基于PLC的塔机机构超速保护系统及方法与流程

基于plc的塔机机构超速保护系统及方法
技术领域
1.本发明涉塔式起重机安全控制领域，具体涉及一种基于plc的塔机机构超速保护系统及方法。


背景技术：

2.随着拖动技术及电力电子技术、自动化控制技术的发展，控制系统性价比越来越高。塔式起重机领域的起升(动臂变幅)控制系统逐步采用“plc 变频控制”方式淘汰了原“继电器 传统控制”(注：传统控制指绕线式电机串电阻调速、变极调速等)。plc的计数、计时、逻辑运算、通讯等功能与变频器完善的自检功能相结合，可实现对机构的控制不仅限于拖动、调速，更可以利用一些先进的传感技术，很容易地实现对电机过热、控制逻辑故障的预警、保护。
3.但塔机起升(动臂变幅)机构容易发生失速的情况，即速度失去控制，超过设定安全值，比如重物超过额定速度运行或自由坠落，造成重大事故。塔机起升(动臂变幅)机构的主要失速原因是：卷筒与减速器的连接失效，电机在运行中出力不足等。
4.现有技术为了实现失速保护，通常采用专用失速保护器产品，进行速度检测，反馈相关信号；但是这种测速器件价格较高，投入比较大，并且测量手段单一，安全性不高。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种基于plc的塔机机构超速保护系统及方法，极大地提高了对塔机机构超速的安全性保护，同时降低了成本。
6.本发明采取如下技术方案实现上述目的，基于plc的塔机机构超速保护系统，所述塔机机构的卷筒侧板表面均匀分布有多个检测孔，所述塔机机构的安装支架上设置有接近开关，接近开关与塔机机构的控制模块连接；
7.所述接近开关用于测量在当前塔机机构档位下，卷筒侧板转动过程中，相邻检测孔通过接近开关的时间，并将测量时间发送给控制模块；
8.所述控制模块用于记录测量时间，并将测量时间与当前塔机机构档位对应设置的阈值时间进行比较，若小于阈值时间，则判定为超速，超速则通过塔机机构联动台进行声光报警，同时切断塔机机构变频器的输出以及塔机机构制动器的电源。
9.进一步的是，塔机机构的行程限位器配置有编码器。
10.进一步的是，所述编码器通过rs485通讯方式与控制模块连接；
11.所述编码器用于检测在当前塔机机构档位下，卷筒侧板的转动速度数据，并传送至控制模块；控制模块将当前卷筒侧板的转动速度与当前塔机机构档位对应设置的阈值速度进行比较，若大于阈值速度，则判定为超速，超速则通过塔机机构联动台进行声光报警，同时切断塔机机构变频器的输出以及塔机机构制动器的电源。
12.基于plc的塔机机构超速保护方法，应用于上述基于plc的塔机机构超速保护系统，包括：
13.步骤1、测量在当前塔机机构档位下，卷筒侧板的转动速度，以及卷筒侧板上相邻检测孔通过接近开关的时间；
14.步骤2、将测量的时间以及卷筒侧板的转动速度发送至控制模块；
15.步骤3、控制模块将测量时间与当前塔机机构档位对应设置的阈值时间进行比较或将当前卷筒侧板的转动速度与当前塔机机构档位对应设置的阈值速度进行比较，若测量时间小于阈值时间或卷筒侧板的转动速度大于阈值速度，则判定为超速；
16.步骤4、若判定为超速，则通过塔机机构联动台进行声光报警，同时切断塔机机构变频器的输出以及塔机机构制动器的电源。
17.进一步的是，步骤1中，卷筒侧板上相邻检测孔通过接近开关的时间的计算方法包括：
18.设置卷筒侧板转动的速度为vr/m，即每分钟的转数为v，卷筒侧板表面均匀分布有n检测孔，则相邻检测孔通过接近开关的时间s表示秒。
19.进一步的是，步骤3中，所述阈值速度的获取方式包括：将当前塔机机构档位对应的转速乘以设置百分比作为阈值速度。
20.进一步的是，步骤3中，所述阈值时间的获取方式包括：
21.将当前塔机机构档位对应的转速乘以设置百分比作为阈值速度，通过阈值速度计算出对应的阈值时间。
22.本发明在塔机机构的安装支架上设置有接近开关，通过接近开关测量相邻检测孔通过接近开关的时间，接近开关相较于专用的失速保护器，成本低，稳定性高，响应快，抗干扰能力强，并且还在塔机机构的行程限位器中配置了编码器，通过编码器检测卷筒侧板的转速，转速超过设置的阈值时进行超速保护；接近开关检测时间与编码器检测速度两种方案互为冗余，保障塔机机构安全性，因此极大地提高了对塔机机构超速的安全性保护，同时降低了成本。
附图说明
23.图1是本发明塔机机构的结构示意图。
24.图2是本发明系统元件连接图。
25.图3是本发明卷筒侧板分布12检测孔的示意图。
26.附图中，1为塔机机构底架，2为塔机机构安装支架，3为卷筒侧板，4为检测孔，5为卷筒轴承，6为接近开关，7为配置编码器的行程限位器，7
‑
1为编码器，8为变频器，9为电机，10为操作台，d为相邻检测孔距离，d为检测孔直径。
具体实施方式
27.本发明基于plc的塔机机构超速保护系统，所述塔机机构的卷筒侧板表面均匀分布有多个检测孔，所述塔机机构的安装支架上设置有接近开关，接近开关与塔机机构的控制模块连接；
28.接近开关用于测量在当前塔机机构档位下，卷筒侧板转动过程中，相邻检测孔通过接近开关的时间，并将测量时间发送给控制模块；
29.控制模块用于记录测量时间，并将测量时间与当前塔机机构档位对应设置的阈值时间进行比较，若小于阈值时间，则判定为超速，超速则通过塔机机构联动台进行声光报警，同时切断塔机机构变频器的输出以及塔机机构制动器的电源。
30.塔机机构的行程限位器配置有编码器，编码器通过rs485通讯方式与控制模块连接；
31.编码器用于检测在当前塔机机构档位下，卷筒侧板的转动速度数据，并传送至控制模块；控制模块将当前卷筒侧板的转动速度与当前塔机机构档位对应设置的阈值速度进行比较，若大于阈值速度，则判定为超速，超速则通过塔机机构联动台进行声光报警，同时切断塔机机构变频器的输出以及塔机机构制动器的电源。
32.基于plc的塔机机构超速保护方法，应用于上述基于plc的塔机机构超速保护系统，包括：
33.步骤1、测量在当前塔机机构档位下，卷筒侧板的转动速度，以及卷筒侧板上相邻检测孔通过接近开关的时间；
34.步骤2、将测量的时间以及卷筒侧板的转动速度发送至控制模块；
35.步骤3、控制模块将测量时间与当前塔机机构档位对应设置的阈值时间进行比较或将当前卷筒侧板的转动速度与当前塔机机构档位对应设置的阈值速度进行比较，若测量时间小于阈值时间或卷筒侧板的转动速度大于阈值速度，则判定为超速；
36.步骤4、若判定为超速，则通过塔机机构联动台进行声光报警，同时切断塔机机构变频器的输出以及塔机机构制动器的电源。
37.步骤1中，卷筒侧板上相邻检测孔通过接近开关的时间的计算方法包括：
38.设置卷筒侧板转动的速度为vr/m，即每分钟的转数为v，卷筒侧板表面均匀分布有n检测孔，则相邻检测孔通过接近开关的时间s表示秒。
39.步骤3中，所述阈值速度的获取方式包括：将当前塔机机构档位对应的转速乘以设置百分比作为阈值速度。
40.步骤3中，所述阈值时间的获取方式包括：
41.将当前塔机机构档位对应的转速乘以设置百分比作为阈值速度，通过阈值速度计算出对应的阈值时间。
42.本发明塔机机构的结构示意图如图1，卷筒侧板3上设置有多个均匀分布的检测孔4，卷筒侧板3的轴承5与塔机机构安装支架2连接，配置编码器的行程限位器7设置在卷筒轴承5上，塔机机构安装支架2设置在塔机机构底架1上，塔机机构安装支架2设置有接近开关6，接近开关6。
43.本发明系统元件连接图如图2所示，接近开关与控制模块plc连接，变频器8分别与控制模块plc以及电机9连接，编码器7
‑
1以及控制台10与控制模块plc连接。
44.本发明的实施例中，卷筒侧板分布12检测孔的示意图如图3所示，塔机机构工作于6档频率(速度)，从小到大，分别对应转速v1、v2、v3、v4、v5、v6(单位：rpm，rpm是revolutionsperminute的缩写，即转每分，表示设备每分钟的旋转次数)，以最大速度v6(其值可查机构设计书、样本等)计算d距离对应所需时间t6(即相邻检测孔通过接近开关的时间)，公式如下：
45.v6单位是转每分，一转是2π弧度，因此其转换过程为：
46.v6(转/分)＝v6*2πrad/60s，＝v6*2π/60rad/s，其中rad/s表示每秒钟转了多少弧。并且为了检测信号不受干扰，本实施例选择的接近开关为齐平抗磁场干扰型。同时接近开关的直径需远小于孔径d，其发出的脉冲频率远大于t6所对应变频器的输出频率本方案中d＝30mm，所选接近开关直径为18mm，频率为1000hz，检测距离5mm。
47.选择plc的数据处理时间应远大于接近开关开关量信号的频率。以本专利中采用的vipa
‑
300为例，其各类数据处理时间均小于1μs。同时cpu标配有rs485接口
48.按照上述计算时间t6的方法，以高于每档速度20％作为允差速度(阈值速度)，按照允差速度计算出通过距离d的允差时间(即为阈值时间)则为t1
′
、t2
′
、t3
′
、t4
′
、t5
′
、t6
′
了。例如，允差速度v6'＝1.2v6，
49.接近开关输出开关量信号接入plc后，在机构运行过程中，通过plc计时器不间断对相邻检测孔通过接近开关的时间进行检测，利用比较器对允差时间和检测时间进行比较；同时编码器检测卷筒侧板速度，输出的二进制制数据，通过rs485通讯把数据传至plc，由plc换算为速度，与允差速度进行比较；
50.一旦检测的时间低于当前档位允差时间或者检测的速度超过允差速度，则立即通过联动台声光报警，同时切断变频器输出及制动器的电源，强制制动。允差时间以及允差速度可以根据实际需要自行设置比例计算。
51.如果联动台运行信号未发出，由于线路故障等其它原因造成卷筒自行转动(制动器失效)，本保护系统通过plc可以发出声光报警，人为干预(例如司机立即操作下降，将载荷降至地面)，消除故障。还可利用变频器的悬停功能，变频器自动输出力矩，止住载荷下滑。
52.本发明保护从低速时开始，在失速(或失速)事故萌芽阶段即进行处理，对制动器的冲击非常小，从而对塔机结构件的冲击也大大减小，保障了设备人员安全。
53.实际工作中，由于卷筒容钢丝绳的层数不同，当失速故障发生在不同的层数时，其钢丝绳线速度不同，塔机机构制动器的制动力要求不一样。所以为确保最外圈钢丝绳运行过程中失速保护有效，制动器力矩需按最外层额载验算、选择。
54.在塔机机构正常停车时，plc对控制信号、接近开关信号、编码器信号进行监控、比对，一旦出现两个检测装置不正常的信号变化，即判断为检测装置故障，此时给司机室发出另一种报警信号，从而完成检测装置的自检。
55.综上所述，本发明极大地提高了对塔机机构超速的安全性保护，同时降低了系统成本。