高培畅

摘 要：塔式起重机是广泛使用在建筑、冶金、物流等行业中的重要设备之一。塔式起重机的主要作用是物料的提升和下放，主要应用于建筑行业中的设备，属于循环、间隙运动的机械。文章主要研究变频器塔式起重机电气控制系统。

关键词：变频器；PLC；塔式起重机

1 概述

塔吊的组成部件众多，但在这其中，电动机对于系统的作用是最重要的，因为它是机械系统的主要驱动元件，是将电能转换为生产所需的机械能的主要装置。电机良好的电气性能能够改善机械系统的性能，提高系统的可靠性，降低故障可能性，从而降低维护成本。

塔式起重机的电气执行机构构成需要至少进行三个方向的控制，分别是垂直方向的起升机构、水平方向小车进退的变幅机构以及吊臂旋转的回转机构。

所以此次设计将采用的是传感器限位控制，主要使用的是旋转编码器和转速传感器，旋转编码器的工作方式类似于它在电梯中的，只是我们进行的转速调节线性平滑度要求较低。同时速度转速传感器可以配合变频器进行PID闭环转速调节。

2 变频器概述

西门子MM440系列变频器是一款具有代表性的三相交流异步电动机驱动设备，属于通用型矢量变频器，基于三线交流异步电动机稳态数学模型的控制方式，其核心是通过协调控制电压和频率，最大程度保证电动机气隙磁通稳定与额定值。该变频器提供的此类控制模式有：线性V/f 控制、抛物线V/f 控制、可编程多点设定V/f 控制、磁通电流控制等。此外，还有矢量控制功能。

3 方案的设计

3.1 塔式起重机的运行控制要求

塔式起重机的主要作用是物料的提升和下放，主要应用于建筑行业中的设备，属于循环、间隙运动的机械。总体的功能要求：

（1）起升机构

吊钩的升降机构的工作状态分为空载和轻载、重载两类。

（2）变幅机构

小车的变幅机构进行的是小车在塔臂进行的进退运动，前臂尖端和末端皆安装有限位开关。它也能够通过变频器对电机进行速度控制，由于类似回转机构具有一定的惯性冲击，起动和制动不能过快。

（3）回转机构

吊臂的回转机构完成的是吊臂的顺向逆向转动，其具有较大的惯性冲击，起动不能过快。停车和反打传都不允许过界，否则不仅运转不平稳，还会损坏机构。因此还通过回转专用减速机，同时采用变频调速使起动、制动平稳。

3.2 塔式起重机电气控制系统的设计分析

针对上面提到的控制要求，获得的起重机的电气控制系统分层结构。分层结图2。

根据控制要求初步设计了对应的实物的系统总框图，如图3所示。结合设计控制要求，从图中我们可以看出，整个系统的结构其实是多并联回路的控制系统。PLC控制器作为整个系统的上位机，主要职能是接受传感器采集的信号并进行处理运算，然后发出指令，主要是给下位机（以变频器为主）发送指令信号，这样也基本形成了闭环反馈控制的思路；其实PLC最基础的作用是進行逻辑控制，即作为软开关进行继电器的通断控制，实现各机构的工作状态的切换。

PLC控制器的下位机是变频器和若干的传感器。变频器是整个系统驱动电动机的设备，它能够实现电动机的矢量控制。

本系统使用的主要传感器为旋转编码器和限位开关。在实际的系统中，结构图中的PG卡（脉冲发生器，Pulse Generator）是配合旋转编码器完成电动机转速采集的选件，它可以将不同输出形式的编码器信号进行转换、隔离，输出可以适配控制器的信号，以达到矢量变频控制。主要实现的功能有：电平转换，模数转换，光耦隔离，整型等。

根据控制要求和系统总框图进一步确定系统软件控制流程，通过软件流程图确定基本的控制顺序。

4 结束语

本次设计主要是实现PLC与变频器结合的塔吊电气控制系统的设计，以了解现代自动塔吊系统的发展方向和控制系统中的可改进之处，同时也是设计更加效率的塔吊系统。与传统继电-接触器控制系统相比，现代软接触器控制的系统可以更加精确地进行控制，结合现代自动控制理论，功能更加完善，操纵性也更强。

另外，本论文篇幅有限，没有设计本系统的控制电路图和PLC程序，读者可自行设计。

参考文献

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