PLC在塔式起重机中的应用

摘要： 现代工程机械中广泛采用了各种类型的可编程控制器（以下简称PLC），本文简要阐述了PLC的主要特点和用途，详细地说明了PLC对塔式起重机四大机构以及各种安全监控装置进行控制的几种典型应用方式，通过PLC的应用，实现了塔机的高精度控制和高安全性的要求，使塔机运行的可靠性、安全性获得极大提高。

Abstract： Modern engineering machinery widely used various types of PLC. This paper briefly expounded the main functions of programmable control system. This paper detail descried several typical application modes on tower crane control of four large institutions and safety monitoring device. Through the application of PLC realized high precision control and high safety requirements of the tower crane. The tower crane greatly enhances reliability， safety.

关键词： 可编程控制器；控制；塔式起重机；应用

Key words： PLC；control；tower crane；application

中图分类号：[TU61] 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2012）33-0062-03

0 引言

可编程控制器是以微机技术为核心的通用工业自动控制装置，简称PLC。1969年美国在通用汽车公司生产线上首次成功地应用已有四十多年了，随着科技迅速发展和不断进步，PLC技术已与CAD/CAM、机器人技术一起被誉为当代工业自动化的三大支柱。早期的PLC只替代传统继电接触控制系统完成简单的控制功能，而现代PLC不仅能够完全胜任大量开关逻辑控制，而且还具有很强运动控制、闭环过程控制、数据处理、通讯及联网等能力。在发达的工业化国家，现代PLC已经广泛应用在所有的工业部门。我国PLC制造技术还比较落后，目前能够生产部分功能比较单一的中、小型PLC。我国建筑机械上主要使用的还是进口PLC系统，主要有美国艾伦-布拉德利公司、德国西门子公司、法国的施耐德公司、日本三菱公司、欧姆龙公司、富士电机公司、东芝公司、松下电工公司（MEW）等公司的产品，通过PLC控制系统将机、电、液、气、声、光等子系统有机的结合起来，使工程机械智能化方面取得了很大的发展，同时对工程机械的使用、管理、保养、维修工作也提出了新的要求。

可编程控制器的发展前景：技术发展速度更快、存储容量更大、可靠性更高；规模向超小型和超大型方向发展；产品向规范化、标准化，出现通用编程语言；通讯、联网能力更强，与工业控制计算机组网；而市场却出现PLC品牌垄断国际市场的局面。

PLC的主要优点：

①可靠性高，抗干扰能力强，能适应各种恶劣的环境。PLC内部由于输入端采用RC滤波器，光电隔离电路和屏蔽措施，因此具有了先进的抗干扰技术。另外，用PLC代替同等规模的继电接触器系统，各种继电器和接线触点大大减少，故障也大大降低，并可在各种工业环境下直接运行。

②配套齐全，功能完善，适用性强。五种标准化编程语言以及支持多种语言编程形式，可以满足特殊场合的控制要求，PLC发展到今天，涌现出大量的PLC功能单元，使PLC渗透到各种工业控制中。再加上PLC通信能力的增强和人机接口技术的发展，使用PLC组成的各种控制系统就变得非常容易。

③简单易学，深受工程技术人员欢迎。PLC接口容易，工程技术人员易于接受这种编程语言。梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图非常接近，许多电气电路的控制功能可以通过少量开关逻辑控制指令就能有效地实现，而且不必去研究复杂的电路图，即使不懂汇编语言和计算机原理的人也可进行操作和控制。

④系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造。PLC由于控制设备外部的接线减少，使设计及建造的周期缩短，同时维护也变得更加容易。更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。PLC模块大多编入故障自诊断程序、具有运行和故障指示装置，如某个模块发生故障，用户可及时更换故障模块，便于用户了解运行情况并使在出现故障的情况下系统迅速恢复运行。

此外，PLC模块还具有体积小，重量轻，能耗低、运行速度快等特点。

1 PLC在塔式起重机上的典型应用

塔式起重机是动臂装在高耸塔身上部的旋转起重机。作业空间大，是建筑工程中广泛使用的重要设备之一。塔机的主要机构有起升机构、变幅机构、回转机构和运行机构（如果是自升式塔式起重机，就没有运行机构）。起升机构、变幅机构及小车牵引机构在结构上非常相似，都由钢丝绳、电动机、联轴器、减速器、制动器和卷筒等部件组成。在电气控制上现在还有很大一部分塔式起重机仍使用继电器来进行控制。继电器控制虽然成本低，但继电器在控制动作时伴随有冲击震动，再加上起重机是一种起停频繁的机械设备，频繁切换，在大电流工作的状态下，易烧毁触头；使得这种控制系统寿命一般较短，维护运行费用较高，而且不能进行逻辑控制和数据运算功能。把PLC应用到塔式起重机中，可以有效地实现对起重机的控制并能显著地克服以上的控制缺陷。如图1：塔机监控系统的整体结构。

1.1 PLC对塔式起重机四大机构的控制 现在建筑行业广泛使用自升式塔式起重机，因此，我们就不必考虑塔式起重机的运行机构的控制问题，我们只考虑起升机构、变幅机构、回转机构的控制问题即可。实现对塔式起重机这几大机构的控制，可以通过编程产生正弦波脉宽调制波形驱动电动机（只要PLC定时器的精度符合要求），实现其变频调速，也可以通过常见的PLC和变频器的组合应用，产生了多种多样的PLC控制变频器的方法来实现对几大机构的控制。

本系统将塔式起重机控制系统由继电器控制改为PLC控制，四大机构调速均采用变频调速或PLC编程来控制塔式起重机，控制系统框图如图2所示。

塔式起重机的起升、变幅、回转电动机都需要独立运行，整个系统由4台电动机和4台变频器传动，使用一台PLC加以控制。

塔机需要控制的输入、输出量的要求决定了PLC系统的硬件配置，输入端可以设置控制起重机吊臂、伸缩机构和吊塔旋转机构的电机正反转的接触器，输出端可以设置控制每台电机正反转及电磁制动器的接触器。另外在选择plc硬件时要留有一定的余量，以备日后检修扩展之用。

起重机的旋转机构、变幅机构各自由一台三相交流异步电动机驱动，控制各台电机的正反转，完成其功能。起升机构由一台三绕组三速交流异步电机驱动，控制该电机以三种不同速度投人正反转完成其功能。将手柄扳到不同的位置，驱动机构的交流异步电机正反转，同时使制动器松开，小车变幅机构可以实现在起重臂上行走，以实现幅度变化的要求；旋转机构上的立式电机正、反转通过小齿轮带动大齿圈旋转以实现起重臂的旋转；起升机构设置有起升、下降按钮，同时可以设置不同的档位，分别对应提升或下降时的不同速度要求。另外还设置限位保护等装置。一旦上述保护装置出现故障，就立即停止相应操作，并发出报警信号显示故障原因。

1.2 PLC对塔式起重机安全监控系统的控制 塔式起重机属于特种设备，安全性要求高，因此设有许多安全装置以保护设备和人员的安全。塔式起重机中安全装置和作用包括：力矩限制器，限制起重臂相应幅度起重量；重量限制器，限制最大起重量；高度限制器，限制最大起升高度；变幅限制器，限制起重臂最大和最小幅度；回转限制器，防止塔机相同一个方向转动扭断电缆线；防脱绳装置，防止钢丝绳脱离工作位置，小车防断绳装置，防止变幅绳断裂小车自由滑动；小车防断轴装置，防止小车走轮断轴后坠落；各部位制动器，即是工作装置也就是安全装置；吊钩行程限位器，起升重物时，当吊钩上升到极限位置时，通过一些装置触触动触点开关，使起升机构断电停车，吊钩停止上升；小车行程限位器，设于起重臂的头部和根部，防止小车越位而造成事故；风速仪，对臂架根部铰点高度超过50m的起重机，必须在顶部装设风速仪。以前这些安全装置虽然大部分都有，但基本上都是机械式的，操作不便而且精度和使用可靠性方面较差。随着塔机安全性的提高以及PLC的发展，逐渐将PLC应用的塔机的安全装置中，通过多年的实践可以看出：PLC应用在塔机中可显著地提高塔机的安全性能：

1.2.1 起重量的监测：现在使用起重量限制器一般由两大部分组成，传感器和控制器。当起重机械起吊重物时，重量传输到定滑轮轴上安装的传感器使传感器产生微量电压变化，经仪表放大器放大后经转换器变成数字信号，数字信号直接由PLC读取。经钢丝绳对滑轮产生的合力由测力传感器间接测量获得，处理后换算成重量值，该值与额定起重量比较如达到110%的额定值时切断起升电机电源并报警。

1.2.2 回转角度及速度的监测：回转机构是由立式电机通过液力耦合器和减速器驱动回转电机驱动小齿轮转动，小齿轮驱动大齿圈回转。因此，回转机构的速度取决于大齿圈的转动速度，为了减小塔机的迎风面积，塔机的回转机构在非工作状态下必须保证“随风转”状态，由于此时电器设备都处于停机状态，为此可利用传感器轴齿轮与小齿轮啮合，当工作通电后，由PLC模拟量单元可间接获得当前回转部分所处的角度。

1.2.3 变幅小车位置及速度的监测：变幅小车位置及速度的监测包括吊钩高度和起升卷扬机速度的控制两部分的内容，这两部分速度的监控依靠轴和齿轮上安装的各种传感器与塔机相关部位连接，通过传感器将速度和位置的信息转换成电信号输出到PLC的主控制器上，然后通过控制器上反应的信息如前进、后退、正转、反转、起动、断电等去控制变幅小车位置及速度。

1.2.4 起升高度及速度的监测：检测方法与变幅检测方法基于PLC的塔式起重机安全监控系统设计相似，不同在于吊钩下降的高度是以塔机最大起升高度点作为参考零点，而实际起升高度应以地面作为参考零点。

塔机安全监控信号包括起重力矩、起重量小车幅度、变幅速度、吊钩高度、起升速度、回转角度、风速等信号，通过高度传感器、重量传感器、风速传感器、方位传感器、幅度传感器、GPS模块、监控仪表这些仪器仪表去将各机构传递的信号经过转换后输入主控制器，通过控制器将信号输入到显示屏幕上，显示塔机系统各机构当前工作状态的信息，用黄色指示灯预警、用红色指示灯报警、同时用文字提示各种预警、报警及其他信息，驾驶员可以根据预警提示去控制塔机的运行。

2 结束语

PLC应用于塔机控制，是塔机电控系统的一种进步。PLC作为信息处理及控制核心，在起重机上的应用主要有开关量逻辑控制、过程控制、高精度的运动控制、数据处理、通信及联网等方面。PLC控制的起重机在工作时随时可以根据现场的情况去设置速度、加档的时间和减速时间；提高了工作效率，定位更准确；节能效果明显，节电率可达35%；对齿轮、电动机无冲击，故障率低，易于维护，大大减少了维护作用；提高了行车的可靠性和安全性，延长了起重机的使用寿命。今后，随着自动控制技术的发展，塔式起重机将向智能化方向快速发展，这将对我们工程机械管理技术人员提出更高的要求。

参考文献：

[1]高钦和.可编程控制器应用技术与设计[M].人民邮电出版社，北京市：2004.7.

[2]王兆义.小型可编程控制器实用技术.北京：机械工业出版社，1997.

[3]谭庸琪.浅谈可编程控制器在工程机械上的应用[J].建筑与发展，2010（04）：79-81.

[4]王兆义.plc在起重机控制中的应用[J].电工技术，2000，（11）：36-37.

[5]陈一帆.基plc和触摸屏的塔机安全监控系统设计[J].湖南农机，2009，（11）：23-26.

[6]基于PLC的塔式起重机安全监控系统设计郑夕健[J].机电产品开发与创新，2007（9）：133-144.

[7]PLC在塔式起重机电气控制上的应用张礼华[J].南京工业职业技术学院学报，2004（3）：4-6.

[8]应用PLC和变频器改进塔吊性能施江肖.机电工程，2001（05）.

[9]李泰炯，田中平，谢其盛.塔式起重机控制系统的改进[J].维普资讯，2006（2）62-63.

[10]李秀忠.PLC在门座式起重机控制电路中的应用[A].煤矿机械，2004（1）：97-99.

[11]孙玉标.浅谈塔式起重机的改进及新技术应用[J].中小企业管理与科技，2008（12）：97-99.