摘 要

本文是在以港口工程现场为背景下对塔式起重机变幅机构进行智能化的电控系统设计。我国自主研发设计制造的塔式起重机在港口生产应用上取得了一定的成绩，但与塔机技术先进国家之间仍有较大差距，在电气控制和系统布局上进一步加强。本文研究的主要内容正是为了实现起重机的自动化和智能化。

首先主要介绍了国内外塔式起重机发展历史和未来展望，在港口生产的背景下总结塔式起重机变幅机构需要实现的功能。

其次确定塔式起重机硬件部分如接触器、断路器、空气开关、继电器、风速仪、变幅限位器等，并根据现场情况确定了变极调速的电机调速方式。在实际生产中选用性能较好的硬件不仅能确保生产的效率还能保证安全。

最后根据港口生产需要对小车变幅的主电路、控制电路和保护电路进行了设计。其中保护电路如变幅限位、电机电压的三相不平衡、电压缺相和错相等。考虑实际需要的输入输出信号点数最终确定本次设计选用的PLC型号为三菱FX2N-80MR-D，设计出了PLC外围控制电路和实现塔机具体功能的梯形图。

起重机行业未来的向着机械与电子结合，将高端的控制技术、计算机监测技术和电力电子技术贯通于机电产品中的发展。

关键词：塔式起重机；电气系统;变幅机构;可编程控制器

Abstract

In this paper, the intelligent electronic control system is designed in the background of port engineering. Independent research and development in our country on the design and manufacture of tower crane in the port production application has obtained certain achievements, but with the tower crane technology there is still a large gap between the advanced countries, on the electric control system and system layout was further improved. this paper studies the main content of it is in order to realize the crane automation and intelligent.

First of all, the development history and future prospect of tower cranes are introduced, and the functions needed to be realized are summarized in the background of port production.

Second to determine the tower crane hardware part such as contactor, circuit breaker, air switch, relay, anemometer, amplitude limiter, stop walking, etc., and according to the site condition determines the speed regulating pole change motor speed control mode. The hardware control system with high efficiency and reliability is very important for field application.

In the end, the main circuit, control circuit and protection circuit of the vehicle and the vehicle are designed according to the port production. Among them, the protection circuit, such as the amplitude limit, the walking limit, the three-phase imbalance of the motor voltage, the voltage is equal to the wrong. Considering the actual required input and output signal points, the PLC model of mitsubishi fx2n-80mr-d is finally determined, and a ladder diagram of the PLC peripheral control circuit and the specific function of the tower crane is designed.

In the future, the crane industry will integrate the high-end control technology, computer monitoring technology and power electronic technology into the development of electromechanical products.

Key Words:Tower crane; Electrical system; Variation mechanism; PLC

目录

摘要 I

Abstract I

第一章 绪论 1

1.1课题研究的背景及其意义 1

1.2国内外塔机发展历程及前景分析 2

1.2.1国外塔机发展历史 2

1.2.2国内塔机发展历史 3

1.2.3塔机行业的前景分析 5

第二章 10吨塔式起重机的器件选择 6

2.1 塔式起重机变幅的功能简介 6

2.2电机调速方式比较和选择 6

2.2.1变极对数调速 7

2.2.2转子串电阻调速 8

2.2.3定子变电压调速 9

2.2.4异步电动机串级调速 9

2.2.5变频调速 9

2.3塔机的具体硬件选型 11

2.3.1变幅机构电机选型 11

2.3.2接触器和风速仪的选型 11

2.3.3限位器的选择 12

2.2.4错断相保护和欠压保护装置的选择 12

第三章 塔式起重机的主电路设计 15

3.1变幅机构的主电路设计 15

第四章 塔式起重机的控制电路设计 17

4.1可编程控制器型号的选择 17

4.2塔式起重机变幅机构控制电路的设计 19

4.3可编程控制器的程序设计 21

4.3.1控制系统软件设计框图 21

4.3.2变幅机构PLC控制程序设计 22

第五章 总结与展望 26

参考文献 28

第一章 绪论

伴随着我国经济的腾飞对塔式起重机的质量和数量需求越来越高，安全智能的塔式起重机的设计和制造对我国经济发展具有重要意义。

1.1课题研究的背景及其意义

改革开放至今已有整整四十年，我国与周边国家如韩国日本等国家进出口贸易愈加频繁，为了满足贸易进出口需求，越来越来多的港口在中国沿海被建造出来。各个港口对塔式起重数量和起重重量的需要越来越大，港口生产效率和生产安全很大程度上都依赖着性能优越的塔式起重机，所以设计出性能更优越稳定性更高的塔式起重机十分迫切且意义十分重大。

贸易的深入进行不仅次数增大而且单次货物吨数也不可同日而语，港口的货物向着多种类和大重量的趋势发展，塔式起重机依靠着其优越的起吊性装卸载能力成为港口做业的排头兵，现代化的塔式起重机具有：有效作业面积广、性能稳定安全性高、起吊高度大、起吊吨数大等特点。

塔式起重机属于特种起重类的机械设备，不仅在港口生产中使用较多，在建筑和水电等领率也发挥着举足轻重的作用。由于塔机各机构可能都有几种实现方式导致塔机的分类方式很多。固定式塔机和移动式塔机是根据塔机是否可以工作时整体移动，根据塔机是否需要外部牵引（自行式行走机构和外部牵引装置行走机构）和是否在已经铺设好的轨道上行走（汽车、履带、轨道式行走机构）。按照塔机回转部位进行分类：塔机整个塔身回转的下回转和塔尖和大臂回转的上回转。按照塔机变幅方式分类：动臂式塔机通过收缩折叠改变臂长和小车变幅式塔机通过一个小车牵引在大臂上行走改变幅度。塔式起重机也可以按架设方式，起重特点生产作业环境场所等等来进行分类。由于分类方式的众多，为了统一下图为塔机型号规范图1.1。

图1.1 我国塔机型号编制图

塔机起重机可以实现一定有效作业空间内360度的装卸工作主要依靠四大机构帮助实现。

起升机构：在竖直方向上的作业，将重物升起或放下使用频率较高。通过电动机的提供动力，用钢丝绳滑轮组挂钩带动重物，接近达到目标位置时电动机减速器和滑轮制动器完成停止以满足工作时竖直方面的动作需求。

变幅机构：小车变幅式塔机是在塔机的臂架上安装一辆变幅小车，小车依据工作需要的幅度通过在臂架上的行走带动挂勾相当于改变了大臂的长度，快到达到变幅目标地点时电机制动器减速制动完成变幅工作，如果把塔式起重机的工作有效空间看成一个圆柱，那么变幅相当于改变了实际需求的半径。

回转机构：回转的目的相当于在一个圆面上改变半径的方向，回转机构的目的不仅是左右转动还要保证塔式起重机能够曾担相当的重量，所以回转机构的机械要求很高。回转机构采用较多传动模式是摆线针式轮减速机。使用通过小齿轮围绕着大齿轮转动的，用减速器实现的。“上回转塔式起重机是回转支承在塔身顶部的起重机^[1]”

行走机构：塔式起重机的行走机构由两个电机和配套的制动器组成，通过实现塔机在行走轨道上的前后运动来实现货物的移动和放置。

1.2国内外塔机发展历程及前景分析

1.2.1国外塔机发展历史

塔式起重机最初的发祥地是第一次世界大战后战后重建的欧洲，到二十一世纪的今天已经有近百年的发展历程。第二次世界大战结束后，英德法等国生产出了数量型号种类众多的塔式起重机用于战后重建，这些塔机为欧洲基础设施建设做出了巨大贡献。当时欧洲塔机水平遥遥领先于世界，至今塔机的很多标准和原始模型都还有当时欧洲塔机的影子。就像我国50年代自主研发的自升式动臂塔机，就是根据当时欧洲塔机进行改造而生产制造出来的。其结构图如下图1.2

图1.2五十年代动臂塔机

1960年后期是塔式起重机的全盛时期，其原因是法国一家公司具有创造性研发出通过变幅小车在臂架上行走的变幅方式塔机，这种新兴的变幅方式迅速取代了几乎已经占据大全部市场的动臂式塔式起重机。

同期的日本塔机行业也在迅猛发展，日本塔机多用在建筑和港口，由于日本人多地少房屋密集其主要研究方向偏向动臂式塔机，狭窄的作业环境要求塔机的臂架不能太长以免碰到建筑物，而且动臂式塔机要改变臂架的仰角，工作运行时要在施工现场规定的范围等等因素推动着动臂式塔机在日本成为主流发展对象。另外，由于日本经常发生地震对建筑结构有很高的要求，其主体采用的是钢结构，采用动臂式塔机起吊重要巨大的构件较为合适。所以至今为止，日本的塔机市场仍然以动臂式塔机为主，这是由日本塔机主要作业环境决定的。当时由于塔机生产厂家很多，生产出来的塔机司机控制室差异很大，导致出现了很多因为司机操作失误而发生塔机碰撞事故，这些事故推进了日本对塔机型号和塔机司机室统一和规划。“建筑施工特种作业人员有权立即停止作业或者撤离危险区域^[2]”

2000年后，塔机在主电路硬件上基本定型已经没有太多发展空间，丹麦一家公司转向控制检测的提升创造性的将可编程控制器运用在塔机控制上，对塔机起重重量、高度和幅度进行监控，并设置了一系列的安全保护如行走限位预警、变幅限位预警、三相异步电机缺断相保护、过流欠压保护等等显示。除此之外还可以把系统的故障显示在操作台的触摸屏上。这样驾驶员发现具体故障情况只需要观察触摸屏的相应部位。

1.2.2国内塔机发展历史

我国塔机行业的自主研发起步较晚，最开始的塔机也是因为重点工程的建设从苏联引进的。1960年初，“红旗”牌的塔式起重机的自主研发制造宣告了我国塔机行业的巨大突破，该塔机为自升式塔机。同个时期的日本国内塔机行业也处于萌芽阶段。相比较之下工业更发达的日本，其在60年代就自主研发出了在当时性能和安全可靠性较好的30tm水平吊臂自升式塔机，如图1.3所示

图1.3 自升式塔机

改革开放以前，我国城市建筑多以低层小平房为主，所以对塔式起重机的起重重量和起升高度要求不高，而1980年以后随着建筑层数增加小吨塔式位重机不能满足需要。塔身整体旋转的塔机不能满足作业需要渐渐被吊臂自升式取代，新式塔机在用途和安全性能上占据绝的优势，正是这些因素促使了我国塔机行业发展向着性价比高和安全性能好的方向逐步发展。

20世纪90年代中后期，也就是改革开放十多年后，我国自主生产的塔机还是以自升式塔式起重机和水平吊臂塔式起重机为主，这些塔机仍是处于模仿和借鉴国外成熟技术阶段，其中800KN.m转矩塔机占比较大，就当时的生产施工水平已经足够满足需求了。我国自主生产的起重类机械已经市场占有率已经相当高，一改以往起重类机械基本依靠进口的情况，各个城市大刀阔斧的改革和基础设施建设，塔式起重机在水电、港口、桥梁等项目上大放异彩发挥其无可取代的作用，国内外对塔机性能要求和安全指标愈来愈高。国内市场对塔机巨大数量对外进口的需求被这些高精尖重型塔式起重机的自主研发设计生产所满足。

我国塔机行业已经经过60多个年头的发展。无疑我国塔机整体性能像硬件性能、安全性、稳定性、可控性、整体设计结构方面与国外塔机优秀技术国家还是存在着一定差距，但成果也是不可否定的，技术水平和精密度差距随着发展越来越小。我国总计生产的近十万型台型号种类少的塔式起重机，几乎绝大多数都是没有技术优势的小型塔式起重机。技术的限制是导致该问题限制塔机产品的创新研发之一，与建筑智能化作业研发多年的先进国家相比，我国产生的机械电气事故比较多是因为采用的传统继电硬接线式控制技术可靠性比较差。欧洲先进国家在实现了控制可视化和操作智能化后，仍花费巨额的人力和物力在提高塔机的安全性和可靠性上，为了满足塔机用户不同的需求和做业环境的差异，向着参数智能监控等方向发展。我国塔机用户的分散和容易变化性导致我国在智能化塔机研究方面处于相当落后的阶段。十二五计划的开始实施使我国的城市化率快速提高，国内建筑行业开始蓬勃发展，但是大部分是被建筑红利吸引来不成规模的建筑企业，这些企业对自身发展没有长远规划只为一时的行业暴力，资金也较为紧张，二手淘汰下来的产品就成为他们租凭和购买的对象。另外一方面国内法律制度尚未完善，缺乏规范和执行力度强的法规对行业进行积极的引导，有的建筑企业对塔机不够重视而且投入资金较少，对塔机没有较为全面的认识，认为它的好坏对自身最后生产效率和成果并没有多大影响。然而实际上并没有这么简单，塔机在高空危险的作业环境下，对塔机司机的操作技术要求十分苛刻，所以无论是塔机的硬件还是司机的操作都很重要，任何一方面细节被忽视和纰漏都可能导致事故，安全问题不容小觑。

1.2.3塔机行业的前景分析

由于历史原因我国塔机行业起步较晚而且又被发达国家进行技术封锁，但是在一代甚至两代人的不懈努力下塔机行业已经跟上行业步伐，上个世纪五十年代制造运用到机械工程中的塔机大部分是对国外先进塔机的模仿。我国在将近50年的时间里，塔机技术水平猛烈发展并跟紧国外的步伐，到了现阶段，我国生产的塔机市场占有率已经相当可观，技术生产已经与发达国家水平相差无几。我国自主研发生产的塔机市场前景还是非常乐观的，正所谓有多大的需求就有多大的市场潜力，如果我国塔机控制技术按目前速度持续下去，塔机行业领头羊也未可期。

现阶段我国塔机研发制造水平仍处于先进技术国家八十年代的机械化程度，继电器接触器等等机械硬性控制仍是大数塔机所采用的，然而国外多数塔机已经尝试采用可编程控制器和变频器控制的先进控制方式。但我国这方面市场应用率不到5%。情况不乐观，但是国内相当一部分企业比如中科重工集团在该领域已经做了相当多的研究。据统计到2020年将有超过十万塔机被用于各个领域作业，接近百分之六十的塔机处于报废状态。

如果想要目前塔机行业取得飞跃爆炸式发展，在政策上和技术上都需要很大突破，第一，国家可以为刺激塔机行业发展出台政策，以减少报废塔机的一直使用造成安全事故。第二，根据我国的具体国情，不同风速不同温度不同工作地点等一系列特殊个性化需求，满足我国塔机行业未来分工更加明确的个性化需求；最后，国内厂家应该向着极端重量的方向发展，就像物理学，向着原子甚至更小和行星甚至更大的领域研究。机械方面未来会向着集成化控制发展，参数智能可视化等高端机密方向发展，例如在监控室的运行维护人员可以实时对司机操作行为和故障环境进行监控，这些在塔机技术先进国家早已经普遍，而我国缺寥寥无几。

放眼我国塔机设计制造行业半个多世纪，较初始水平已经取得相当大的成果，但是和其他快速发展的高兴行业相比属于停滞状态。机械智能化和远程弱电控制是塔机发展的大方向，而我国半数以上塔机的控制仍是采用继电器接线，继电器的工作频率不高导致其灵活性低，开关过程对机械的冲击较大。无触点、连续、微机弱电化是电力拖动控制的发展方向，塔机控制的智能化伴随着个性化需求是不可阻挡的。

1.3 论文研究的主要内容和来源
在港口码头背景下，本课题拟设计一个智能化的塔式起重机变幅机构的电控系统。具体研究内容包括：1.调查研究港口工程现场的状况，分析并总结塔式起重机变幅机构需要拥有的具体功能。2.对塔式起重机的电机等一系列主电路和控制电路的硬件选型。3.提出相应控制策略和保护策略。用CAD画出了主电路电气原理图和控制电路PLC外围接线4。用GXworks2完成控制梯形图的编写。

第二章 10吨塔式起重机的器件选择

2.1 塔式起重机变幅的功能简介

变幅机构：小车变幅机构是通过变幅小车在水平臂架的来回行走完成变幅操作的。塔式起重机的水平臂架决定了塔机的最大作业生产面积的范围，但是当做业取物放物不需要那么大幅度时，变幅小车就派上用场了根据需要的幅度控制小车达到水平臂架上的指定位置满足作业生产的需求。行走机构与起升、旋转机构的配合协调工作，实现了塔机在三维立体空间无死角的取物放物，行走小车变幅的出现大大提高了塔机的工作性能。变幅机构有专门一套传动装置，不同环境和作业需求的不同，齿条、液压等传动装置是采用较多的。它采用内装高精度、硬齿面行星齿轮减速机，其特点是运转平稳，传动效率高，结构紧凑，安装 方便，承载力高，寿命长，有摆线针轮和蜗轮蜗轩减速变幅机构无法比拟的优越性，是大中小起重机变幅机构理想的更新换代产品。该机采用新型变幅摆线少齿差行星传动原理，将两级内啮合齿轮副齿形设计为互为全包络的变幅摆线等距曲线，实现了由摆线齿轮传动替代摆线针轮传动的重大突破下面的图2.1是一张完整塔机。

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