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[装备] “智能大脑”植入起重装备 [复制链接]

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桥梁网 发表于 2011-10-8 11:04:48 |显示全部楼层 |          |
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“智能大脑”植入起重装备$ q0 A8 Z! M( X

" p$ U8 T0 R' U! r3 a
                                                                                                     文/张建钢 余巍 郑席( H9 v/ s- H0 S# X5 q$ e

本文介绍了变频调速与可编程控制系统结合,在爬拱起重机、架桥机以及双臂架变幅式起重船三种不同类型的现代起重装备上的设计方法、应用及总结。并通过实践经验,给出设计、制造和使用过程中应该注意的事项,并从节能、提高生产率、降低使用成本、提高安全性等方面提出优化措施。


' B# R8 [7 z$ U$ G东平桥50t全回转爬拱起重机控制系统/ ^0 ~5 Y( Q0 t, l! ]

东平桥50t全回转爬拱起重机是为东平水道桥架梁工作所设计的专用起重机。起重机能够在钢桁梁上弦行走,可完成边跨平直梁和主跨拱梁的架设,可以覆盖钢梁三片主桁,能够同时完成塔架锚箱的安装。具有提升、变幅、全回转、底盘调平、整机前移及锚固的功能。

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系统主回路配置( a8 h; t$ B1 A. m6 \) f

整机电气系统分为电源系统、主起升系统、变幅系统、副起升系统、回转系统、牵引与调平系统、安全报警及监控系统、视频监控系统和照明电路等组成。

爬拱起重机主传动采用安川公司的CIMR-G7A系列变频器,主起升、副起升、变幅、牵引与旋转采用矢量开环控制模式。这种控制模式简化了外部硬件需求,是一种性价比高,适用对稳态及动态性能有一定要求,但要求指标又不是特别高的场合。爬拱起重机吊装速度慢,因此大多数场合采用这个方式。回转采用U/f控制模式,由于回转电动机是同规格、同速度,因而适用于群拖方式,即一台变频器带动几台电动机,电动机彼此间总是运行在理想空载转速相同、斜率也大致相同的机械特性上,当负载大致一样时,实际转速也大致相同。


) S, |# K) F* n0 p6 V) e# g. F, ]PLC控制系统1 B" b0 h# T, L7 t) A. U
; y2 s1 e3 b4 z3 [

采用PLC作为核心控制器件,将PLC、触摸屏联结起来,减少电缆投资,减少接线和维护工作量,减少故障点。

触摸屏安装于司机室,接受操作人员的指令,显示系统各种工况信息,以利于操作人员监视、操作和方便维护人员故障诊断与维修;PLC安装于控制柜内。接收现场检测器件的状态信息、变频器等状态信息,控制系统运行;PLC 控制柜、变频控制柜,安装在一个小型集装箱内,便于安装维护;电阻制动柜安放在集装箱外。

: v$ X: L1 e9 W9 m. J; y
上海长江大桥60m跨架桥机控制系统
: n8 n: @, p2 G8 G- z6 _: N. j, ~) M/ w1 J% H9 d

60m跨节段拼装架桥机是为上海长江大桥的架设而设计的,是采用移动支架法架设混凝土桥梁的先进机械设备。架桥机采用固定点上梁,桥面运梁,架桥机尾部喂梁的方式进行起吊拼装。在节段梁吊装和拼装过程中,可实现节段梁的提升、旋转操作,拼装时纵向、横向、上下三个方向和纵坡的调整。

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系统主回路配置' b# W& e# y! N

电气系统分为主起升机构、大车走行机构、小车走行机构、吊具旋转机构等四部分。

在设计时,充分考虑到起重设备的启动转矩大,启停频繁,能量变化剧烈等特点,采用了VACON NXP矢量变频器, 不但拥有宽阔的应用空间,而且在使用时非常方便。

NXP变频器具有针对起重机的特殊应用功能,具备高力矩起动功能。具有ALL-IN-ONE应用宏软件包,能通过应用宏设置成起重机功能模式,在终端对数字输出编程后即可作为制动控制信号,实现抱闸顺序制动功能。考虑到起升机构的特殊性,在变频器内部内置了机械抱闸逻辑顺序控制功能,使用户无需过多考虑,很方便地解决出现的问题。

应用NXP变频器时,一般采用多段速度的给定方式,通过逻辑端子可以很方便地实现,而速度大小可以通过内部预置速度的修改达到。能够快速响应,在几毫秒内从零增加到全负荷力矩。起动卷矩>200%(取决于电机和变频器的规格)。快速响应及与轴速度反馈的结合,能够提供极精确的速度控制。静态速度误差<1%,加减速斜坡,S斜坡,可以进行快速电动制动。频率输出模式,分别适合于起升专用及大小车控制。

/ x3 o  x! n' k3 k1 h( x6 c
PLC控制系统, _/ }+ H- \2 N$ c9 d: d
' r, K& v1 C4 n0 l3 {

系统的控制部分采用SIEMENS S7-200 系列可编程控制器(简称PLC)来实现,替代传统的继电器控制,具有控制先进,可靠性高,编程和修改方便等特点。PLC是整个调速系统的核心,负责对系统所有的输入、输出控制点和运算进行控制。同时 PLC具备强大的故障诊断和判断功能,能够准确可靠地监控系统运行,并负责与监控系统的通讯。

PLC在本系统中的主要功能:PLC主要用于协调处理大车、主钩、小车的控制信号,包括接受遥控和人机界面的方向、速度给定信号、各路限位状态信号、电机过热保护信号和抱闸开合信号,发出各机构控制信号,控制变频器驱动电机旋转和器件动作保护。

采用SIEMENS TP170B人机界面作为监控系统,其彩色画面触摸屏,具有良好的可视性和方便的操作功能。

2×1200t双臂架变幅式起重船控制系统( i& `% B! l  f: J" U' u* j

2×1200t双臂架变幅式起重船,额定起重量为2×1200t,主钩设置为4个600t吊钩,最大起升高度88m,副钩设置为2个200t吊钩,最大起升高度110m。起重机主要由吊臂、吊臂座、三角架、主钩起升机构、副钩起升机构、索具钩起升机构、稳索绞车、变幅机构、电气系统、操纵室及安全装置组成。


" d! y+ h2 g& |3 H/ z8 X系统主回路配置
1 _- J$ g6 O$ B$ t- f5 p9 g+ }# ]

起重变频控制系统主电源是由主配电板经十二脉变压器供电,主驱动机构采用单传动的交流变频调速系统。机构由高速转为低速或吊重下降的过程中,产生的能量通过外部能耗电阻释放,所有能耗电阻单独放置在电阻舱内。每个变频器输入端加装无源谐波滤波器,以显著减小谐波电压的畸变率及减小谐波电流。

采用 ABB 公司生产的 ACS800 系列变频器(起升机构采用 ACC800 提升专用变频器)。ABB 变频器采用直接转矩控制(DTC)方式。这种控制方式采用实时计算的电动机转矩和转速构成转矩转速双闭环系统,其动、静态精度高(控制精度优于正负5%)。在转矩响应方面,比非 DTC 控制方式变频器快(转矩响应时间≤5ms),并克服了传统调速系统和转矩开环变频器低速段输出转矩不足的问题,其零速转矩可达 200%。这些特点充分保证了位能性负载的要求。

ACC800 提升专用变频器除具有 ACS600 系列变频器所有特点外,还内置了提升专用软件,相应配备了各种接口可选,还具有多种专用功能:予励磁、转矩验证、功率优化、闸控逻辑等特殊功能,简化了系统外围结构,使整个系统简单清晰,安全性和可靠性也大为提高。对于多台电机同时驱动起升机构的起重机,则可以采用多台变频器,利用内置的主从提升功能实现。

主、副起升和变幅采用带速度反馈的闭环DTC直接转矩控制方式,分别采用一台光电编码器,做速度反馈和控制检测用,其中一台为主机,另一台为从机。利用主从应用软件,保证两台电动机的速度同步和负荷平衡。

小车机构变频器采用一台变频器,稳索和索具采用不带速度反馈的开环DTC直接转矩控制方式,分别采用一台提升专用变频器(ACC800 变频器)。所有变频器,采用斩波器加制动电阻实现制动功能。所有变频器配有各类标准的现场总线接口。

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PLC控制系统
" T1 ?2 V: g. E7 p! F# ~) T7 r# F

PLC控制系统由控制层、管理层和现场层三部分组成。

控制层设置在变频舱控制柜内。选用西门子S7-400H可编程控制器为核心,为提高整个系统的安全性,降低故障率,采用了CPU冗余配置。正常工作时,两CPU都处于运行状态,如果一个发生故障,另一个就会对过程实施全面控制。整个过程为无扰动自动切换,不会影响整机运行。控制层与管理层通过工业以太网交换机进行通信,设置两个交换机。交换机之间采用级联方式,以扩展通信距离。控制层与现场层采用Profibus现场总线方式,传输速度设1.5Mbit/s,以满足整船通信距离要求。

管理层由起重机信息管理系统(CMS)和人机界面构成,设置在操作室内。为保证本控制系统的正常运行,采用正式授权CMS软件,并提供原制造厂商的正式授权光盘。CMS系统配合PLC对起重机的操作系统进行监控、故障诊断及数据收集,CMS系统记录并显示电气元件或部件的故障与工作状态、起重机的状态参数、操作记录与工作参数,本身故障时不会影响系统的工作。发生停车故障时可以记录前后10秒所有设备与信号的状态与数据,便于进一步分析。

CMS主画面由各主要运行机构的主要相关信息构成,包括如下模块(但不限于以下模块及功能):状态监测及监控模块、故障报警及诊断模块、设备维护及保养模块、生产统计及分析模块、报表产生模块。CMS具有在线功能实时显示起重机的运行状态、图形模拟显示机构运行相对参数(如电流、速度、高度等,且为中文显示)。

在操控台设置了两个人机界面,选用2个西门子MP277 10.4英寸彩色触摸屏,分别对应左右两侧的起重机构。人机界面采用全中文监控系统,通过以太网与PLC进行通信。显示内容包括但不限于以下内容:电机电流、电机转速、钢丝绳圈数、吊钩高度、运行指示、运行故障、系统故障、故障查询、时间日期。

现场层由ET200M和Y-LINK组成,用于采集现场数据和控制现场设备。通过PROFIBUS现场总线与控制层进行通信。船艉机构现场层控制设置在变频舱内,船艏机构现场层设置在船艏指挥室内。

9 C" T% R) }/ b2 p! ^
技术应用效果及注意事项
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应用了现代驱动技术的设备运行情况良好,根据用户的反馈信息,可以归纳出以下几个特点:

◆系统启、制动快,且启动过程平稳。

◆作业精度高,2×1200t双臂架变幅式起重船80m起升高度,同步精度达到3‰;四钩八卷扬同时动作,从最低起升到最高,相差240mm。

◆ 故障率大为降低,维护工作量大为减少。用户反映多年以来运行稳定可靠,操作简单灵活,生产率比以前大为提高。

◆ 安全性明显提高。曾有维护人员错误短接了起升机构的限位开关,操作人员操作失误造成起升机构过卷,系统产生制动保护,避免了事故发生。

◆系统维护方便。因为提供了完善、详细的系统运行状态信息和故障信息,使得故障诊断变得十分容易,使维护工作简单快捷。

◆没有出现过溜钩现象。

需要注意的是,桥梁装备的工作环境一般都比较差,导电粉尘、水溅、腐蚀性气体、环境温度高、海拔高度高等都可能对装备造成影响。PLC和变频器也不例外,环境温度和海拔高度对它们的影响比较大。因此必须严格按照相关使用条件,且考虑柜体的防护等级和通风散热方式。

变频器的使用,不可避免会带来一些干扰。因此必须采取一些合理的抗干扰措施,比如PLC和变频器的安装、电缆走线,屏蔽电缆的使用,应充分考虑系统的EMC兼容性。

变频调速系统的改造,一次性的成本投入比较大,但从节能、提高生产率、降低使用成本、提高安全性等方面来看是值得的。可采取如下措施降低一次性投入:非位能性负载机构如回转大车、小车,可以采用一台变频器驱动两台甚至多台电机;变频器的选型要适当,设计时要考虑容量与制动性能;可以考虑利用原来的绕线式电机或者仅更换起升机构的电机为变频电机;小型设备可以不用PLC和现场总线,采用传统控制,以节约成本。


# J; b& B4 x3 J! }总结
5 O- O1 E' A! u- g

采用传统调速系统,设备的生产率受到限制,经常出故障,维修工作量大,成本高。近十年来,在多种产品上已经采用了变频系统和PLC控制,大大提高了产品的自动化控制水平,提高了工作效率,操作灵便安全,保证了设备的稳定性。实践证明,这种有别于传统的先进控制系统,是产品技术上的革命性飞跃。

起重机行业采用变频器调速系统,不仅能满足起重机工艺要求,而且克服了传统调速系统存在的问题。同时通过变频器参数设置多种保护功能,使得系统的保护更加完备。

(作者单位:武桥重工集团股份有限公司)9 f+ v3 v3 h+ i' m% p, @
(编辑:王少杰)% s' P2 y/ [3 f  ~

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