塔式起重机电控实训平台的研究与开发

张强 赵事洋

摘要：通过对目前常用塔式起重机工作过程的调研，结合塔式起重机电气控制电路容易出现故障的现状，利用电机技术、变频技术、PLC技术，设计制造出塔式起重机电控实训平台，供教学与实训使用。

关键词：塔式起重机；电控实训平台；研究与开发

1 前言

塔式起重机俗称塔吊，是目前建筑工地上应用最为广泛的垂直运输机械。随着社会经济的蓬勃发展，城市规划及建设的进程日益加快，工业与民用建筑的需求量大幅增加，建筑行业中必不可少的塔式起重机市场需求量呈直线上升趋势，这对塔式起重机的维修保养人员也提出了更高的要求，在塔式起重机出现的故障中，电气类故障的比例远远大于机械类故障，因此，有必要开发出一套塔式起重机电控实训平台，用于塔机企业维修人员和电气类学生的教学与实训。

2 实施方案

塔式起重机电控实训平台使用了真实塔机标准座椅及操作台，配合模拟变频电机、双速变幅电机、真实回转力矩电机，可以展示变频器与PLC控制原理及回转调压调涡流控制系统。

2.1 控制系统控制系统

由座椅、联动台、回转变幅电控箱、电源及起升电控箱（ALFV）组成。

联动台采用WLK3型主令控制器，用于塔机二次回路中电机的倒顺，1-5挡调速、制动、缓冲、阻尼、联动、分动控制操作。

回转变幅电控箱采用施耐德OSM32N3D32（额定电流32A）回转断路器；采用专用控制器RCV对双向可控硅（SKKT92-12）进行控制实现调压调速，同时对半控硅MFA40-8进行控制实现调涡流调速，最终实现回转的平滑无极调速，特点是启停平稳、冲击小、操作方便、效率高，并配有定点吊装的锁臂功能，以保证在有风的情况下实现稳定平稳的吊装。断电时可以通过风标按钮实现风标自动工作，并有指示灯指示，以保证在非工作状态下大臂可以自由随风转动，并确保安全。变幅断路器采用施耐德OSM32N3D32（额定电流32A）工作电压AC380V，双速电机正反转接触器控制，电气互锁，响应快，方便稳钩。

电源箱主空开采用施耐德NSC160S3160空开（额定电流160A，三相），并配有XJ11G型相序保护继电器（具有缺相、错相、过压、欠压保护功育eJ，主接触器采用施耐德LC1D95E7C接触器，线圈AC48V，额定电流95A，电控箱侧面配有红色自锁型维修按钮（LAYSOC-20），当维修时按下，即可切断主电源，防止意外送电导致的触电事故，电控箱内配有电笛，用以危险警示，提醒工人注意躲避吊物。

变频起升箱的变频器采用施耐德ATV71系列变频器，可编程控制器采用施耐德小型PLC，空开、断路器、接触器、继电器全部采用施耐德品牌。施耐德ATV71系列变频范围宽、精度高，可变频率从0-100Hz，频率精度提高至：模拟设定时为最高频率设定值的士0.2%，数字设定时为最高频率设定值的士0.1%。维护性能提高，监视器能显示运转频率、电压、电流、线速度、故障状态、机电轴转矩等28种功能。低振动和低噪音采用新开发的正弦波PWM控制技术，改善了电流波形，从而减轻了运转抖动；采用了第三代IGBT，实现了高频率和低噪声化。在矢量控制条件下，调速范围还可以扩大，能实现电机失电后快速制动，制动时间小于0.25s，过载能力强，1min过载180%}3min过载150%，低速性能好，低速时转矩平滑，无爬行现象。

2.2 机构

回转采用95NM-F1力矩电机，型号YPEJ112M-4，扭矩95N}m，带制动器（Fl）；水平变幅采用模拟双速小电机；起升采用小型变频电机模拟。

2.3 控制方式

采用现塔机行业广泛应用的主流控制方式：起升采用法国施耐德ATL71变频器与PLC，控制方式效仿世界著名塔机品牌POTAIN的标配产品，其起重专用软件，更是针对起重行业特点开发，拥有轻载增速等特有功能。此系统可全方位模拟起升、回转、变幅等大中型高端塔机的实际变频系统的设计原理、注意事项、变频器实际操作技巧、常见故障解决方案，使学员可以全面了解变频系统在塔机各机构中的应用，并可熟练掌握实际操作技巧。

回转采用双向可控硅驱动力矩电机，通过调压、调涡流组成平滑无极调试系统，为目前国内外中小型塔机广泛应用的控制方式。以真实控制系统与真实力矩电机相配合的方式，形象生动地解读控制理论的特点、优点，把复杂难明的回转力矩电机结构、枯燥的理论转变为生动画面。变幅机构采用的是小型塔机惯用的双速电机直接启动的控制方式。

2.4 未来扩展

起升机构未来扩展：可以加装行程限位器（但是无法像实际一样与机构联动）、力矩限位器（真实塔机保护钢结构的安全装置，装于钢结构上，此系统没有实际钢结构，无法安装，但可以采用模拟开关或指示灯模拟演示）；制动器确认开关（安全装置的一种，一般变频机构配置），可以采用接触器加开关模拟其功能；第二制动器，无法模拟；起重量限制器，可以采用开关模拟，但其功能演示时需人为按动开关配合；超速开关，可以采用开关模拟。

回转行程限位器未来扩展：可以采用实物开关，但无法联动。变幅行程限位器及力矩限位器未来扩展可以采用实物开关。电子力矩显示器（内有黑匣子）未来扩展，可独立安装。

起升、变幅为模拟电机，没有卷筒，无法模拟实际塔机缠绕钢丝绳及起吊重物的功能，回转虽为真实电机，可直接应用于实际产品，但是由于体积较大，恐无法安装于未来钢结构模型上（如果要实现钢结构与机构电控联动，则需要从整体结构空间、形式考虑，钢丝绳走向，静滑轮、动滑轮布置位置，变幅小车，倍率，吊钩等）。由于各机构为模拟电机，与实际电机相比缺少制动器。

3 教学与实训效果

应用编程序控制器，对电动机的驱动与制动特性进行科学的组合控制。绕线电动机与涡流制动器相结合，是日前塔机调速应用的主流。编程序控制器以按照启动、加速、运行、减速、停止的顺序，将电动与制动特性科学地组合起来，满足塔机传动机构的需求。

准确設置动作顺序应用口编程序控制器，口设置下列动作：2个电动机切换时，先断电再通电；电动机通电时，先通转子后通定子；电动机断电时，先断定子后断转子；回路接通时，先接通制动器部分再接通电动机部分；回路断开时，先断开电动机部分再断开制动器部分。调速换挡按顺序要求依次完成，为防止接触器断开与闭合互相}一扰，采用高精度延时继电器完成电气动作切换。

智能化指令控制编程控制器具备对指令进行判断的功能，其将指令看成是一个矢员，根据力矩的性质按照运行要求调整力矩的种类及大小，满足加速、减速及平稳调速的要求，能够做到重载低速和轻载高速，无论在恒功率还是恒转矩运行区均定载多速运行，实现了控制指令智能化。根据拖动对象的特点，对相关力矩进行有效组合控制，实现停车准确定位，使传动机构按照人性化的要求有序运行，山此降低故障率，提高系统工作效率。

4 结语

本设计产品由真实的驾驶联动台、高清晰显示终端和高比例塔式起重机模型组成。通过真实的驾驶联动台，再现塔式起重机操作人员在操作过程中看到的情况，并通过高精度微缩模型的动作实现与操作者实时互动，让操作人员产生身临其境的感觉。受训人员先通过塔机模拟操作，学习塔机的各种功能及操作要点，迅速掌握操作塔机的技能后，再到塔机上进行实地演练，适合对大批量人员进行培训，能大幅度降低培训成本。

参考文献

[1]张建宏.塔式起重机电控实训平台的研究与开发[J].机电信息，2018（12）：133+135.

[2]陈天惠.塔式起重机电控系统的技术升级与智能管理[J].工程机械与维修，2017（01）：60-64.

（作者单位：沈阳三洋建筑机械有限公司）