全保护机构。这样可以实时采集各个机构的运行数据和状态信息。

2.数据采集功能：数据采集子站采集各机构的振动、幅度、风速、压力、重力等关键数据。通过采集这些数据，可以实现对塔机的运行状况进行全面监测和分析。

3.卷筒检测器：系统还包括一个卷筒检测器，用于监测起升机构的卷筒位置。这个检测器可以提供起升机构的卷筒位置数据，进一步完善对塔机状态的监测。

4.数据采集控制器和显示器：数据采集子站的数据输出端与数据采集控制器的数据输入端连接，实现数据的传输和处理。数据采集控制器的显示与控制信号传输端与显示器和仪表盘连接，可以将采集到的数据进行展示和分析，提供给操作人员参考。

综上所述，本发明技术方案通过增加数据采集子站、卷筒检测器和数据采集控制器等组件，实现了对塔机各个机构状态的全面监测和数据采集功能。这样，操作人员可以更准确地了解塔机的运行状况，提高操作安全性和效率。

附图说明

图1是本发明的硬件和通信拓扑图；

图2是本发明的数据采集子站拓扑图。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步描述，在此发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

本发明包括电源、起升机构、回转机构、变幅机构、紧急制动机构、安全保护机构、数据采集子站、数据采集控制器、卷筒检测器、显示器和仪表盘，所述数据采集子站为多个，多个所述数据采集子站分别设置于所述电源、所述起升机构、所述回转机构、所述变幅机构、所述紧急制动机构和所述安全保护机构上，多个所述数据采集子站的数据输出端与所述数据采集控制器的数据输入端连接，所述卷筒检测器设置于起升机构的卷筒位置，所述卷筒检测器的数据输出端与所述数据采集控制器连接，所述数据采集控制器的显示与控制信号传输端与所述显示器和所述仪表盘连接。

电源采用三相五线制(AC380V+N+PE)供电电源，经机下配电箱引入塔式起重机电控舱，再经由总断路器、总接触器供电至各机构。主电源断路器额定容量根据装机总容量选配，具有短路、过载保护功能。整机驱动电源由主电源断路器出线端引出至主接触器给三机构变频器供电，制动方式通过制动电阻消耗能量。为提高电能质量，三机构变频器电源进线端配有进线电抗器。司机室电源由一个带有漏电保护的开关提供AC220V电源，保证司机室人身安全。主回路设置由相序检测开关，提供供电电源相序、过压、欠压保护。控制回路设有隔离变压器，配置3KVA控制变压器，输出三路电源：AC220V为主接触器等控制回路，AC48V为各机构控制回路及联动台电源，DC24V为回转、变幅制动电源；变压器输入输出侧均配有断路器提供短路保护。顶升系统由一个断路器供电电源。

主接触器控制回路为AC220V,起升、变幅、旋转机构的手柄零位信号串在主接触器线圈回路作为零位保护，避免断电后手柄未归零再来电塔机异常启动造成事故的发生。配置有AC220V的加热器为柜内提供除湿作用。起升、变幅、旋转机构制动器、风机、旋转风标控制电源为AC48V，由变频器直接控制其开关。

联动台上指示灯及按钮回路供电为48V，有回转制动指示、变频器故障指示、力矩预警、力矩报警、超重预警、超重报警、防摇功能投入指示、电源指示、相序指示、慢速就位指示、制动器失效报警、风机过热报警。

起升机构采用一台变频电机驱动，电机自带编码器，变频器容量应大于电机容量一档，采用带速度反馈的闭环矢量控制方式，变频器内置制动单元。起升机构同时加装机构振动、减速器油位、减速器油温、卷筒座轴承温度传感器；制动器衬垫磨损、制动器开闸状态限位开关；测量吊钩高度的绝对值编码器

起升变频器前端配有进线电抗器，可提高输入侧的功率因数；有效消除输入侧高次谐波，防止因电压波形畸变造成其它设备损坏；消除电源相间不平衡而引起的输入电流不平衡。起升制动器及风机均为独立供电回路，起升制动器采用双接触器控制，避免因接触器触点粘连造成制动器无法闭合带来的危险。

起升变频器配置有起升专用工艺卡，工艺卡集成了起升机构控制逻辑，起升限位、手柄控制信号、加节按钮、慢速按钮、起升开闸检测限位、起升电机热敏开关、重量限制器信号均输入到工艺卡，工艺卡提供控制逻辑驱动变频器运行。

回转机构是塔机控制系统中的重要部分，其作用是实现塔机回转运动。本控制方案旨在提供一种高效、稳定的回转机构控制方案。回转机构电机选用变频电机，其容量应大于回转机构额定功率，以确保其在变频器调速时具有较高的过载能力。回转机构变频器选用港迪公司最新型HF630N系列产品，以实现全变频交流调速。回转机构控制方式采用带速度反馈的闭环矢量控制方式，以确保回转机构转速的精确控制和稳定性。回转机构控制回路采用隔离变压器，配置2.5KVA控制变压器，输出AC48V电源供给回转机构控制器和制动器使用。回转机构电机自带编码器，通过反馈回转机构实时转速和位置信息，实现闭环控制。回转机构控制方案配备制动器，以确保塔机停止回转时的稳定性和安全性。

本发明采用全变频交流调速、闭环矢量控制、带编码器反馈和制动器保护等先进技术，可实现塔机回转机构运动的高效、稳定控制。其硬件拓扑利用了数据采集子站的可级联性，可大大减少系统的布线量，方便塔机的安装、拆卸、组装。其硬件和通信拓扑图如图1所示。

旋转变频器前端配有进线电抗器，可提高输入侧的功率因数；有效消除输入侧高次谐波，防止因电压波形畸变造成其它设备损坏；消除电源相间不平衡而引起的输入电流不平衡。

回转变频器配置有回转专用工艺卡，工艺卡集成了回转机构控制逻辑，回转限位、手柄控制信号、回转开闸检测限位、回转电机热敏开关均输入到工艺卡，工艺卡提供控制逻辑驱动变频器运行。

变幅机构采用一台变频电机驱动，电机自带编码器，变频器容量应大于电机容量一档，采用带速度反馈的闭环矢量控制方式，

变频器内置制动单元。变幅机构同时加装变幅机构振动、变幅减速器油位、变幅减速器油温、变幅机构底座轴承温度传感器；制动器衬垫磨损、制动器

开闸状态限位开关；测量变幅幅度角度的绝对值编码器；变幅电机加装增量式编码器、热敏电阻、热敏开关。变幅机构各传感器、限位开关和绝对值编码器等数据通过数据采集子站被采集至数据采集主站中。电气保护有失速保护、短路及过电流保护、过载保护、失压保护、超负荷、超力矩保护。

变幅变频器前端配有进线电抗器，可提高输入侧的功率因数；有效消除输入侧高次谐波，防止因电压波形畸变造成其它设备损坏；消除电源相间不平衡而引起的输入电流不平衡。

变幅变频器配置有变幅专用工艺卡，工艺卡集成了变幅机构控制逻辑，变幅限位、手柄控制信号、加节按钮、变幅开闸检测限位、变幅电机热敏开关、力矩限制器信号均输入到工艺卡，工艺卡提供控制逻辑驱动变频器运行。

紧急制动机构由手动液压制动器组成，采用油压传动，通过控制手柄将油压传到制动器进行制动。制动器在切断电源后可以自动切断电机电源，实现快速制动。同时紧急制动机构还采用动力脱扣器，当塔机发生侧翻时，动力脱扣器可以将塔机起重机各电气元件全部切断，保护人身安全。

安全保护机构，如过载保护、失速保护、高度限位保护、回转限位保护、变幅限位保护、制动器失效保护等。在塔机起重作业时，当出现过载、失速等异常情况时，本系统将立即切断塔机主电源，使塔机停止运行，保护塔机和工人的安全。

所述数据采集子站采集各机构的振动、幅度、风速、压力、重力数据。汇总至数据采集主站通过485总线将数据输出到司机室内中控屏与仪表屏上，供驾驶员了解塔机详细工作情况。数据采集子站为多功能型数据采集子站，拥有通用性、可扩展性、总线组网的特性。数据采集子站可通过485总线组网级联，大大方便了系统的拓扑与结构性安装和设计。

所述数据采集子站支持7路DI输入、2路继电器输出、3路PT100温度采样、1路风速/重量采样通道、1路模拟量高度采样通道、1路振动采样通道、1路NPN型传感器输入通道、1路液压检测通道、1路485绝对值编码器采样通道。其主拓扑图如图2所示。

所述数据采集控制器收集数据采集子站的各项传感器数据汇总后进行云转发、适时语音提示、故障报警、HMI显示、关键参数仪表盘显示总控功能，包括3路485通信接口、2个DI接口、2个DO接口、1个CAN接口、1个SD卡接口。

所述卷筒检测器支持1路激光雷达数据解析，检测识别激光雷达采样的卷筒切线数据，实时监控卷筒状态信息，并能够在卷筒乱绳后向卷外部发送卷筒乱绳警告。

所述显示器执行起升机构、回转机构、变幅机构的变频器数据监控、硬件的温度监控、油位监控、振动监控、电机温度监控、云数据转发、传感器来源设置、行程标定任务。显示器显示内容包括三机构全部数据(机构传感器数据、变频器数据)。显示页面以简洁、易用为主。监控主页面主要显示三机构位置信息、变频网络状态信息、重量、力矩的载荷信息。

所述仪表盘监控起升机构、回转机构、变幅机构的力矩、重量、限位信息、实时速度、电机温度的参数；数据采集控制器、中控屏、仪表屏、卷筒激光传感器、视频监控系统均单独配有直流电源供电，避免信号的相互干扰，并备有一个直流电源作为备用方案。

起升机构、回转机构、变幅机构通过联动台手柄操作，联动台配有2个主令：左手主令控制回转、变幅机构，回转左、右各4档带触感，变幅前、后各4档带触感；右手控制起升机构，上升、下降各5档带触感；另配有主接触器上电、急停、故障报警、故障复位、加节、超重量报警、超力矩报警、相序错误报警、制动器失效报警、慢速就位等操作按钮开关和状态指示灯。为方便驾驶员操作中控屏，联动台上配备飞梭旋钮和光感传感器。

所述的塔机控制系统的控制方法包括以下步骤：

S1：系统初始化和状态监测：在启动塔机控制系统时，进行系统初始化和自检，包括检查电源、各个机构的连接和通信状态，并确保常运行；同时，监测各个数据采集子站和传感器的状态，确保正常连接和工作，如果有任何异常情况，及时报警并采取相应的纠正措施；

S2：自动控制模式：数据采集子站采集起升机构、回转机构和变幅机构的振动、幅度、风速、压力和重力数据，数据采集控制器对这些数据进行汇总和处理，根据预设的工作任务和操作要求，生成相应的控制信号以实现塔机各机构的自动运动和定位；

S3：限位保护控制：数据采集控制器通过连接的限位传感器或编码器设备监测起升机构、回转机构和变幅机构的运动范围，在塔机运行过程中，数据采集控制器实时监测机构的位置，并与预设的限位信息进行比较，当机构接近或超过预设限位时，数据采集控制器会发出警报并采取相应的控制措施；如减速、停止或调整运动方向，以确保机构在安全范围内运行。

S4：紧急制动控制：塔机配备紧急制动机构，用于快速停止塔机的运动，以应对紧急情况；当接收到紧急制动信号时，数据采集控制器会触发紧急制动装置，使塔机迅速停止并保持在安全位置，确保操作人员和周围环境的安全；

S5：风速控制：数据采集子站采集到的风速数据会被传输到数据采集控制器进行实时监测；数据采集控制器与预设的风速阈值进行比较；如果风速超过设定的阈值，数据采集控制器会发出警报，并采取相应的控制措施；如降低运行速度或停止危险操作，以确保塔机在高风速条件下的安全运行。

S6：数据显示和记录：数据采集控制器将汇总的传感器数据通过显示器进行展示，以便操作人员实时监测各个机构的参数和状态。，数据采集控制器还记录关键参数和操作历史；提供数据分析和故障排查的依据。

S7：远程控制和调整：数据采集控制器通过远程通信接口(如485通信接口、CAN接口等)与远程控制系统进行通信；通过远程控制系统，操作人员远程监测和控制塔机的运行状态，进行远程调整和操作。

本发明的技术方案不限于上述具体实施例的限制，凡是根据本发明的技术方案做出的技术变形，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种塔机控制系统，包括电源、起升机构、回转机构、变幅机构、紧急制动机构和安全保护机构，其特征在于：还包括数据采集子站、数据采集控制器、卷筒检测器、显示器和仪表盘，所述数据采集子站为多个，多个所述数据采集子站分别设置于所述电源、所述起升机构、所述回转机构、所述变幅机构、所述紧急制动机构和所述安全保护机构上，多个所述数据采集子站的数据输出端与所述数据采集控制器的数据输入端连接，所述卷筒检测器设置于起升机构的卷筒位置，所述卷筒检测器的数据输出端与所述数据采集控制器连接，所述数据采集控制器的显示与控制信号传输端与所述显示器和所述仪表盘连接。

2.根据权利要求1所述的塔机控制系统，其特征在于：所述数据采集子站采集各机构的振动、幅度、风速、压力、重力数据。

3.根据权利要求2所述的塔机控制系统，其特征在于：所述数据采集子站支持7路DI输入、2路继电器输出、3路PT100温度采样、1路风速/重量采样通道、1路模拟量高度采样通道、1路振动采样通道、1路NPN型传感器输入通道、1路液压检测通道、1路485绝对值编码器采样通道。

4.根据权利要求1所述的塔机控制系统，其特征在于：所述数据采集控制器收集数据采集子站的各项传感器数据汇总后进行云转发、适时语音提示、故障报警、HMI显示、关键参数仪表盘显示总控功能，包括3路485通信接口、2个DI接口、2个DO接口、1个CAN接口、1个SD卡接口。

5.根据权利要求1所述的塔机控制系统，其特征在于：所述卷筒检测器支持1路激光雷达数据解析，检测识别激光雷达采样的卷筒切线数据，实时监控卷筒状态信息，并能够在卷筒乱绳后向卷外部发送卷筒乱绳警告。

6.根据权利要求1所述的塔机控制系统，其特征在于：所述显示器执行起升机构、回转机构、变幅机构的变频器数据监控、硬件的温度监控、油位监控、振动监控、电机温度监控、云数据转发、传感器来源设置、行程标定任务。

7.根据权利要求1所述的塔机控制系统，其特征在于：所述仪表盘监控起升机构、回转机构、变幅机构的力矩、重量、限位信息、实时速度、电机温度的参数。

8.一种如权利要求1-7任意一项所述的塔机控制系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：系统初始化和状态监测：在启动塔机控制系统时，进行系统初始化和自检，包括检查电源、各个机构的连接和通信状态，并确保常运行；同时，监测各个数据采集子站和传感器的状态，确保正常连接和工作，如果有任何异常情况，及时报警并采取相应的纠正措施；

S2：自动控制模式：数据采集子站采集起升机构、回转机构和变幅机构的振动、幅度、风速、压力和重力数据，数据采集控制器对这些数据进行汇总和处理，根据预设的工作任务和操作要求，生成相应的控制信号以实现塔机各机构的自动运动和定位；

S3：限位保护控制：数据采集控制器通过连接的限位传感器或编码器设备监测起升机构、回转机构和变幅机构的运动范围，在塔机运行过程中，数据采集控制器实时监测机构的位置，并与预设的限位信息进行比较，当机构接近或超过预设限位时，数据采集控制器会发出警报并采取相应的控制措施；

S4：紧急制动控制：塔机配备紧急制动机构，用于快速停止塔机的运动，以应对紧急情况；当接收到紧急制动信号时，数据采集控制器会触发紧急制动装置，使塔机迅速停止并保持在安全位置；

S5：风速控制：数据采集子站采集到的风速数据会被传输到数据采集控制器进行实时监测；数据采集控制器与预设的风速阈值进行比较；如果风速超过设定的阈值，数据采集控制器会发出警报，并采取相应的控制措施；

S6：数据显示和记录：数据采集控制器将汇总的传感器数据通过显示器进行展示，数据采集控制器还记录关键参数和操作历史；

S7：远程控制和调整：数据采集控制器通过远程通信接口与远程控制系统进行通信；通过远程控制系统，操作人员远程监测和控制塔机的运行状态，进行远程调整和操作。