【正文】 ............................................................................................................. 29 1 塔式起重機(jī) 的電氣控制設(shè)計(jì) 1 概述 本人 設(shè)計(jì)內(nèi)容為用可編程序控制器（ PLC）控制 塔式起重機(jī) ，主要設(shè)計(jì)其電氣控制部分。 本人 設(shè)計(jì)課題由朱學(xué)來(lái)老師提供，并得到電氣與信息學(xué)院批準(zhǔn)，其主要目的是解決目前 塔式起重機(jī) 控制中存在的一些問題，合理地利用 PLC 的硬件資源和軟件資源，提高 塔式起重機(jī) 的安全可靠性和操作的靈活性，減少 PLC 的輸入輸出端口，充分利用各種指令的簡(jiǎn)化控制程序，做到控制程序簡(jiǎn)單化，便于理解，并有一定的規(guī)律性以便能適合于不同 情況下 的控制要求。 本人 設(shè)計(jì)主要研究 塔式起重機(jī) 的電氣控制硬、軟件系統(tǒng)，并且簡(jiǎn)單的介紹 PLC的發(fā)展以及所選 PLC 的性能。 本次設(shè)計(jì)從選 PLC 型號(hào)著手，根據(jù)輸入輸出信號(hào)正確的設(shè)計(jì) PLC 接線圖，完成硬件部分設(shè)計(jì)，最后設(shè)計(jì)出合理的梯形圖，完成設(shè)計(jì)說(shuō)明書。 2 塔式起重機(jī)的發(fā)展及控制現(xiàn)狀 2． 1 塔機(jī)的發(fā)展 塔式起重機(jī)簡(jiǎn)稱塔機(jī)，亦稱塔吊，起源于西歐。 20 世紀(jì)末 20 余 年國(guó)外塔機(jī)技術(shù)發(fā)展的主要特點(diǎn)是： （ 1） 組合塔機(jī)（ Combination crane）或稱模塊塔機(jī)（ Modular tower crane）得到迅速發(fā)展。 （ 2） 一些超重型塔機(jī)相繼問世 （ 3） 適應(yīng)都市改建需要的城市塔機(jī)（ City Crane）應(yīng)運(yùn)而生并得到發(fā)展。 （ 4） 安裝架設(shè)速度快， 450~900kN*m 級(jí)塔機(jī)借助液壓伸縮臂汽車起重機(jī)作為安裝輔機(jī)，在 4~6 小時(shí)內(nèi)可以安裝完畢。 （ 5） 采用較完善的調(diào)速，操控系統(tǒng)和電子儀表。 進(jìn)入 20 世紀(jì) 90 年代以后，我國(guó)塔機(jī)行業(yè)隨著全國(guó)范圍建筑任務(wù)的增加進(jìn)入了一個(gè)新的全盛時(shí)期，年產(chǎn)量連年猛增，全國(guó)塔機(jī)總 擁有量截至 2021 年約為 6萬(wàn)臺(tái)，塔機(jī)出口業(yè)務(wù)始于 1988 年曾一度極為興旺，據(jù)統(tǒng)計(jì) 1993~1997 年出口共創(chuàng)匯近 8400 萬(wàn)美圓。至此，無(wú)論從生產(chǎn)規(guī)模，應(yīng)用范圍和塔機(jī)總量等角度來(lái)衡量，我國(guó)均堪稱世界首號(hào)塔機(jī)大國(guó)。 塔式起重機(jī)的電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 2 塔機(jī)的學(xué)名為塔式回轉(zhuǎn)起重機(jī)，屬于一種非連續(xù)性搬運(yùn)機(jī)械 2． 2 傳統(tǒng)的塔式起重機(jī)的控制現(xiàn)狀 塔 式 起 重機(jī)是我們建筑機(jī)械的關(guān)鍵設(shè)備在建筑施工中起著重要作用，我們只用了五十時(shí)間走完了國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家上百年塔機(jī)發(fā)展的路程，如今已達(dá)到發(fā)達(dá)國(guó)家水平并躋身于當(dāng)代國(guó)際市場(chǎng)隨著高層建筑發(fā)展，對(duì)施工機(jī)械提出了新 的要求 .于是， 160TM 附著式、 45TM 內(nèi)爬式、 120TM 自升式等都由我國(guó)自己設(shè)計(jì)并制造 。八十年代，國(guó)家建設(shè)突飛猛進(jìn)，建筑用最大的 250TM 塔機(jī)也應(yīng)運(yùn)而生 .進(jìn)人九十年代，現(xiàn)代化進(jìn)程不斷加快，國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)對(duì)塔機(jī)要求越來(lái)越高，眾多城市大型建筑、水利、電力、橋梁等不斷增加，市場(chǎng)的要求加快了新產(chǎn)品發(fā)的力度，先后有400TM900TM 水平臂和 300TM 動(dòng)臂式塔機(jī)，叩年代開發(fā)生產(chǎn)的塔機(jī)產(chǎn)品技術(shù)性能均顯著提高，起升機(jī)構(gòu)采用三速電機(jī)驅(qū)動(dòng)、渦流制動(dòng)、電動(dòng)換擋減速箱，變幅回轉(zhuǎn)采用雙速電機(jī)液力聯(lián)軸節(jié)驅(qū)動(dòng)，或采用變頻調(diào)速，有多種速度 ，工作平穩(wěn)生產(chǎn)效率高 .安全裝置齊全，動(dòng)作靈敏可靠，裝有防止誤操作和野蠻操作裝置，可杜絕安全事故。隨著 功 率 電子技術(shù)的發(fā)展，早在六十年代后期，國(guó)外就開始致力于晶閘管定子調(diào)壓調(diào)速技術(shù)的開發(fā)研究目前，該技術(shù)己進(jìn)入了成熟穩(wěn)定的發(fā)展應(yīng)用階段 .可編程序控制器 P 硯引人到交流電氣傳動(dòng)系統(tǒng)后，使傳動(dòng)系統(tǒng)性能發(fā)生了質(zhì)的變化 .在塔式起重機(jī)實(shí)現(xiàn)了抓斗的自動(dòng)控制和故障診斷、檢側(cè)顯示等，達(dá)到了新的技術(shù)高度。由變 頻 器 構(gòu)成的交流調(diào)速系統(tǒng)可取代直流調(diào)速系統(tǒng)，是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)特別是大規(guī)模集成電路制造技術(shù)的不斷發(fā)展的必然結(jié)果，符合起重 機(jī)的發(fā)展趨勢(shì) .適合發(fā)展大起重重量的起重機(jī)。 3 2． 3 塔機(jī)的優(yōu)點(diǎn)塔機(jī)產(chǎn)品分類 組 型 特性 產(chǎn)品 主參數(shù)代號(hào) 名稱 代號(hào) 名稱 代號(hào) 代號(hào) 名稱 代號(hào) 名稱 單位 表示法 塔 式 起 重 機(jī) QT 軌 道 式 上回轉(zhuǎn)塔式起重機(jī) QT 額定 起重 力矩 Kn*m 主參數(shù)*10 Z 上回轉(zhuǎn)自升塔機(jī) QTZ A 下回轉(zhuǎn)塔機(jī) QTA K 快裝塔式起重機(jī) QTK 汽車式 Q 汽車塔式起重 機(jī) QTQ 輪胎式 L 輪胎塔式起重機(jī) QTL 履帶式 U 履帶塔式起重機(jī) QTU 組合式 H 組合塔式起重機(jī) QTH 表 塔機(jī)分類形式及代號(hào) 塔機(jī)工作級(jí)別 塔機(jī)工作級(jí)別是設(shè)計(jì)人員進(jìn)行結(jié)構(gòu)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算的依據(jù)，根據(jù)利用等級(jí)和載荷狀態(tài)，塔機(jī)分為 6 個(gè)工作級(jí)別。 塔機(jī)載荷 始終或經(jīng)常作用在塔機(jī)上的載荷統(tǒng)屬基本載荷，其中包括：自重載荷，起升載荷，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)在啟動(dòng)和制動(dòng)時(shí)加減速引起的動(dòng)載負(fù)荷及離心力。 塔機(jī)參數(shù) 塔機(jī)參數(shù)包括基本參數(shù)和主參數(shù) ，基本參數(shù)共 10 項(xiàng)。 幅度 塔機(jī)空載時(shí)塔機(jī)回轉(zhuǎn)中心線至吊鉤中心垂線的水平距離。 起升高度 空載時(shí)，對(duì)軌道式塔機(jī)，是吊鉤內(nèi)最低點(diǎn)到軌頂面的距離，對(duì)其他形式起重機(jī)，則為吊鉤內(nèi)最低點(diǎn)到支承面的距離。 額定起升載荷 在規(guī)定幅度時(shí)的最大起升載荷，包括物品、取物裝置的重量 軸距 同一側(cè)行走輪的軸心線或一組行走輪中心線之間的距離 輪距 同一軸心線左右兩個(gè)行走輪或左右兩側(cè)行走輪組、輪胎或輪胎組中心徑向平面間的距離 起重機(jī)重量 包括平衡重、壓重和整機(jī)重 塔式起重機(jī)的電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 4 尾部回轉(zhuǎn)半徑 回轉(zhuǎn)中心線至平衡重或平衡臂端部 最大距離 額定起升速度 在額定起升載荷時(shí)，對(duì)于一定的卷筒卷繞外層鋼絲繩中心直徑，變速檔位，滑輪組倍率和電動(dòng)機(jī)額定工況所能達(dá)到的最大穩(wěn)定起升速度 額定回轉(zhuǎn)速度 帶額定起升載荷回轉(zhuǎn)時(shí)的最大穩(wěn)定轉(zhuǎn)速 最低穩(wěn)定速度 為了起升載荷安裝就位的需要，起升機(jī)構(gòu)具有的最小速度 塔機(jī)的主參數(shù)是公稱起重力矩 表 公稱起重力矩 100 160 200 250 315 400 500 600 800 1000 1250 1600 2021 2500 3150 4000 5000 6300 2． 4 塔機(jī)的電氣設(shè)備 塔機(jī)的主要電氣設(shè)備包括： 電纜卷筒－中央集電環(huán) 電動(dòng)機(jī) 操縱電動(dòng)機(jī)用的電器，如：控制器、主令控制器、接觸器、繼電器和制動(dòng)器等 保護(hù)電器：自動(dòng)熔斷器，過電流繼電器和限位開關(guān)等 主副回路中的控制、切換電器，如：按鈕、開關(guān)和儀表 屬于輔助電氣設(shè)備的有：照明燈、信號(hào)燈、電鈴、喇叭、通信手機(jī)等。 2． 5 塔機(jī)的工作機(jī)構(gòu) 塔機(jī)的工作機(jī)構(gòu)有 5 種：起升機(jī)構(gòu)、變幅機(jī)構(gòu)、小車牽引機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和大車走行機(jī)構(gòu)。 動(dòng)臂式塔機(jī)設(shè)臂架變幅機(jī)構(gòu)，兼有架設(shè)和變幅 2 種功能。 小車變幅水平臂架塔機(jī)設(shè)小車牽引機(jī)構(gòu)，或稱小車變幅 機(jī)構(gòu)。 固定式塔機(jī)不設(shè)大車走行機(jī)構(gòu)。 起升機(jī)構(gòu)、變幅機(jī)構(gòu)、小車牽引機(jī)構(gòu)在構(gòu)造上極為相似，均由電動(dòng)機(jī)、聯(lián)軸器、制動(dòng)器、減速器和卷筒等部件構(gòu)成。 5 3 PLC 的選擇與課題介紹 3． 1 PLC 的發(fā)展 可編程序控制器是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng) ,是專為工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的，可編程控制器（ Programmable Controller）縮寫為 PC，為與個(gè)人計(jì)算機(jī) PC（ Personal Computer）相區(qū)別，在 PC 中加一個(gè) L，稱可編程控制器為 PLC。 可編程序控制器問世以來(lái)，經(jīng)過近 30 年的發(fā)展，產(chǎn)品現(xiàn)已發(fā)展到第 四代。 1969年美國(guó)的 DEC 公司研制出世界上第一臺(tái)可編程序控制器，投入到通用汽車公司的生產(chǎn)線控制中，取的了滿意的效果，從此開啟了 PLC 的新紀(jì)元。 1971 年日本從美國(guó)引進(jìn)了這項(xiàng)新技術(shù)，很快就研制成了日本第一臺(tái)可編程序控制器 DSC8。 1973到 1974 年西德和法國(guó)開始研制自己的可編程序控制器。 1974 年我國(guó)開始研制可編程序控制器。 可編程序控制器為了適應(yīng)在工業(yè)環(huán)境中使用，有如下的特點(diǎn)： A．可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)； B．控制程序可變，具有很好的柔性； C．編程簡(jiǎn)單，使用方便； D．功能完善； E．?dāng)U充方便，組合靈活； F．減少控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及施工的工作量； G．體積小，重量輕，是 “ 機(jī)電一體化 ” 特有的產(chǎn)品。 從 PLC 的發(fā)展趨勢(shì)看， PLC 控制技術(shù)將成為今后工業(yè)自動(dòng)化的主要控制技術(shù)。在未來(lái)的工業(yè)生產(chǎn)中， PLC 技術(shù)、機(jī)器人、 CAD/CAM 和數(shù)控技術(shù)等將成為 實(shí)現(xiàn)工業(yè)自動(dòng)化的支柱技術(shù)。 3． 2 PLC 的控制原理 可編程控制器是一種工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，其核心就是一臺(tái)計(jì)算機(jī)。但由于有接口器件及監(jiān)控軟件的包圍，因此，其外形不像計(jì)算機(jī)，操作使用方法、編程語(yǔ)言甚至工作原理都與計(jì)算 機(jī)有所不同。另一方面，作為繼電控制盤的替代物，由于其核心為計(jì)算機(jī)芯片，因此與繼電器控制邏輯的工作原理也有很大區(qū)別。 可編程控制器的工作過程如下： a)輸入處理 程序執(zhí)行前，可變成控制器的全部輸入端子的通 /斷狀態(tài)讀入輸入映像寄存器。在程序執(zhí)行中，即使輸入狀態(tài)變化，輸入映像寄存器的內(nèi)容也不變，直到下一掃描塔式起重機(jī)的電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 6 周期的輸入處理階段才讀入這變化。另外，輸入觸點(diǎn)從通（ ON）→斷（ OFF） [或從斷（ OFF）→通（ ON） ]變化到處于確定狀態(tài)止，輸入濾波器還有一響應(yīng)延遲時(shí)間（約10ms）。 b)程序處理 對(duì)應(yīng)用戶程序存儲(chǔ)器所存的 指令，從輸入映像寄存器和其他軟元件的映像寄存器中將有關(guān)軟元件的通、斷狀態(tài)讀出，從 0 步開始順序運(yùn)算，每次結(jié)果都寫入有關(guān)的映像寄存器，因此，各軟元件（ X 除外）的映像寄存器的內(nèi)容隨著程序的執(zhí)行在不斷變化。 輸出繼電器的內(nèi)部觸點(diǎn)的動(dòng)作由輸出映像寄存器的內(nèi)容決定。 c)輸出處理 全部指令執(zhí)行完畢，將輸出 Y 的映像寄存器的通、斷狀態(tài)向輸出鎖存寄存器傳送，成為可編程控制器的實(shí)際輸出。可編程控制器內(nèi)的外部輸出觸點(diǎn)對(duì)輸出軟元件的動(dòng)作有一個(gè)響應(yīng)時(shí)間，即要有一個(gè)延遲才動(dòng)作。 3． 3 用 PLC 控制塔機(jī)的優(yōu)越性 《可編程控制器原理及應(yīng) 用》為電氣控制、機(jī)電一體化專業(yè)的重要專業(yè)基礎(chǔ)課之一。它所涵蓋的知識(shí)面相當(dāng)廣泛，對(duì)學(xué)生的要求比較高。不僅要具備良好的編程知識(shí)，而且還應(yīng)具備其它相關(guān)專業(yè)領(lǐng)域內(nèi)的知識(shí)，并具有主動(dòng)探索知識(shí)的能力?？删幊炭刂破魇抢^單片機(jī)、 STD 總線后微機(jī)控制技術(shù)應(yīng)用的又一里程碑。由于極高的可靠性及應(yīng)用極為方便，國(guó)內(nèi)外正在迅速普及應(yīng)用，并提高發(fā)展。它早已突破純粹開關(guān)量控制的局限而進(jìn)入到過程控制、位置控制、通信網(wǎng)絡(luò) 圖形工作站等領(lǐng)域，成為機(jī)電控制及過程控制不可缺少的核心控制部分。微機(jī)技術(shù)已經(jīng)并繼續(xù)在改變世界。以微機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)的可編程控制 器也正在改變著工廠自動(dòng)控制的面貌。近 20 年來(lái)隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，可編程控制器以其可靠性極高，能經(jīng)受惡劣環(huán)境的考驗(yàn)使用極方便的巨大優(yōu)越性，迅速占領(lǐng)工業(yè)自控領(lǐng)域，成為工業(yè)自動(dòng)控制的首選產(chǎn)品，與機(jī)器人、 CAD/CAM 并稱為工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化的三大支柱。 起重機(jī)是一種循環(huán)、間歇運(yùn)動(dòng)的機(jī)械，主要用于物料的裝卸，在工業(yè)生產(chǎn)、建筑及物流系統(tǒng)中是不可缺少的設(shè)備，有著廣泛的用途。塔式起重機(jī)是起重機(jī)的一種，適用于冶金、水泥、化工、及其他企業(yè)的倉(cāng)庫(kù)和車間，在室內(nèi)或露天的固定空間，從事礦石、石灰石、礦粉、焦渣、焦碳、煤、礦等散粒物 料的搬運(yùn)工作。由于該類型設(shè)備笨重，運(yùn)輸安裝困難，對(duì)其他產(chǎn)品質(zhì)量的檢測(cè)一般要在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行。 由于對(duì)塔式起重機(jī)的檢測(cè)需要在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行，就要求檢測(cè)控制設(shè)備要接線方便、便于攜帶、工作可靠、控制靈活、 PLC 可以滿足這些要求。 7 3． 4 塔機(jī)的電氣控制設(shè)計(jì)內(nèi)容 我主要設(shè)計(jì) 起重機(jī) 的 PLC 控制系統(tǒng) ， 主要完成電氣控制部分 ，起重機(jī) 控制應(yīng)具有靈活的控制方式 ， 合理的運(yùn)行方式 。 塔機(jī)工作機(jī)構(gòu)分為 5 種：起升機(jī)構(gòu)；變幅機(jī)構(gòu)；小車牽引機(jī)構(gòu)；回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和大車走行機(jī)構(gòu)。動(dòng)臂式塔機(jī)設(shè)臂架變幅機(jī)構(gòu)，兼有架設(shè)和變幅兩種功能。起升機(jī)構(gòu)，變幅機(jī)構(gòu)及小車牽引機(jī)構(gòu) 在構(gòu)造上極為相似，均由電動(dòng)機(jī)、聯(lián)軸器、制動(dòng)器、減速器和卷筒等部件組成。 3． 5 PLC 的選型 CPM1A 系列 PLC 是歐姆龍公司生產(chǎn)的小型整體式可編程序控制器。其結(jié)構(gòu)緊湊，功能性強(qiáng)。 CPM1A 系列 PLC 屬于高性能小型機(jī)，它包括多種類型的主機(jī)， I/O 擴(kuò)展單元、實(shí)現(xiàn)模擬量輸入 /輸出的特殊功能單元以及實(shí)現(xiàn)對(duì)外通信的通信單元等。 CPM1A 系列 PLC 主機(jī)類型見表。 表 31 PLC主機(jī)類型 主機(jī)類型 型號(hào)