超大吨位缆索式起重机集中自动控制技术

　　摘要：本文以广西南宁大桥施工中所采用的4×100t缆索起重机为例，重点介绍PLC电气集中控制、缆索索力过程监测、远程视频监控等关键技术的研发和应用，为提高缆索式起重机规范化、自动化设计与施工提供参考。
　　关键词：缆索式起重机，集中控制，自动化管理
　　1.前言
　　缆索式起重机是拱桥无支架施工中的常用设备和大型临时设施，一般起吊重量在5～80吨范围，塔顶索鞍采用固定或小距离横移式，起重、牵引等动力卷扬机数量少，以人工单机操作为主。
　　南宁大桥主桥设计为300m跨径的曲线钢箱梁、非对称外倾式钢箱拱结构，上部拱梁结构采用大节段预制，无支架缆索吊装工艺。缆索吊机布置4组，单组净起吊能力为110t，总吊重440t。塔顶索鞍横向移动范围达2×40m,临时索塔为“吊扣合一”的组合式钢结构。起重、牵引卷扬机共32台,节段吊装过程中，需要同时启动8台起重卷扬机或8台牵引卷扬机，实现单机微动或多机联动，吊装工况异常复杂。如何保证缆索吊装安全，实现多机操作同步性、系统关键部位受力可控性成为关键。
　　通过对动力系统PLC控制技术、缆索索力过程监测技术、远程视频监控等关键技术的研发和应用，顺利实现了以上目标。
　　2.动力系统PLC电气集中控制技术
　　2.1PLC电气集中控制原理
　　缆索起重机电气控制为“综合监测（CMMS，人机界面）＋PLC＋ABB变频传动”组成的三级系统，三级之间的数据交换通过PROFIBUSDP总线通讯实现。
　　2.1.1综合监测系统（CMMS）
　　通过在电气控制房工控机上安装工业WINCC软件以及卷扬机调速装置和PLC、其他检测元件可构成起重机的综合监测系统，其通过MPI口与PLC的CPU通讯获取所需信息从而监控整车的运行状态和故障信息，实现故障自诊断，便于起重机的日常维护和检修。
　　2.1.2工业软件－WINCC软件
　　WINCC是WindowsContronCenter的缩写，能高效控制自动化过程的过程可视化系统。WINCC可方便地与用户程序组合在一起，建立人机界面，精确地满足现场操作需要。PLC通过通讯直接读取现场检测元件及驱动系统内部地信息，通过起重机中控室工控机可进行多画面操作，完成起重机运行状态的图形显示、故障显示、报警显示、过程记录等。
　　2.1.3ABB变频器变频调速
　　本缆索起重机各卷扬机采用ABB变频器变频调速，从而实现鼠笼式异步电机的速度控制。驱动系统采用ABB公司ACS800-01系列变频装置，ABB整流/回馈单元通过公用直流母线与各机构逆变器相连实现各机构驱动电动机转矩和速度的精确控制。
　　2.2PLC自动控制系统操作工况
　　缆索系统共布置A、B、C、D四组索道，每组索道在南北岸各布置了2台JM-12.5起重卷扬机（Q）和2台JM10牵引卷扬机(Y)。起重系统布置见图1所示。
　　
　　外倾式拱肋采用两组索道联合，四吊点起吊，为完成拱肋吊装及姿态调整，同时需控制8台起重卷扬机及8台牵引卷扬机运行，需完成的工况如下：
　　1）单机构运行
　　2）多机构联动
　　3）多机构微动
　　2.3PLC电气集中控制系统布置
　　南岸和北岸分别由两岸独立的变电站供电，但系统控制采用单边集中控制。电气控制系统从变电站取电后，经主机电缆，送入两岸电源综合保护柜。电源综合保护柜内主要由总断路器、总接触器、分路断路器、继电器及其他安全保护元器件组成。
　　现场设控制室，控制室内由人机界面、上游控制台、下游控制台、计算机综合管理系统（CMMS）,电视监视系统和硬盘刻录设备，PLC主控制柜组成，PLC主控制柜主要由PLC、中间继电器、PLC供电电源等组成。主站PLC与从站PLC之间采用PROFIBUS－DP通讯，南岸与北岸之间PLC主站与从站之间由于距离远，因此采用光纤进行数据传输，避免信号衰减和外界条件干扰。
　　集中控制系统布置见图2，CMMS操作控制台见图3，动力卷扬机系统布置见图4，PLC变频控制柜见图5所示。
　　
　　图2PLC电气集中控制系统布置图
　　
　　图3CMMS控制台
　　
　　图4动力卷扬机系统                                                        图5PLC变频控制柜
　　2.4系统功能
　　（1）同步控制：系统通过对卷扬机变频器的调节控制，使卷扬机转速达到同步。
　　（2）集中控制：采用光纤通讯电缆,把两岸控制系统连为一体，由操作室主站控制全部卷扬机动力系统。
　　（3）单点或多点微动控制：系统通过对卷扬机转速变频控制，实现系统连续、平稳运行和单点或多点微动控制，实现节段精确姿态调整和对位连接。
　　（4）故障响应控制：在主电路中设置欠压、过流及短路保护，出现故障自动报警并停止工作。
　　南宁大桥缆索起重机电气集中控制系统利用PLC抗干扰能力强，适用于施工现场的特点，WinCC组态软件的强大数据处理和图形表现能力，实时性、可靠性高的PROFIBUS现场总线和以太网相结合的通信网络，以及变频器的调速性能；融合了先进的自动化技术、计算机技术、通信技术故障诊断技术和软件技术，具有可靠性高、维护容易等特点。此系统实现了数据的集中管理、自动控制和手动控制相结合、故障检测等多方面的功能，为吊装系统的连续、稳定、安全运行提供了保障。
　　3.超大吨位缆索起重机索力实时监控技术
　　3.1主索磁通量法索力监测技术
　　缆索起重机主索采用密封式钢丝绳，一般通过矢高法测量边跨及中跨主索垂度来分析判定索力，南宁大桥采用磁通量法对主索钢丝绳的索力进行测量，并与矢高法测量结果校核。磁通量传感器结构布置见图6所示，它由激磁线圈和测量线圈两层线圈
　　
　　图6磁通量传感器结构简图
　　组成，中间为需测量索力的主索。
　　磁通量测试系统见图7，主要由传感器和配套磁弹仪组成。便携式磁弹仪自身带有操作平台及LCD显示器，能实现多通道测量，可直接操作读数，也可通过仪器上的通讯接口与计算机系统相连，实现自动数据采集或远程操控。
　　
　　图7：磁通量测试系统图
　　3.2起重索索力实时监控技术
　　索力监控系统由轴销式传感器、无线发射器、接线盒、蓄电池组及无线控制器构成，系统组成见图8，索力监控系统安装步骤如下：
　　1）将起重小车上挂横梁中间滑轮的轴销用同样规格尺寸的轴销传感器代替，传感器引出信号线至仪表保护箱。
　　2）通过无线发射器将传感器信号传送到地面无线接收器，再通过有线联接将力值传送到电气集中控制系统的计算机中。
　　3）由控制系统进行数据处理，从而对索力实现实时监测及控制，实现数据的自动采集，当索力超过预先设定的数值后，系统要发出报警信号，提醒操作人员对目前的吊装状态采取应对措施，避免吊装系统发生事故。

　　图9起重索力监测系统布置图
　　3.3远程视频监控技术
　　现场设计4个视频监控点，其中3个点采用模拟微波、无线传输图像和无线控制快球；1点为模拟有线传输的高速球，用于ADSL远程监控系统，发射端连接见图10，接收端连接图见11。对缆索起重机的关键部位和吊装工况进行全过程监测。
　　
　　图10前端-发射端连接图图11后端-接收端连接图
　　四个监控点拍摄到的视频图像，可通过互联网传输，在任何装有DVP实时监控软件的电脑上，均可进行远程监控操作，可全过程、多方位地对施工进展情况进行实时监控，方便了获取建筑工地施工现场的视频图像，实现了远程视频监控功能，提高了管理效率，实现远程对整个桥梁吊装工作进行监控和管理，为钢箱拱、钢箱梁的吊装施工提供了安全保障。
　　4．结语
　　通过PLC电气集中控制技术和缆索索力过程监测、远程视频监控技术的综合应用，不仅实现了动力卷扬机群组的集中自动控制，达到了单机微动和多机联动的同步性，同时，对提高缆索吊装系统的操作安全性具有重要作用。