施工升降机新型传动机构与电控系统的研究

王建军，朱长建，崔德刚，朱冒峰WANG Jian-jun, ZHU Chang-jian, CUI De-gang, ZHU Mao-feng(徐工集团徐州建机工程机械有限公司，江苏 徐州 221007)

施工升降机新型传动机构与电控系统的研究

王建军，朱长建，崔德刚，朱冒峰
WANG Jian-jun, ZHU Chang-jian, CUI De-gang, ZHU Mao-feng
(徐工集团徐州建机工程机械有限公司，江苏 徐州 221007)

[摘 要]根据市场对施工升降机的使用要求和发展趋势，融入创新思想，自主研发了新型传动机构和控制系统，大幅度提高了产品的运行平稳性，安全可靠性，开启了控制系统的物联网程度和过程监控的新阶段。

[关键词]可编程控制器；触摸屏；编码器；传动机构

施工升降机是建筑施工中不可或缺的起重机械，主要担负着运送人员、工具、设备、物料的任务。随着科技的发展，对施工升降机的舒适性和安全性提出了更高的要求。施工升降机种类很多，根据建筑物外形，有垂直式、曲线式、倾斜式。按控制方式分为手动控制和自动控制,还可增加变频调速装置和PLC可编程控制器以满足不同客户需要。

本文根据客户的需求和物联网的应用，符合施工升降机的控制要求，设计一套新型的施工升降机传动机构和控制系统，提升了升降机的可操控性、平稳性、智能化及过程的监控能力。

1 新型控制系统的组成

如图1所示，本系统共由可编程控制器（集成GPS）、触摸屏、编码器（自动平层使用）、故障诊断、楼层显示装置、超载保护器（带RS485接口）、楼层呼叫器（带RS485接口）、语音播报模块（带RS485接口）和YZR传动机构等10个部分组成。

2 各部分功能介绍

2.1 可编程控制器

图1 新型控制系统组成

可编程控制器即我们常称为的PLC。市场上的PLC制造厂家众多，主要分为欧、日、美三大家。但是本系统中所用的PLC为徐工集团自主研发制造建筑起重机械用产品，型号为XGCT4040BTD,共有40个输入点，40个输出点，内部集成GPS，同时具备黑匣子功能。该模块处理输入信号，经过PLC内部的逻辑控制后输出，控制各个终端。

2.2 传动机构

普通的施工升降机一般为二传动或者三传动，电机都是4极的鼠笼式转子电机，该机构结构和控制系统较为简单，成本较低，便于维护。但是该种传动机构在起动和制动过程中产生较大的冲击和振动，影响整机的性能，对钢结构影响较大。因此设计一款YZR绕线转子电机，功率为11kW，通过在转子上串接电阻分成两段速，低速起制动，速度为15m/min，高速正常运行，速度36m/min。传动机构在运行、起动和制动阶段的振动冲击大大降低。有效达到了慢起动、慢就位的效果。

2.3 编码器

自动平层是常用的一种控制方式，由于其属于高端配置，在常规产品上并不多见。其原理是在吊笼或传动小车上安装一个绝对值型编码器，编码器的输出轴端安装一个尼龙齿轮，该齿轮与齿条啮合，将吊笼运行时，编码器便将其信号输入到PLC内部进行处理。同时设计一个楼层设定装置，进行各楼层高度标定和目标楼层的设定，其工作原理如下。

1）进行零点标定，如图2所示，表示的是楼层设定装置的面板，当吊笼在地面上时，点击“OK”，作为零点标定。

图2 零点标定

2）然后将吊笼上升至第二层，此过程编码器随之转动，输入信号随之改变，点击面板上的数字“2”，再点击“OK”，此时二楼标定完毕，由于绝对值型编码器具有定位功能，PLC内部程序会自动记录此时编码器对应的位置。

3）以此类推，依次每个楼层进行标定。面板上的数字为组合键，可以组合0～99个数字。

当该功能标定结束后即可正常使用。在触摸屏上输入目标楼层，如图3所示，然后点击“运行”，控制系统将驱动动力装置运行到指定位置，如果在中途遇到紧急情况，驾驶员只要触动一下手柄或者按下急停按钮，控制器内的指令信息则自动消失且传动机构停车，当再次运行时需要重新输入目标楼层信息或者使用手动操作，保证了运行的安全性。同时，如果中途按下紧急停止按钮，为了保障安全性，当急停复位后，当再次按下总启动，原来输入的自动平层信息自动取消，否则当急停按钮复位再次启动后，传动机构会立即运行，不符合操作安全性。

图3 自动平层运行界面

另外，当安装笼顶操作盒后，笼内操作台上的手柄及触摸屏内的自动平层功能失灵，保证笼顶操作的优先权。

2.4 楼层呼叫器

该楼层呼叫器较常规产品增加RS485通讯，其功能是通过RS485通讯使楼层呼叫器与PLC进行通讯，再通过CAN总线使PLC与显示器进行通讯，从而将楼层呼叫器接收到的信息在显示器上显示并通过语音播报器播放，使呼叫楼层信息可以直观形象地展示给操作者。

2.5 语音播报模块

本控制系统同时可以监控升降机上各个限位的实时状态，如吊笼单开门限位、双开门限位、天窗限位、上行限位、下行限位、减速限位和防坠落安全器限位等，将上述限位信号输入至PLC内，当各限位不符合工作状态时PLC便通过RS485通讯将信息发给语音模块进行播报，同时通过CAN总线将信息发给触摸屏进行显示，控制系统失灵，动力装置无法运行，直到排除故障为止。

2.6 超载保护器

该超载保护器较常规产品增加RS485通讯，其功能是通过RS485总线将销轴传感器的信号传输至PLC内部处理，然后再通过CAN总线输出至显示器进行显示和播报，使操作者能清晰了解载重情况，当超载时系统会自动切断吊笼运行信号，直到载重量降低到额定载重量以下。

2.7 楼层显示装置

该楼层显示装置安装在底笼上，作用是实时显示吊笼运行状态，包括运行方向和所在楼层信息。其构成部分分为：显示主机、发射器、接收器3个部分。发射器通过RS485通讯与PLC进行数据传递，PLC通过计算编码器的输入信号，将运行状态与所到位置信息通过发射器传送至显示主机显示出来。

3 主回路设计

新型控制系统主回路设计如图4所示。

图4 主回路设计

本控制系统使用变频器驱动电动机作为动力装置，变频器选用安川品牌。根据设计要求，传动机构为二传动2×15kW电动机配套2个全齿轮减速机，其传动为1∶14，全齿轮减速机虽然在起制动过程中冲击较大，但其传动效率一般可达到90%～92%，通过变频器控制其调速效果颇佳。

根据控制要求，主电路部分选用变频器控制电动机，每个电动机都有一个热继电器保护过电流。该控制系统具备低速、高速两个速度，低速用于起制动或者安装过程，高速用于正常运行。

变频器上的控制端子KA1控制正转，KA2控制反转，KA3表示一速，KA7表示二速，当按下急停后，控制线路中的总启动断开的同时，急停的信号也输入到变频器内，变频器会基极封锁，立即停止输出，保证了刹车及时性。

M1、M2表示刹车频率的输出，MA、MC表示变频器故障信号输出，两个信号都输入至PLC内进行处理。

4 输入/输出回路设计

将升降机运行过程中的各种输入信号送入PLC中进行处理，最终与外围线路构成完整的控制系统。输入/输出分配表如表1所示。编码器、楼层显示器、语音报警模块、触摸屏均连接在PLC上，与PLC进行连接和通讯。

表1 I/O分配表

编码器将信号输入至PLC内，PLC处理信号用以自动平层。语音报警模块、楼层呼叫器通过RS485总线与PLC 进行通讯，触摸屏通过CAN总线与PLC进行通讯。输入端的各个限位信号输入至PLC内，当出现故障时PLC便输出相应动作，并且通过语音报警模块进行播报，使驾驶员及时了解动态。

当各个限位在出现故障即没有信号输入PLC内时，手柄一旦动作，语音播报模块便发出报警，例如，当吊笼单开门没有关好，其限位没有闭合，当手柄上升动作时，PLC没有输出，动力装置随之也没有输出，吊笼无法运行，同时发出“吊笼单开门没有闭合”的语音提示，提醒驾驶员排除故障，直到故障解除了手柄方可恢复正常操作。

为提高自动化水平，同时实现良好的人机界面功能，采用触摸屏装置，可以在屏幕上设定控制参数，还能显示实时数据，记录工况统计等功能。

5 结 语

根据施工升降机的控制流程和控制要求，融合PLC及触摸屏，编制了整个电路系统和PLC程序及触摸屏程序，并进行了调试，利用PLC较为强大的功能，以及主流的控制思想和理念，融合物联网，最终完成了施工升降机新型控制系统和传动机构的设计并付诸实践，并且进行了验证，效果满意。

但从完善角度考虑还是存在些许不足，比如系统可靠性方面、可操作性方面、远程监控的实时性方面等。相信将来随着系统的不断完善，这些问题将会逐步得到解决。

[参考文献]

[1] 张艳丰．基于单片机的物料升降机控制器设计[J].装备制造．2009，(6)：156-156

[2] 张华熊，汪亚明，张 聿，等．基于单片机的货运电梯控制器设计[J]．测试技术学报．2008，(3)：194-197.

[3] 王 平，崔纳新．PLC在电梯控制中的应用[J]．微计算机信息，1999，(2)：44-45.

[4] 王斌杰．电梯远程监控系统研究与设计[D]．沈阳：沈阳建筑大学，2011.

[5] 孙文迁，王 波．施工升降机自动控制系统设计[J].微计算机信息，2004，（10)：33-35.

（编辑 贾泽辉）

［中图分类号］TH211+.6

［文献标识码］B

［文章编号］1001-1366(2015)05-0028-03

［收稿日期］2015-04-17

Research of new type of transmission mechanism and electric control system of construction hoist