專利名稱：塔式起重機控制系統及塔式起重機的制作方法
技術領域：
本發明涉及起重機控制系統，更具體地說，涉及一種塔式起重機控制系統及塔式 起重機。
背景技術：
通常起重機包括塔身11、轉臂12、操縱室13、配重塊14以及主鉤15，如圖1所示。 該起重機通過提升控制實現主鉤15的垂向運動、通過變幅控制實現主鉤15的水平運動、通 過回轉控制實現轉臂12繞塔身11轉動。通過上述三種控制，起重機實現了主鉤15的立體 三維運行，從而可以將重物搬運到指定位置。隨著變頻器技術的不斷成熟，起重機控制系統越來越多的采用變頻控制技術，即 通過變頻器實現起重機的提升控制、變幅控制以及回轉控制。這種系統具有節能、控制過程 平穩、機械結構簡單等特點。為了實現這三維的變頻控制，起重機使用3個變頻器來分別驅 動每個方向的控制電機，如圖2所示。可編程邏輯控制器(以下簡稱PLC) 21將起重機的提 升、變幅、回轉三種控制邏輯集中在一起，其收集起重機的操作命令、起重機位置信號等，根 據內部邏輯形成提升用變頻器22、回轉用變頻器23以及變幅用變頻器M的控制指令，實現 電機25、26、27的運轉，從而完成起重機的提升、回轉、變幅控制。在上述變頻控制系統中，提升用變頻器22、回轉用變頻器23以及變幅用變頻器M 在控制電機25、26、27運轉的過程中，會產生一部分再生能源。例如起重機將重物放下時， 重物的勢能轉化為電能向電機25回饋能量，即發電運行；重物上升過程中需要電機25拖動 負載做功，電機25從電網中消耗電能，即電動運行。發電運行所產生的能量通過電機和變頻器轉化為變頻器直流母線(P、N之間)上 的直流電能。這些能量被臨時存儲在變頻器直流回路的電容中，隨著起重機工作時間的持 續，電容中的電能和電壓越來越高，導致過壓故障，使起重機停止工作。目前，起重機為了避 免過壓故障，通常在直流母線上增加能耗制動部分，通過制動單元將這部分能量以發熱的 方式消耗的制動電阻上(Rl、R2、R3)。另一方面，上述控制系統不易實現現場維護、產品歸檔記錄等規范化管理。PLC 21 的程序需由熟悉起重機控制的專業技術人員來編寫，而且根據不同的使用場合、起重機類 型等需進行現場程序更改。因此，該控制系統對調試維護人員有一定技術要求，人員成本 高；每次現場更改程序軟件，完全依賴人員的經驗、水平，如果修改不當，存在安全隱患。此外，PLC 21集中了所有控制線路，PLC 21與變頻器22、23、M之間往往具有多根 連線，PLC 21通過這些連線傳遞命令給變頻器22、23、對。這種連接方式，他們之間的交互 信息很少，控制邏輯無法識別出變頻器的運行電流、運行速度等信息，因此只有在發生變頻 器故障后，起重機的控制邏輯才能停止工作，存在潛在危險。這些接線也增加了對電氣接線 人員的要求，為系統布線帶來麻煩。
發明內容
本發明要解決的技術問題在于，針對上述起重機控制系統將再生能源消耗在制動 電阻上從而造成能源浪費以及三個變頻器的控制邏輯集中在單一的可編程邏輯控制器而 導致連接復雜、系統體積大、維護成本高的的問題，提供一種塔式起重機控制系統及塔式起重機。本發明解決上述技術問題的技術方案是，提供一種塔式起重機控制系統，包括用 于驅動至少兩個電機轉動的至少兩個逆變電路、用于接收操作指令信號和外圍反饋信號并 控制逆變電路的控制板、為所述逆變電路供電的直流母線回路以及用于將直流母線的電能 轉換為低壓直流電的電源電路，其中所述逆變電路和電源電路的輸入端分別連接到直流母 線回路，所述電源電路為所述控制板及其他低壓場所供電。在本發明所述的塔式起重機控制系統中，所述逆變電路包括輸出端分別連接到提 升電機、變幅電機和回轉電機的提升逆變電路、變幅逆變電路和回轉逆變電路。在本發明所述的塔式起重機控制系統中，每一所述逆變電路包括逆變控制單元和 逆變處理單元，其中所述逆變處理單元用于實現電流轉換，所述逆變控制單元用于控制所 述逆變處理單元的電流轉換以實現電機驅動和電能回饋。在本發明所述的塔式起重機控制系統中，還包括整流電路、直流儲能電路及制動單 元，所述整流電路的輸入端連接電網、輸出端連接到所述直流母線回路，所述制動單元的輸入 端連接到所屬直流母線回路，所述直流儲能電路用于儲存所述直流母線回路上的電能。在本發明所述的塔式起重機控制系統中，所述控制板包括模擬量輸入端子、數字 量輸入端子、數字量輸出端子、邏輯處理單元、操作器接口以及通訊接口，所述邏輯處理單 元采集各輸入端子的輸入信號并將根據上述輸入信號生成的控制信號通過數字量端子或 者通訊接口輸出到對應逆變模塊，以控制電機運行。本發明還提供一種塔式起重機，包括塔身、轉臂及控制系統，所述控制系統包括用 于驅動至少兩個電機轉動的至少兩個逆變電路、用于接收操作指令信號和外圍反饋信號并 控制逆變電路的控制板、為所述逆變電路供電的直流母線回路以及用于將直流母線的電能 轉換為低壓直流電的電源電路，其中所述逆變電路和電源電路的輸入端分別連接到直流母 線回路，所述電源電路為所述控制板及其他低壓場所供電。在本發明所述的塔式起重機中，所述逆變電路包括輸出端分別連接到提升電機、 變幅電機和回轉電機的提升逆變電路、變幅逆變電路和回轉逆變電路。在本發明所述的塔式起重機中，每一所述逆變電路包括逆變控制單元和逆變處理 單元，其中所述逆變處理單元用于實現電流轉換，所述逆變控制單元用于控制所述逆變處 理單元的電流轉換以實現電機驅動和電能回饋。在本發明所述的塔式起重機中，還包括整流電路、直流儲能電路及制動單元，所述 整流電路的輸入端連接電網、輸出端連接到所述直流母線回路，所述制動單元的輸入端連 接到所屬直流母線回路，所述直流儲能電路用于儲存所述直流母線回路上的電能。在本發明所述的塔式起重機中，所述控制板包括模擬量輸入端子、數字量輸入端 子、數字量輸出端子、邏輯處理單元、操作器接口以及通訊接口，所述邏輯處理單元采集各 輸入端子的輸入信號并將根據上述輸入信號生成的控制信號通過數字量端子或者通訊接 口輸出到對應逆變模塊，以控制電機運行。
本發明的塔式起重機控制系統及起重機具有以下有益效果提升、變幅、回轉逆變 模塊共用直流母線回路能夠充分利用提升、變幅、回轉電機在發電運行時所產生的能量供 其他處于電動運行狀態的電機使用，最大程度降低能耗。同時，在提升、變幅、回轉電機均處 于電動運行狀態時，可通過一個整流電路在直流母線回路上實現直流電壓共享，有效的降 低了成本。除此之外，通過直流母線回路為電源電路供電從而為控制系統中的低壓元件供 電，也降低了能源消耗。在本發明中，實現了制動單元的共享，整個直流母線回路未被吸收的多余再生能 量可通過一個制動電阻消耗掉。整個塔式起重機控制系統實現了邏輯與變頻控制一體化， 調試方便，性能更加優越。
下面將結合附圖及實施例對本發明作進一步說明，附圖中圖1是現有塔式起重機的結構示意圖；圖2是圖1中塔式起重機控制系統的結構示意圖；圖3是本發明塔式起重機控制系統實施例的示意圖；圖4是圖3中控制板的結構示意圖；圖5是圖4中邏輯處理單元的功能模塊圖；圖6是圖3中逆變器的功能模塊圖。
具體實施例方式本發明的塔式起重機控制系統及起重機通過共直流母線的方式實現電機發電運 行時所產生回饋能量的共享，有效的降低能量消耗，實現制動單元共享。同時，對直流母線 回路中的電能進行轉換，還可為控制系統中的控制板及其他低壓場所供電。整個塔式起重 機控制系統實現了邏輯與變頻控制一體化，調試方便，性能更加優越。如圖3所示，是本發明的塔式起重機控制系統實施例的結構示意圖。在本實施例 中，該塔式起重機控制系統包括控制板31、整流電路32、直流儲能電路33、電源電路34、直 流母線回路35、提升逆變電路36、變幅逆變電路37、回轉逆變電路38、制動單元39以及 分別用于使吊裝的貨物提升、變幅、以及回轉的提升電機310、變幅電機311以及回轉電機 312。在本實施例中，控制板31是整個控制系統的核心，其內置專業邏輯模式，可通過 功能碼的方式(或者軟件變更的方式)靈活調整運行邏輯，實現功能選擇，從而控制起重機 的整個工作過程。具體地，該控制板31根據接收到的操作指令和外圍信號實現相應動作的 控制邏輯以及電機驅動，使得邏輯控制與變頻器控制結合為一體，避免了控制邏輯與變頻 器之間的接線，消除了原有系統中的安全隱患。上述整流電路32以電網380V交流電壓作為輸入端，從而將電網電能經過整流后 輸出到直流母線回路35。直流儲能電路33和電源電路34與直流母線(P、N)回路35相連。 直流儲能電路33用于儲存直流母線回路上由電機發電運行產生的部分能量并在電機電動 運行時通過直流母線回路35為電機供電。電源電路34用于將直流母線回路上的直流電壓 轉換成低電壓工作場所(例如控制板)所需的各種工作電壓(如24V)。
上述提升電機310、變幅電機311以及回轉電機312分別由提升逆變電路36、變幅 逆變電路37、回轉逆變電路38控制運行，其中提升逆變電路36的輸出端連接到提升電機 310的輸入端，變幅逆變電路37的輸出端連接到變幅電機311的輸入端，回轉逆變電路38 的輸出端連接到回轉電機312的輸入端。上述提升逆變電路36、變幅逆變電路37、回轉逆 變電路38的輸入端連接到直流母線回路35，通過共享直流母線回路實現能量共享。上述直流母線回路35與整流電路32、直流儲能電路33、電源電路34、各逆變電路 以及制動單元39相連，直流母線回路35可從整流電路32、逆變電路、直流儲能電路33中獲 取能量，也可給逆變電路、直流儲能電路33、電源電路34提供能量，并將未被吸收的多余再 生能量提供給制動單元39以熱能形式消耗。通過直流母線回路共享，控制系統的整體能耗(電動能耗-發電能耗)可通過直 流母線回路得到均衡，從而有效地減少整流電路32提供的電流，提高整流電路32的部分功 率器件的降額，使其延長使用壽命。具體地說，當與提升逆變電路36、變幅逆變電路37、回轉逆變電路38連接的全部 或部分電機處于發電運行狀態時，將產生的電能回饋到直流母線回路35，這些回饋的再生 能源可被其他處于電動運行狀態的電機吸收掉，未被吸取的再生能量將被與直流母線回路 35相連的直流儲能電路33和制動單元39吸收。當全部電機均處于電動運行時，電網電壓 經整流電路32輸出到直流母線回路35，直流母線回路35從電網中吸取所需能量或者從直 流儲能電路33中獲得部分能量供電機驅動運行。共享直流母線回路35不僅實現能量的合理利用，還可實現制動單元39共享，節約 成本。如圖4所示，是圖3中控制板31的硬件結構示意圖，該控制板包括模擬量輸入端 子Al、數字量輸入端子DI、數字量輸出端子DO、時鐘電路、邏輯處理單元、存儲單元、操作器 接口以及通訊接口。具體地說，邏輯處理單元是整個控制板的核心電路。它采集控制板31各輸入端子 的輸入信號，包括模擬量輸入信號Al、數字量輸入信號DI和操作器輸入信號，邏輯處理單 元根據上述輸入信號進行內部邏輯控制處理，并通過數字量輸出端子DO或者通訊接口輸 出對應控制信號到提升、變幅、回轉逆變模塊，以控制各電機運行。存儲單元用于存儲起重 機的功能碼參數，可通過控制板31上的操作器接口，在操作器上顯示存儲的相關功能碼和 參數。此外，也可通過該操作器完成起重機邏輯控制、起重機指令調度、電機控制等功能參 數設置與調試等。通過操作器來完成塔式起重機控制系統的參數設置與調試，縮短調試時 間，降低了對調試人員的技能要求。如圖5所示，是上述控制板31上的邏輯處理單元實施例的結構示意圖。該邏輯處 理單元包括輸入輸出處理子單元、操作器處理子單元、提升邏輯處理子單元、回轉邏輯處理 子單元以及變幅邏輯處理子單元。輸入輸出處理子單元主要通過操作器接口、通訊接口、模 擬量輸入端子AI和數字量輸入端子接收操作指令和外圍反饋信號，并根據內部邏輯判斷 作出相應的輸出；提升邏輯處理子單元、變幅邏輯處理子單元以及回轉邏輯處理子單元主 要根據接收的輸入信號經內部邏輯處理向提升逆變電路、變幅逆變電路和回轉逆變電路發 送控制信號，以控制相應提升電機、變幅電機以及回轉電機的運行。在本發明專利所述的塔式起重機控制系統中，提升逆變電路、變幅逆變電路和回轉逆變電路中的每一個逆變電路都包括逆變控制單元和逆變處理單元，如圖6所示。直流 母線回路35的P、N端子與逆變處理單元相連作為逆變電路的輸入電源，電源電路34作為 逆變處理單元的驅動電源，逆變控制單元用于根據邏輯處理子單元、變幅邏輯處理子單元 以及回轉邏輯處理子單元的控制信號控制逆變處理單元的輸出U、V、W，從而控制提升電機、 變幅電機、回轉電機的運行狀態。上述控制系統可應用于現有的的塔式起重機中，從而實現起重機的提升、變幅以 及回轉控制。以上所述，僅為本發明較佳的具體實施方式
，但本發明的保護范圍并不局限于此， 任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明揭露的技術范圍內，可輕易想到的變化或替換， 都應涵蓋在本發明的保護范圍之內。因此，本發明的保護范圍應該以權利要求的保護范圍 為準。
權利要求
1.一種塔式起重機控制系統，其特征在于，包括用于驅動至少兩個電機轉動的至少兩 個逆變電路、用于接收操作指令信號和外圍反饋信號并控制逆變電路的控制板、為所述逆 變電路供電的直流母線回路以及用于將直流母線的電能轉換為低壓直流電的電源電路，其 中所述逆變電路和電源電路的輸入端分別連接到直流母線回路，所述電源電路分別為所述 控制板及其他低壓場所供電。
2.根據權利要求1所述的塔式起重機控制系統，其特征在于，所述逆變電路包括輸出 端分別連接到提升電機、變幅電機和回轉電機的提升逆變電路、變幅逆變電路和回轉逆變 電路。
3.根據權利要求2所述的塔式起重機控制系統，其特征在于，每一所述逆變電路包括 逆變控制單元和逆變處理單元，其中所述逆變處理單元用于實現電流轉換，所述逆變控制 單元用于控制所述逆變處理單元的電流轉換以實現電機驅動和電能回饋。
4.根據權利要求1所述的塔式起重機控制系統，其特征在于，還包括整流電路、直流儲 能電路及制動單元，所述整流電路的輸入端連接電網、輸出端連接到所述直流母線回路，所 述制動單元的輸入端連接到所屬直流母線回路，所述直流儲能電路用于儲存所述直流母線 回路上的電能。
5.根據權利要求1所述的塔式起重機控制系統，其特征在于，所述控制板包括模擬量 輸入端子、數字量輸入端子、數字量輸出端子、邏輯處理單元、操作器接口以及通訊接口，所 述邏輯處理單元采集各輸入端子的輸入信號并將根據上述輸入信號生成的控制信號通過 數字量端子或者通訊接口輸出到對應逆變模塊，以控制電機運行。
6.一種塔式起重機，包括塔身、轉臂及控制系統，其特征在于，所述控制系統包括用于 驅動至少兩個電機轉動的至少兩個逆變電路、用于接收操作指令信號和外圍反饋信號并控 制逆變電路的控制板、為所述逆變電路供電的直流母線回路以及用于將直流母線的電能轉 換為低壓直流電的電源電路，其中所述逆變電路和電源電路的輸入端分別連接到直流母線 回路，所述電源電路分別為所述控制板及其他低壓場所供電。
7.根據權利要求6所述的塔式起重機，其特征在于，所述逆變電路包括輸出端分別連 接到提升電機、變幅電機和回轉電機的提升逆變電路、變幅逆變電路和回轉逆變電路。
8.根據權利要求7所述的塔式起重機，其特征在于，每一所述逆變電路包括逆變控制 單元和逆變處理單元，其中所述逆變處理單元用于實現電流轉換，所述逆變控制單元用于 控制所述逆變處理單元的電流轉換以實現電機驅動和電能回饋。
9.根據權利要求6所述的塔式起重機，其特征在于，還包括整流電路、直流儲能電路及 制動單元，所述整流電路的輸入端連接電網、輸出端連接到所述直流母線回路，所述制動單 元的輸入端連接到所屬直流母線回路，所述直流儲能電路用于儲存所述直流母線回路上的 電能。
10.根據權利要求6所述的塔式起重機，其特征在于，所述控制板包括模擬量輸入端 子、數字量輸入端子、數字量輸出端子、邏輯處理單元、操作器接口以及通訊接口，所述邏輯 處理單元采集各輸入端子的輸入信號并將根據上述輸入信號生成的控制信號通過數字量 端子或者通訊接口輸出到對應逆變模塊，以控制電機運行。
全文摘要
本發明涉及一種塔式起重機控制系統，包括用于驅動電機轉動的逆變電路、用于接收操作指令信號和外圍反饋信號并控制逆變電路的控制板、為所述逆變電路供電的直流母線回路以及用于將直流母線的電能轉換為低壓直流電的電源電路，其中所述逆變電路和電源電路的輸入端分別連接到直流母線回路。本發明還揭露了一種采用上述控制系統的塔式起重機。本發明通過直流母線回路為電源電路供電從而為控制系統中的低壓元件供電，從而節省了能源消耗。
文檔編號B66C13/22GK102115012SQ20091023962
公開日2011年7月6日 申請日期2009年12月31日 優先權日2009年12月31日
發明者劉宇川, 李澤剛, 殷杰, 邱志紅 申請人:深圳市匯川技術股份有限公司, 蘇州默納克控制技術有限公司