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武漢天興洲長江大橋JQJ700架橋機電氣系統
[摘要]本文主要進行武漢天興洲長江大橋JQJ700架橋機電氣系統的研究,在研究的基礎上分別用變頻調速、PLC——工控機網絡組建、PC機集中監控系統、重位能負載條件下放和二次起升的安全操作、桁梁三點起吊過程保持“超靜”狀態的控制等來開發JQJ700架橋機電氣系統。
[關鍵詞]變頻調速 渦流制動系統 超靜 PLC—工控機網絡
一、工程簡介
武漢天興洲公鐵兩用長江大橋主橋為(98m+196m+504m+196m+98m)世界首座雙塔三桁三索面公鐵兩用斜拉橋,國家重點工程.。主橋鋼桁梁總長1092米,通行活載2萬噸,主跨504米,共分為78個節段,其中26個散拼段、52個整拼段。斜拉橋主梁為板桁結合鋼桁梁,三片主桁,桁高15.2m,桁寬2×15m,節間長度14m,節段最大重量為650t。這種鋼桁梁節段重量大,結構復雜。過去國內采用散拼方式,工期長,勞動強度大,成本高。為確保全橋鋼梁架設安全、質量與工期,中鐵大橋局自主創新,優化設計,打破傳統散拼鋼梁架設工藝模式,首創特大型鋼桁梁“整桁段鋼梁架設”新工藝。該工藝將鋼桁梁在工廠整體制造、拼裝、焊接,經船運至橋址整體吊裝,使現場作業工廠化、高空作業平地化、水上作業陸地化、零散作業整體化,減少了鋼梁架設高空拼裝作業的安全風險,確保了鋼梁栓焊不受氣候條件制約,使架設進度由常規半個月一個節間縮短到8至10天。為實現這一新工藝,JQJ700架橋機的設計迫在眉睫。它的研制成功為,“整桁段鋼梁架設”新工藝目標的實現提供有力保證。而JQJ700架橋機電氣系統的研發也成為整個架橋機系統的核心部分。本文就該橋使用的7JQJ700架橋機的電氣系統做一介紹。
二、電氣總體方案設計
1. 總體方案的確定
總體方案主要由一下幾個方面確定。
(1)架橋機機架結構主要由三片菱形構架和平聯系組成。菱形構架長35m,高13.5m。設備驅動電機及各傳感裝置分散。采用何種控制模式提高JQJ700架橋機電氣系統可靠性及設計簡單化
(2)桁梁整體節段最大重量700t,大噸位鋼梁的安全起吊及下放控制。
(3)根據三片主桁對受力不均勻敏感性的分析結果,三個吊點最大起吊能力分別設定為:中桁吊點300t;邊桁吊點250t。在起吊過程中桁梁載荷的動態調整控制。
(4)由于橋高68m,卷揚機采用LIBAS卷筒以適應大高度起吊。電氣系統需要對卷筒同步性經行精密控制。
(5)為滿足整節段放任精確拼裝,采用微動性能好的變頻調速電驅動方式和液壓驅動方式相結合,吊具可對整體節段實施全方位的調整。
(6)為滿足整機前移的要求,架橋機底盤縱走機構的控制。
2.主要設計難點
第一,JQJ700架橋機電氣系統可靠性及簡單化設計。第二,重位能負載條件下放和二次起升的安全操作既系統采用變頻器對位能性質負載條件下的異步電機進行調速控制。第三,實現三組獨立的起重卷揚機在長行程起吊過程保持高度同步。第四,PLC——工控機網絡組建�？刂葡到y設計中對這四個難點的解決方法,在工程機械自動控制的新技術應用方面具有創新特點和實用意義。
3.電氣系統主要部件
JQJ700架橋機電氣系統主要由動力配電、主起升電力拖動、計算機集中控制管理系統、吊具調整控制、吊點縱橫移控制、機架步履走行控制、照明及輔助設施、安全報警裝置等組成。
(1)主起升電氣系統
主起升設備為三組雙卷揚機,由六臺45kW變頻電機拖動,左、中、右三組六臺各自獨立電機各由一臺變頻器控制。起重卷揚機在一臺電機軸端安裝渦流制動器。通過渦流制動器、變頻器和控制電路構成變頻調速—渦流制動系統,改善重載下放過程操作控制特性;變頻器建立雙閉環自動控制回路:以電機轉速為控制對象建立的電壓負反饋回路,使電機轉速在調速及重物下放過程性能平穩;采用變頻器-渦流制動器組合調速控制方式,保障重載位能負載條件下放和二次起升的安全操作。
(2)液壓部分的電氣控制及操作
700噸橋面步履式起重機的液壓部分的電氣控制主要包括吊具調整液壓控制、吊點縱橫移液壓控制、機架步履走行液壓控制三部分。根據施工實際狀況需要,吊具調整液壓控制、吊點縱橫移液壓控制、機架步履走行液壓控制等電氣設備的控制獨立于起重機集中控制系統,現場操作。
(3)計算機集中控制及安全系統
計算機集中控制系統是由工業控制計算機、PLC、現場下位機、接口電路及外圍裝置構成。計算機集控系統將對起重機工作狀態,載荷噸位,起升距離,同步控制進行顯示和操作,并對危險動作進行報警和限動輸出。
三、設計難點解決方案
1.重位能負載下放解決方案
一般負載條件下采用變頻器對異步電機進行調速控制,能實現電機平穩調速運行。但對拖動位能性質負載的異步電機,采用變頻器進行調速控制,目前還存在難以很好解決的問題。起重卷揚機工作對象是典型的位能性質負載。顯然要控制重載下放速度,基本途徑為外施制動力矩和使電機進入再生發電狀態,靠能耗產生制動力矩。目前較多實例是采用能耗制動,具體辦法是加大變頻器容量,同時配置足量的制動單元和制動電阻,代價昂貴。僅制動單元和制動電阻的成本和規模(體積)都遠超過變頻器本身。國外也已開發了起重專用變頻器,價格昂貴,國內還鮮見使用。本項目經過對可能使用的制動方式進行全面分析,對一種頗具歷史的制動器―渦流制動器,按其特有的動態制動性能,合理利用,設計使用變頻調速—渦流制動系統。渦流制動器具有動態制動特性。與電機同軸端安裝的渦流制動器,其制動力矩大小除和渦流制動器工作電流Iw有關,還和電機轉速n有關。從理論上分析,在一定工作范圍內,渦流制動器的制動力矩與工作電流有近似比例的關系,而與電機轉速則近似于平方的關系。這兩點特性非常重要,制動力矩在低速狀態時很小(零轉速時制動力矩為零),幾乎不影響電機低速狀態的運行。而隨著轉速的增加,制動力矩迅速變大。變頻調速—渦流制動系統的建立,杜絕了變頻器控制重載下放時的“溜鉤”發生。所選用的YZRDW250型渦流制動器,當轉速在500r/min時,制動力矩接近1000Nm(Iw=5A),已遠大于卷揚機高速端的推桿制動器制動力矩(630Nm)。顯然,其動態制動特性足以抑制重載下放時因重力加速度作用引起的速度不斷增大,下放速度將被穩定在一個動態調整點上。在下放過程,變頻調速—渦流制動系統通過對起重載荷、電機轉速等相關數據的采樣值,和變頻器的運行狀態參數比較,適時對渦流制動器的工作電流進行調整。根據這些運行數據,控制系統向調整元件輸出相應的控制指令,對渦流制動器的工作電流進行調整。變頻調速—渦流制動系統的控制電路主要由單片機、PLC單元組成�？刂七^程則主要基于軟件編程實現。
2.二次起升的安全操作
二次起升是指起重機將起重物起離地面,懸停后,進行二次升降操作的特殊工況,二次起升操作的關鍵是解決重力與起升力平衡,傳統起重設備由于控制技術落后,在二次起升操作過程中,起升力矩建立較緩慢,起重物在重力的作用下出現加速下滑,易造成設備失控,并對整體結構造成沖擊,是起重事故的主要原因之一。JQJ700架橋機是三主桁梁結構架橋機,700噸起重量均布于三主桁梁,如不解決二次起升過程中的沖擊,極易在二次起升過程中對機架結構進行毀滅性損壞。理想的二次起升配合關系是:起動時,變頻器輸出一個很低的頻率,此時機械制動閘瓦不能松開,直到磁場建立起來,輸出頻率所產生的電磁轉矩正好等于負載轉矩,再松開機械制動閘瓦,此時,電動機將處于零速度狀態,通過頻率逐步升高,電動機開始啟動,這個理想配合關系實際上很難實現,原因是負載轉矩是變化的,無法預先確定輸出多大的低頻率來建立磁場,而制動閘瓦松開以前也不可能使電動機電流參數去測定負載轉矩,制動閘瓦松開瞬間電磁轉矩與負載轉矩是不能真正平衡的。為了解決JQJ700架橋機平穩安全的二次起升操作,JQJ700架橋機是通過計算機系統根據檢測的電機轉速信號和給定的操作值進行比較分析,按重載位能對電機工作狀態的影響情況,投入適當功率容量的制動單元和能耗制動電阻,通過調整變頻器-電機-渦流制動器組動態制動性能,在制動閘瓦松開前變頻器獲得零速指令,輸出一個零頻率電流建立電動機磁場但不產生電磁轉矩。在配合高速端的推桿制動器閘瓦和低速端的盤式制動器閘瓦開啟,在閘瓦開啟瞬間,會產生輕微下溜。下溜的速度與變頻器得到的零速信號就有了差速,計算機系統檢測到差速信號后,控制變頻器迅速產生一個對應電磁轉矩將其穩住,然后在獲得運行頻率指令,頻率升高開始起動,停止時,先輸出零速度指令而不撤銷運行指令,待電動機轉速為零后,機械制動閘瓦抱住,計算機系統檢測無差速信號后,變頻器運行指令才撤銷。從而保證重載條件進行下放和二次起升可以獲得良好的操控特性和安全保障。
3.JQJ700架橋機同步控制系統工作原理
JQJ700架橋機以三臂抬吊方式進行橋面架梁作業,吊梁過程兩側邊桁梁臂要求三組起重卷揚機組(6臺卷揚機)保持高度同步。由于被架鋼梁有30米寬,在提升過程中,鋼梁中部因自重發生鋼結構變形下繞,鋼梁左中右三點均衡受力情況下,中桁梁下繞80mm。如按傳統鋼梁左中右卷揚機組取位移同步,則左右桁梁吊點按理論計算,單點受力大于350噸,遠大于單桁梁額定起重量300噸。為滿足設計需要,起吊過程保持“超靜”狀態,整個起吊過程通過計算機系統對三起吊點同時按兩個控制對象(工作行程和電機轉矩)實行監控,三起吊點按指定方式操作運行,首先,運行過程以一邊吊點(左)的工作行程為基準,另一邊吊點(右)按此基準進行精確跟蹤控制,由計算機系統根據檢測的卷揚設備鋼繩線位移量計算出兩邊吊點工作行程偏差值,適時校正對變頻器輸出的工作頻率控制量,通過調整相應卷揚機組的運行速度完成工作行程跟蹤控制;同時,中間吊點卷揚機組則按滿足“超靜”起吊要求的載荷分配值進行控制,即中間吊點卷揚機電機轉矩對兩邊吊點卷揚電機工作轉矩進行精確跟蹤,計算機系統根據卷揚電機工作轉矩的檢測值,按“超靜”起吊要求計算出中間吊點電機的合理工作轉矩作為中吊點卷揚電機的轉矩設定值,根據電機實際轉矩與設定轉矩的偏差值,適時校正中間卷揚設備變頻器的工作頻率控制量,調整中吊點卷揚機組運行速度,達到三起吊點保持“超靜”起吊控制目標。由于對電機轉矩直接實行監控,有利于合理選取和有效均衡取用卷揚機功率,避免三吊點失步引起卷揚電機超載。
4.PLC——工控機網絡組建
JQJ700架橋機為菱形構架,主縱梁主縱梁之間的間距為15m,拼裝后最大外形尺寸31.4m×25m×15m。主電控柜采取卷揚機就近安裝原則,減小變頻器至卷揚機電力電纜長度,均布在架橋機結構架尾部。以減少變頻器輸出端電磁干擾問題。電控室因架設工況操作需要,設置在結構架前端,具有良好可視性,方便施工指揮。電控室與控制柜之間距離較遠,采用MUDBUS總線將PLC——工控機核心控制器組建成網絡,對設備整體進行信號采集,操作控制,安全保護顯示。
四、結束語
武漢天興洲長江大橋JQJ700架橋機,已于2007年10月在武橋重工研制成功,11月4臺JQJ700架橋機在武漢天興洲長江大橋工地南北兩側主塔現場拼裝完畢,并試吊成功。于2008年月順利完場鋼梁架設任務。施工期間共經行了54次整節段的吊裝。施工過程,設備運行良好,無任何事故及故障。贏得業主中鐵大橋局集團的好評,也通過實踐驗證了設備設計的成功。為大橋施工又拓寬了一套工法。使現場作業工廠化、高空作業平地化、水上作業陸地化、零散作業整體化,減少了鋼梁架設高空拼裝作業的安全風險,確保了鋼梁栓焊不受氣候條件制約,使架設進度由常規半個月一個節間縮短到8至10天。同時為大型施工設備的研發積累不少有益經驗。這次武漢天興洲長江大橋JQJ700架橋機研發制造,也有一些需要進步改善的位置如PLC——工控機網絡可向CANBUS、PROFIBUS等先進總線技術發展,進一步提高設備的總線化,從而提高通訊的準確性、實時性,以及施工的強度。
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