浅谈塔式起重机的电控系统

浅谈塔式起重机的电控系统

王剑灏1  王阳阳2

陕西建设机械股份有限公司  陕西省  西安市  710201

摘要：本论文主要介绍了塔式起重机电控系统结构及原理。通过对塔式起重机电控系统的结构及电气原理进行分析，详细介绍了塔式起重机电控系统各个电气元件的工作原理和一些常见问题和解决方法，讨论了CAN通信方式在塔式起重机电控系统中应用的可靠性优势以及未来的发展方向。本文旨在对塔式起重机电控系统的学习和研究提供一些参考和帮助。

关键词：塔式起重机、电控系统、原理、CAN通讯

1. 引言

塔式起重机是建筑施工和物流运输中常用的一种起重机械，具有起重作业效率高、操作灵活、安全可靠等优点。其中，电控系统是塔式起重机重要的组成部分，它对整个起重机的性能和安全性起到重要的影响作用。因此，研究塔式起重机电控系统框架及原理是提高塔式起重机性能和安全性的一项重要研究方向。

2. 塔式起重机电控系统的原理、系统框架及通讯方式

2.1 塔式起重机电控系统原理

2.1.1变频器驱动

变频器是塔机电控系统的关键组成部分，它主要通过控制电机输出的电压和频率来控制电机的转速。变频器通过将输入的工频交流电转换为直流电，再通过PWM调制实现输出为可变频率交流电，根据联动台的输入信号控制变频器输出相应的电压和频率，从而控制电机的转速。

2.1.2 PLC控制

PLC控制器是系统另一个关键的组成部分，它主要负责控制塔机的各项动作的逻辑控制及保护。PLC控制器通过输入（DI）和输出（DO）来获取外部传感器的限位信号和控制塔机运行的通讯信号，然后根据预设的程序进行逻辑判断和处理，从而控制塔机的运行和动作。

2.1.3塔机电机速度控制

变频器驱动电机实现了塔机电机的速度控制。变频器需要接收从PLC控制器发送的控制指令，通过PID调节算法控制电机的输出电压和频率，从而精确控制塔机电机的速度，使其达到预期要求。

2.1.4.塔机动作控制

PLC控制器实现塔机的动作控制。当需要进行起升、下降等动作时，PLC控制器接收联动台的控制指令，根据预设的程序进行逻辑判断和处理，控制电机加速、减速、正反转及停止保护等动作，实现塔机的动作控制。

2.2 塔式起重机电控系统拓补图

系统拓补图

如上图所示，塔司通过联动台完成对塔机控制信号的输入，系统通过DI数字信号方式将塔机控制信号输入至PLC中。PLC控制器接收联动台的控制指令，根据预设的程序进行逻辑判断和处理，将安全的实际控制信号通讯方式与变频器进行交互。变频器收到控制信号后输出可变频率交流电，从而达到对三大机构电机进行驱动及保护的控制功能。

与此同时，PLC与安全监控系统保持实时通讯，将系统内DI、DO控制点通断状态及变频器运行重要参数等信息，通过CAN的通讯方式传输至安全监控系统，从而通过系统人机交互界面进行显示。

2.3塔式起重机电控系统通讯方式简述：

在塔式起重机整体电控系统中，联动台、PLC、变频器和限位保护等电气元件都需要进行信息交互。采用CAN通信方式可以使各部件之间进行可靠、高速的通信，提高塔式起重机电子系统的可靠性和稳定性。

2.3.1CAN通讯简述

CAN通信即是以控制器局域网 (Controller Area Network) 为代表的一种工业现场总线，是由德国的博世公司最先提出。首先在汽车行业进行推广，经时间推移逐渐进入到工业生产领域中，然后机械制造、通信系统和设备监控等领域中，均有广阔的发展，而且在各领域的地位越来越重。 CAN作为一种串行通信网络，，是因为它具有以下优势：

1. 通信速率高，最高可达1M bps;
2. 抗干扰性能好，能有效防止电磁干扰对通讯质量的影响；
3. 通信线路简单，便于系统设计和维护；
4. 能够进行多对多的通讯，形成多级网络，扩展性强.

2.3.2电控系统通讯简述：

   电控系统中运用到了CAN总线，因此，需要选择一种符合系统要求的拓扑结构。而在网络拓扑中，总线型拓扑采用单一信道作为传输介质，因此，布线相对容易，所需电缆相对较少，此外，增加和减少节点很容易。本系统所用的拓补方式是总线型，具体通讯拓补如下所示：

电控系统通讯拓补图

  如上图所示，电控系统的逻辑控制元件PLC通过CAN通讯方式与联动台、重量限制器、力矩限制器、变频器等重要元件均实现了实时通讯，CAN通讯在塔机电控系统的应用中具备以下优势：

1. CAN通讯采用差分信号，如遇干扰噪声一般会等值、同时的被加载到两根信号线上，使得信号传输过程中抗干扰能力强，提高系统的可靠性；
2. 联动台、变频器、限位器等元件采用CAN通讯，可有效减少各种线束数量，布线灵活，降低布线成本，降低系统的故障率；
3. 当系统出现故障时，可通过PLC主机直接进行系统诊断，并在人机交互界面中显示，有效提高电控系统故障的排故效率；
4. 组网自由，拓展性较强，对于后期需要对电控系统功能进行优化及开发时，可直接对将相应拓展模块与现行CAN网络进行组网即可。

3. 塔式起重机电控系统的常见故障解决

3.1起升系统故障

3.2变幅系统故障

3.3回转系统故障

4. 塔式起重机电控系统的发展方向

1. 自动化与智能化：未来的塔机将朝着更高级别的自动化和智能化发展。通过引入传感器、监控系统和机器学习等技术，塔机可以自动识别和适应复杂的工程环境，实现更高程度的自主操作和智能决策，提高工作效率和安全性。
2. 协同作业与自适应性：未来的塔机将更加注重与其他机械设备和自动化系统的协同作业。通过信息共享和互操作性的提高，塔机可以与其他工地设备进行更有效的配合，实现工程施工流程的协同优化；同时，塔机也将具备更高的自适应性，能够适应复杂多变的工程需求，灵活应对各种操作场景。
3. 绿色环保与能源节约：未来的塔机将更加注重绿色环保和能源节约。通过使用低噪音、低排放的电动机、加强能量回收和再利用等技术手段，降低塔机的对环境的影响，提高使用效率和节能减排。

6. 结论

首先，本文从塔式起重机电控系统的拓补结构和电气原理进行了研究和分析，并简述系统所采用的通讯方式，讨论该产品在实际应用中的优势；其次，就塔机电控系统在实际应用中存在的一些问题和解决方法进行了列举及分析；最后，对塔机未来的发展方向进行了思考。本文的研究有助于提高塔式起重机电控系统的安全性及拓展性，为该技术的发展提供了一定的参考和指导。

参考文献：

1. GB/T 13752-2017塔式起重机设计规范[S]
2. 基于CAN总线的塔机安全监控系统的设计[J] 电脑知识与技术 2016 （12） 38-48
3. CAN总线网络通信影响因素分析与应用[J] 通讯设计与应用