塔式起重机自动控制系统

摘要：塔式起重机是建筑行业中广泛使用的重要设备之一。很大一部分塔式起重机仍使用传统的继电器硬接线电气控制系统。继电器硬接线控制虽然成本低，但动作时有冲击，加上起重机是一种频繁起停的位能性承载设备，使得这种控制系统寿命一般都比较短，维护投入大；此外这种控制系统致命的缺点是无法进行数据运算[1]。本文基于一台塔式起重机系统，对该系统的电气控制的实现，进行设计、软硬件配置及系统功能方面的详细阐述。

关键词：PLC 冗余 Profibus-DP 组态王

1 引言

塔式起重机是承载贵重物品的塔式起重机，是对电气控制系统的工作精度和可靠性以及运行时的平稳性提出了更高的要求。为此，我们需要一种能够满足经济、环保、节能的高度自动化系统，其冗余及故障安全功能的可编程控制器是必须的要求。西门子SIMATIC H系统将发生中断的单元自动切换到备用单元的方法实现系统的不中断工作，通过部件的冗余实现系统的高可靠性[2]，即硬冗余。我们选用的是西门子414-4H系列硬冗余PLC，保证系统在单台CPU故障的状态下，实现无扰切换。

2 设备构成

该塔式起重机安装在距离地面约80米高的建筑顶部，主要作用是吊装贵重物品。要求是故障率低，动作快速平稳，在任何时刻都不能停机，并且需要具备程控和本地控制两种方式，同时配有视频监控和本地操作单元。塔式起重机由五个机构组成，分别是主起升、副起升、旋转、变幅和配重系统，每个机构均为多档位控制，且采用两台同规格变频器进行热备。基本控制模式分为自动和手动两种，自动模式下，根据起升机构吊装的载荷以及所处的位置，配重机构随之调整以保证系统平衡。

3 系统描述

3.1 控制系统

控制模式分为操作台手动/程序控制（台控手动/程控）和近控制点控制（近控），由控制台上的按钮进行选切。近控模式基于吊装贵重物品时，操作人员应处于最佳观测点操作的理念，分别在建筑物本地的一层、六层、七层、八层和九层设五个近控接驳点。操作人员手持近控盒（SIMATIC MP177），将连接线与接驳点连接，站在接驳点附近的观测点上，进行手动控制。当近控盒连接到接驳点上后，操作台对其进行确认并使能该近控盒的控制功能，并封锁其他接驳点。出于安全层面的考虑，近控模式中，主副起升机构的运行档位仅为五档。在台控手动模式下，吊装系统所有的动作均由操作台的按钮来实现。除了整个系统的运行状态总览之外，还包括诸如历史记录查询，部件寿命查询等功能。在台控程控模式下，吊装系统的动作通过选择软件中预设的任务组自动执行。预设组可以由有权限的使用者进行添加、修改、保存和执行，在选择预设组后，在预览窗口中出现相应的动作预览。

3.2 驱动系统

塔式起重机作为一种搬运与起升设备，对起升机构的要求是：起、停运行平稳，不溜钩，能够空钩高速运行，以便提高效率。回转机构具有较大的惯性冲击，启动过快造成的冲击大，停车和打反转都不允许过快过急，否则不仅运转不平稳，还会损坏机构[4]。为了保障系统的稳定运行，本系统采用Vacon变频器作为驱动单元，并且每一机构均采取一运一备的配置方式。Vacon NX系列变频器能够通过编码器反馈形成闭环矢量控制，并且其特有的机械抱闸应用宏允许变频器在四个象限工作、200%力矩起动，且起动次数频繁，完全满足本系统的要求。所有机构均采用编码器测量与限位点测量相结合的方式，配合负载的重量反馈，在自动模式下进行联动，保证吊装系统的安全。

4 结语

本塔式起重机系统运行五年多以来，无一起重大事故，电气供配电系统及自动化控制系统运行稳定可靠，有效地降低了危险性，取得了十分显著的经济效益，在类似行业具有很高的推广价值。

参考文献

[2]西门子冗余系统指南[M].Siemens AG，2008.1.

[3]通过DP/DP Coupler连接S7-300DP CPU到S7-400H冗余系统[M].Siemens AG，2008.7.

[4]高宇，宗鸣，孙一丹.Vacon变频器在塔吊控制系统中的应用[J].电气开关，2007.