一、前言
塔式起重机是现代高层建筑和大面积建筑工程中的主要建筑设备之一。由于它具有起重量大、力臂长等许多优点，使其在建筑工程中的应用越来越广泛。但是，传统的塔式起重机在水平变幅上一般采用多级变速电动机或定子串接电阻来改变电动机转速，在档位切换和力矩保护等复杂逻辑方面用分散元件进行控制，系统故障率高、维护困难，很有必要进行技术更新和改进。
二、塔机水平变幅电控系统的组成与分析
塔式起重机水平变幅又包括小车向前与向后水平变幅，以及塔顶向左旋转与向右旋转的水平变幅，其相应的电控系统为小车变幅控制和回转变幅控制。在这两部分控制中，不仅包括了变幅的方向控制，还包括不同变幅速度的档位控制。在实际使用过程当中，需要不断地变换塔机吊钩的位置，也即不断地改变吊钩的幅度，并且不断切换档位，使控制变幅的接触器动作频繁，在档位切换时还会有较大的机械冲击，导致整个塔身晃动，吊钩难以定位时，整个控制系统故障率高且操作不方便。
为了解决塔机在水平变幅上的上述缺点，本文介绍采用PLC和变频调速器来控制水平变幅电机。经过对塔式起重机水平变幅电机负载的测算和理论分析，采用变频调速器完全可以达到正常工作时需要的启动转矩和启动制动速度。所以，用变频调速器和普通交流异步电机取代多级变速电机，实现对变幅电机的速度和换向控制;用PLC取代中间继电器等分散元件，实现对塔机水平变幅各种复杂的档位逻辑控制与保护控制是完全可行的。图1是电气系统的组成原理。
经过改进的水平变幅控制系统，其主要组成部分为：主电源通过接触器连接到变频调速器;变频调速器直接控制三相异步电机;PLC为逻辑控制部件的核心部件，根据系统的输入状态，控制主接触器、变频调速器等各部分执行元件。我们选用西门子公司S7-200系列的CPU-222型PLC，它自带8个输入点和6个输出点(此系列产品的可扩展性和组合性非常强，其输入输出口I/O的点数可以根据需要进行扩展)。PLC通过扫描各输入口的信号(如操作手柄的状态，各限位开关的通断等)，按照我们预先编好的逻辑控制程序处理后，输出信号对变频调速器进行控制，以满足各种变幅需要。控制电机转速及转向的变频调速器选用日立公司J300-XXXHFE系列，通过我们实际应用显示，此系列变频器具有转矩矢量控制、转差补偿、电压AVR自整定、负载转矩自适应等一系列先进功能，完全能满足各项性能指标。
三、控制系统的工作原理
经过改进后的水平变幅控制系统，其工作原理非常简单，工作原理如图3所示。
以小车水平变幅控制为例(回转变幅与其基本相同)：首先定义PLC的输入点I0.0~0.3为操作手柄的状态信号，根据不同的组合，可分别用作控制小车的档位和变幅的方向;I0.4 和I0.5分别为向前、向后减速限位信号;I0.6和I0.7为小车到达两端终点限位信号;输出Q1.0、Q1.1为控制变频调速器正反转的输入数字信号，Q1.2、Q1.3 、Q1.4为控制变频调速器不同频率段的输入数字信号。当控制室电源启动后，主接触器BFJ闭合，接通变频调速器A的主电源，在启动控制图3电源及PLC程序进行初始化之后，PLC扫描各输入口的状态;PLC根据我们预先编好的程序对输入信号进行逻辑处理后，输出到控制变频调速器的数字输入端，从而控制带动小车行走电机的转速和转向。
具体工作如下：控制室操作者将操作手柄推到小车变幅向前一档时，XK2、XK4闭合，PLC根据我们预先定义的输入状态，进行逻辑判断处理后，置输出Q1.0、Q1.2、Q1.4为“1”，变频调速器数字输入点“FW”、“4”、“1”接到信号后，“W、V、U”输出使三相异电动机正转的、频率由0升至设定一档频率25Hz的主电源，拖动变幅系统工作。继续推动操作手柄到二档、三档，电源频率逐步上升到额定频率50Hz。当小车变幅到达向前减速限位位置时，RDAR限位开关动作，PLC输入点I0.5捕获到一个输入脉冲，即使使操作手柄还保持在向前三档的状态，PLC也会输出使变频调速器输出电源频率降到低频率状态如25Hz。使小车变幅速度减慢，最后到达前端极限位置时，限位开关SDAR动作，PLC输出全部复“0”，主电源接触器断开，变频调速器快速制动，变幅停止。同样，控制手柄推到往后三档或其他档位时，工作原理也一样。这样，塔机的水平变幅操作非常方便，在档位切换时，由于变频调速器供给变幅电机电源的频率缓慢提升或下降，减少了机械冲击，提高系统的安全性和可操作性。并且，可根据不同的机型和实际需要，参照变频调速器的操作手册，设定更多的档位和每个档位的运行频率、频率提升和下降的时间等等。图2是小车水平变幅时，手柄从一档推到向前三档位置的运行过程。其中T1、T2-T1、T3-T2分别为向前一、二、三档加速时间;T5-T4、T6-T5、T7-T6分别为向前三、二、一档减速时间。同理，操作手柄推到其他档位时，PLC同样会根据不同的输入状态，从而控制变频调速器主电源的输出。
四、PLC软件设计及变频调速器参数设置
在编写PLC程序之前，应先定义好各输入输出口(I/O)的作用，确定所需的I/O点数，充分利用硬件资源，根据实际应用的需要，在不降低性能的情况下，适当除去一些中间逻辑控制环节，以提高机器的可维护性和安全性;同时控制正转反转、内部外部等关键输出点，除外部电路保证互锁外，PLC程序内部也必须软件互锁;在输出正装与反转之间应设计保留一定的延时时间;因变频器对外产生的干扰较大，根据实际情况编写软件抗干扰程序。
另外，做好变频器参数设置及调试，是设备正常运转的一个根本保障措施。现场中出现的许多问题，往往是因参数设置不当引起的，而与设备本身无关，由此可见合理正确设置参数很重要。(1)基本参数的设置：基本参数包括电机铭牌上的额定功率、电压、电流、转速、频率等;(2)根据实际生产要求做好其他参数的设置。变频器一般都有几十上百个可设置的参数，实际运用中可采用大多数出厂设置，仅对少数做特殊设定即可满足生产要求。如选择变频器的S型加减速曲线，使工作在制动和换向过程中无机械冲击;按实际最大负载计算变频器允许的最高速起动时间Tac和减速时间Tdc。其计算公式如下(有关参数参考文献资料)：
为了提高控制系统可靠性和安全性，采取以下措施：
(1)增加一块PLC的扩展模块EM223，扩充了PLC的输入点数，用于监控小车变幅的当前位置，当小车变幅到一定位置时，能使它自动减速行使直至停止，以避免误操作时出现危险和机械冲击。
(2)对逻辑控制中心的PLC程序，增加软件抗干扰程序。
(3)在变频器直流P-N端外接比变频器容量大一档的制动点阻和制动控制单元，由变频器手册的有关说明可推算出：在100%制动转矩下，制动电阻可获得持续放电10s、放电能力约100kws、重复使用率达10%ED的制动效果。
(4)由于变频器本身是一个强干扰源，正常工作时产生高次谐波。为此，对变频器屏蔽网做单独的专门接地，能有效抑制对外干扰。
五、结束语
变频器与PLC的结合应用，充分体现了可靠、快速、灵活的控制特点，实现了以往难以做到的多种复杂控制和故障保护，使塔式起重机水平变幅控制系统具备了小型化、控制智能化和操作维护简单等优点。
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