1引言

　　為滿足水電站廠房?jī)?nèi)安裝和檢修大型水輪機(jī)組的需要，國(guó)內(nèi)外同行提出了設(shè)計(jì)雙小車橋式起重機(jī)的思路。平時(shí)輕載起吊時(shí)采用單小車運(yùn)行方式，在安裝或檢修水輪機(jī)組定、轉(zhuǎn)子(重載)時(shí)采用雙小車的運(yùn)行方式。這樣就能起到了節(jié)能降耗的目的。但目前傳統(tǒng)的雙小車橋機(jī)控制系統(tǒng)普遍存在著空中起吊重物時(shí)“溜鉤”，兩小車抬吊時(shí)同步性差，為控制兩吊點(diǎn)高差(≤10mm)操作困難，人機(jī)對(duì)話品質(zhì)達(dá)不到要求等問題。由此可見，雙小車橋機(jī)的設(shè)計(jì)(見圖1)，雖然很好地解決了橋機(jī)資源浪費(fèi)問題，但目前重點(diǎn)需要解決的是其電控系統(tǒng)的自動(dòng)化和智能化問題，以保證橋機(jī)起吊時(shí)不出現(xiàn)“溜鉤”現(xiàn)象，在抬吊水輪機(jī)組定轉(zhuǎn)子時(shí)，兩小車起升機(jī)構(gòu)和小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)能同步起制動(dòng)，運(yùn)行時(shí)，能根據(jù)兩吊點(diǎn)高度差自動(dòng)糾偏，始終保持高度一致(高度差≤10mm)。為解決以上難題，通過秘魯圣加旺Ⅲ水電站125t+125t/18m橋式起重機(jī)項(xiàng)目展開智能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

圖 1 雙小車橋機(jī)總體布置圖

　　2 硬件設(shè)計(jì)

　　2.1 電氣傳動(dòng)系統(tǒng)

　　為實(shí)現(xiàn)大噸位起吊，開發(fā)如圖1所示的雙小車橋式起重機(jī)，其電氣系統(tǒng)如圖2所示主要包括供電系統(tǒng)、起升系統(tǒng)、小車運(yùn)行系統(tǒng)、大車運(yùn)行系統(tǒng)等，其中供電系統(tǒng)采用滑觸線供電。起升系統(tǒng)包括1#小車起升機(jī)構(gòu)和2#小車起升機(jī)構(gòu)，兩機(jī)構(gòu)完全一樣，分別由一臺(tái)QABP315L8A，90KW變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)， 實(shí)現(xiàn)1:20調(diào)速比(50t 0.3~3m/min; Q≤50t時(shí)：0.6~6m/min)。小車系統(tǒng)包括1#小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)和2#小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)，兩機(jī)構(gòu)完全一樣，每個(gè)機(jī)構(gòu)均由兩臺(tái)三合一100LA/4 2.2KW變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)1:10調(diào)速比(1.2~12m/min)。為實(shí)現(xiàn)起升和小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)的調(diào)速比，兩機(jī)構(gòu)均選用ABB公司DTC控制的ACS880變頻器驅(qū)動(dòng)。

如圖2所示，司機(jī)室設(shè)置了聯(lián)動(dòng)臺(tái)，其中右聯(lián)動(dòng)臺(tái)設(shè)置了起升和大車運(yùn)行操作主令控制器，左聯(lián)動(dòng)臺(tái)設(shè)置小車運(yùn)行操作主令控制器，各五擋。同時(shí)設(shè)置了操作對(duì)象選擇轉(zhuǎn)換開關(guān)：1#小車、2#小車、并車運(yùn)行。所有操作信號(hào)均輸入PLC，而PLC輸出信號(hào)控制聯(lián)動(dòng)臺(tái)上的各機(jī)構(gòu)運(yùn)行和故障指示燈。

　　2.2 PLC(M340)

　　雙小車橋機(jī)電氣控制系統(tǒng)采用施耐德M340系列PLC，具體硬件配置如圖3所示。整個(gè)PLC控制系統(tǒng)由CPU模塊BMX P34 2020、三個(gè)數(shù)字量輸入模塊BMX DDI3202K、一個(gè)數(shù)字量輸入模塊BMX DDI1602、兩個(gè)數(shù)字量輸出模塊BMX DDO3202K、一個(gè)模擬量輸入模塊BMX AMI0410和編碼器接口SSI模塊BMX EAE 0300組成。其中CPU為中央處理器，處理各種信息。數(shù)字量輸入主要用來接收各機(jī)構(gòu)運(yùn)行和故障狀態(tài)開關(guān)量信號(hào)以及遙控器的操作命令信號(hào);數(shù)字量輸出主要輸出各機(jī)構(gòu)控制命令，以完成各機(jī)構(gòu)正確地啟動(dòng)、運(yùn)行、制動(dòng)。起升機(jī)構(gòu)使用SSI絕對(duì)值編碼器德國(guó)庫伯勒Sendix M5863，可將吊點(diǎn)高度數(shù)據(jù)傳入PLC中。

　　2.3 人機(jī)界面

　　為實(shí)時(shí)監(jiān)視橋機(jī)運(yùn)行和故障狀態(tài)，使整機(jī)具有良好的人機(jī)對(duì)話和高品質(zhì)的信息處理功能，本橋機(jī)采用研華工控機(jī)TPC-1551T(在司機(jī)室)，與PLC集成以太網(wǎng) Modbus/TCP 網(wǎng)絡(luò)通訊接口相連，將橋機(jī)的操作、運(yùn)行和故障等信號(hào)通過圖形、曲線展示出來。

　　3 軟件設(shè)計(jì)

　　3.1 傳動(dòng)控制(Unity Pro XL軟件)

　　為實(shí)現(xiàn)橋機(jī)的智能化控制，本系統(tǒng)采用了施耐德M340系列PLC產(chǎn)品，并在Unity Pro XL軟件環(huán)境下編程。 編程軟件Unity Pro XL 是基于Windows 環(huán)境下運(yùn)行的，能對(duì)各系統(tǒng)PLC進(jìn)行控制算法和邏輯組態(tài)的軟件。根據(jù)雙小車橋機(jī)的運(yùn)行與控制要求，按照以下步驟進(jìn)行了程序的開發(fā)：

　　(1)建立項(xiàng)目，按照?qǐng)D3，配置機(jī)架、輸入輸出模塊等 。

　　(2)根據(jù)雙小車橋機(jī)操作運(yùn)行工況，編制控制系統(tǒng)流程圖(見圖4)，利用編程軟件Unity Pro XL開發(fā)設(shè)計(jì)了起升1、起升2、小車1、小車2及大車程序段，創(chuàng)建的程序段及起升梯形圖如圖5、圖6所示。通過開發(fā)控制系統(tǒng)PLC程序，實(shí)現(xiàn)一人操作1#小車、2#小車、并車運(yùn)行，同時(shí)確保并車抬吊時(shí)兩起升吊點(diǎn)高度始終保持一致(兩吊點(diǎn)高度差≤10mm)，從而解決操作復(fù)雜、抬吊同步性差和起升溜鉤的難題。

　?、贋閷?shí)現(xiàn)一人操作1#小車、2#小車、并車運(yùn)行，解決雙小車司機(jī)操作復(fù)雜的難題， 在聯(lián)動(dòng)臺(tái)上設(shè)置了操作對(duì)象選擇轉(zhuǎn)換開關(guān)： 1#小車、2#小車、并車運(yùn)行。這樣如需操作1#小車/2#小車起升或運(yùn)行機(jī)構(gòu)時(shí)，就將開關(guān)選至1#小車/2#小車，抬吊時(shí)，只要將轉(zhuǎn)換開關(guān)選擇至并車運(yùn)行。 操作信號(hào)輸入PLC后，通過PLC的控制程序，輸出信號(hào)給變頻器，從而實(shí)現(xiàn)橋機(jī)1#小車、2#小車、并車運(yùn)行工況。

圖 8 起升機(jī)構(gòu)監(jiān)控圖

　?、? 起升機(jī)構(gòu)采用主令控制器控制時(shí)，上升、下降各五擋。并車運(yùn)行前，兩小車通過機(jī)械拉桿裝置進(jìn)行剛性連接，以保證兩小車運(yùn)行的速度同步;在起升卷筒高度限制器的軸上裝上一個(gè)高分辯率絕對(duì)編碼器,進(jìn)行高度位置檢測(cè)，其信號(hào)輸入PLC系統(tǒng)。并車時(shí)，以1#小車為基準(zhǔn)，2#小車起升高度位置信號(hào)分別與1#小車進(jìn)行比較，當(dāng)高度差信號(hào)≥10mm時(shí)，對(duì)其速度進(jìn)行微調(diào)，實(shí)現(xiàn)高度位置隨動(dòng)，以達(dá)到并車抬吊時(shí)兩起升吊點(diǎn)高度始終保持一致。

　?、? 空中起吊重物時(shí)，由于電機(jī)轉(zhuǎn)矩的建立需要一定的時(shí)間，當(dāng)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩低于負(fù)載轉(zhuǎn)矩松閘時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生重物下滑的現(xiàn)象，由此出現(xiàn)“溜鉤”現(xiàn)象，產(chǎn)生安全隱患。為此，開發(fā)防溜鉤控制程序，操作啟動(dòng)起升運(yùn)行時(shí)，先通過變頻器讀取電機(jī)電流，并轉(zhuǎn)換成電機(jī)轉(zhuǎn)矩模擬量信號(hào)(0~10V)輸入給PLC，通過開發(fā)PLC防溜鉤控制程序，實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)矩增至100%額定轉(zhuǎn)矩時(shí)，輸出松閘信號(hào)，打開抱閘，避免了“溜鉤”現(xiàn)象的產(chǎn)生。

　　3.2 人機(jī)界面系統(tǒng)設(shè)計(jì)(Kingview軟件)

　　橋機(jī)電氣控制系統(tǒng)人機(jī)界面采用研華工控機(jī)，并用Kingview組態(tài)軟件來編程，組態(tài)軟件是一種面向工業(yè)自動(dòng)化的通用數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控軟件。組態(tài)軟件與PLC通訊協(xié)議采用modbus TCP 協(xié)議， Kingview組態(tài)軟件由工程瀏覽器(TouchExplorer)、工程管理器(Proj-Manager) 和畫面運(yùn)行系統(tǒng)(TouchVew)三大部分組成。通過建立新工程項(xiàng)目、制作圖形畫面、定義變量、建立動(dòng)畫連接、命令語言編程和程序運(yùn)行，完成圖7和圖8的監(jiān)控畫面。不僅能顯示整機(jī)狀態(tài)、操作記錄，起吊重量和吊點(diǎn)高度實(shí)時(shí)曲線，而且能故障查詢，并獲得歷史操作及歷史趨勢(shì)等信息，實(shí)現(xiàn)高品質(zhì)的人機(jī)對(duì)話和信息處理功能。

　　4 結(jié)束語

　　開發(fā)的橋機(jī)控制系統(tǒng)應(yīng)用于秘魯圣加旺Ⅲ水電站125t+125t/18m橋式起重機(jī)中，該系統(tǒng)經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試與測(cè)試：雙小車抬吊時(shí)最大高差為7mm，空中起吊不“溜鉤”，各機(jī)構(gòu)運(yùn)行平穩(wěn)、定位準(zhǔn)確，并具有數(shù)據(jù)記憶功能，工控機(jī)的監(jiān)控又使整機(jī)電控系統(tǒng)的智能化程度進(jìn)一步提高。橋機(jī)智能控制系統(tǒng)的成功研發(fā)與應(yīng)用，將為起重機(jī)械行業(yè)的智能化技術(shù)研發(fā)發(fā)揮拋磚引玉的作用。

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