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武漢天興洲長(cháng)江大橋JQJ700架橋機電氣系統
[摘要]本文主要進(jìn)行武漢天興洲長(cháng)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(wǎng)絡(luò )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(diǎn)起吊過(guò)程保持“超靜”狀態(tài)的控制等來(lái)開(kāi)發(fā)JQJ700架橋機電氣系統。
[關(guān)鍵詞]變頻調速 渦流制動(dòng)系統 超靜 PLC—工控機網(wǎng)絡(luò )
一、工程簡(jiǎn)介
武漢天興洲公鐵兩用長(cháng)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(diǎn)工程.。主橋鋼桁梁總長(cháng)1092米,通行活載2萬(wàn)噸,主跨504米,共分為78個(gè)節段,其中26個(gè)散拼段、52個(gè)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(cháng)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(guò)去國內采用散拼方式,工期長(cháng),勞動(dòng)強度大,成本高。為確保全橋鋼梁架設安全、質(zhì)量與工期,中鐵大橋局自主創(chuàng )新,優(yōu)化設計,打破傳統散拼鋼梁架設工藝模式,首創(chuàng )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(chǎng)整體制造、拼裝、焊接,經(jīng)船運至橋址整體吊裝,使現場(chǎng)作業(yè)工廠(chǎng)化、高空作業(yè)平地化、水上作業(yè)陸地化、零散作業(yè)整體化,減少了鋼梁架設高空拼裝作業(yè)的安全風(fēng)險,確保了鋼梁栓焊不受氣候條件制約,使架設進(jìn)度由常規半個(gè)月一個(gè)節間縮短到8至10天。為實(shí)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(shí)現提供有力保證。而JQJ700架橋機電氣系統的研發(fā)也成為整個(gè)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(gè)方面確定。
(1)架橋機機架結構主要由三片菱形構架和平聯(lián)系組成。菱形構架長(cháng)35m,高13.5m。設備驅動(dòng)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(jiǎn)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(gè)吊點(diǎn)最大起吊能力分別設定為:中桁吊點(diǎn)300t;邊桁吊點(diǎn)250t。在起吊過(guò)程中桁梁載荷的動(dòng)態(tài)調整控制。
(4)由于橋高68m,卷?yè)P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(jīng)行精密控制。
(5)為滿(mǎn)足整節段放任精確拼裝,采用微動(dòng)性能好的變頻調速電驅動(dòng)方式和液壓驅動(dòng)方式相結合,吊具可對整體節段實(shí)施全方位的調整。
(6)為滿(mǎn)足整機前移的要求,架橋機底盤(pán)縱走機構的控制。
2.主要設計難點(diǎn)
第一,JQJ700架橋機電氣系統可靠性及簡(jiǎn)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(zhì)負載條件下的異步電機進(jìn)行調速控制。第三,實(shí)現三組獨立的起重卷?yè)P機在長(cháng)行程起吊過(guò)程保持高度同步。第四,PLC——工控機網(wǎng)絡(luò )組建�？刂葡到y設計中對這四個(gè)難點(diǎn)的解決方法,在工程機械自動(dòng)控制的新技術(shù)應用方面具有創(chuàng )新特點(diǎn)和實(shí)用意義。
3.電氣系統主要部件
JQJ700架橋機電氣系統主要由動(dòng)力配電、主起升電力拖動(dòng)、計算機集中控制管理系統、吊具調整控制、吊點(diǎn)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?yè)P機,由六臺45kW變頻電機拖動(dòng),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?yè)P機在一臺電機軸端安裝渦流制動(dòng)器。通過(guò)渦流制動(dòng)器、變頻器和控制電路構成變頻調速—渦流制動(dòng)系統,改善重載下放過(guò)程操作控制特性;變頻器建立雙閉環(huán)自動(dòng)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(guò)程性能平穩;采用變頻器-渦流制動(dòng)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(diǎn)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(shí)際狀況需要,吊具調整液壓控制、吊點(diǎn)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(chǎng)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(yè)控制計算機、PLC、現場(chǎng)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(tài),載荷噸位,起升距離,同步控制進(jìn)行顯示和操作,并對危險動(dòng)作進(jìn)行報警和限動(dòng)輸出。
三、設計難點(diǎn)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(jìn)行調速控制,能實(shí)現電機平穩調速運行。但對拖動(dòng)位能性質(zhì)負載的異步電機,采用變頻器進(jìn)行調速控制,目前還存在難以很好解決的問(wèn)題。起重卷?yè)P機工作對象是典型的位能性質(zhì)負載。顯然要控制重載下放速度,基本途徑為外施制動(dòng)力矩和使電機進(jìn)入再生發(fā)電狀態(tài),靠能耗產(chǎn)生制動(dòng)力矩。目前較多實(shí)例是采用能耗制動(dòng),具體辦法是加大變頻器容量,同時(shí)配置足量的制動(dòng)單元和制動(dòng)電阻,代價(jià)昂貴。僅制動(dòng)單元和制動(dòng)電阻的成本和規模(體積)都遠超過(guò)變頻器本身。國外也已開(kāi)發(fā)了起重專(zhuān)用變頻器,價(jià)格昂貴,國內還鮮見(jiàn)使用。本項目經(jīng)過(guò)對可能使用的制動(dòng)方式進(jìn)行全面分析,對一種頗具歷史的制動(dòng)器―渦流制動(dòng)器,按其特有的動(dòng)態(tài)制動(dòng)性能,合理利用,設計使用變頻調速—渦流制動(dòng)系統。渦流制動(dòng)器具有動(dòng)態(tài)制動(dòng)特性。與電機同軸端安裝的渦流制動(dòng)器,其制動(dòng)力矩大小除和渦流制動(dòng)器工作電流Iw有關(guān),還和電機轉速n有關(guān)。從理論上分析,在一定工作范圍內,渦流制動(dòng)器的制動(dòng)力矩與工作電流有近似比例的關(guān)系,而與電機轉速則近似于平方的關(guān)系。這兩點(diǎn)特性非常重要,制動(dòng)力矩在低速狀態(tài)時(shí)很小(零轉速時(shí)制動(dòng)力矩為零),幾乎不影響電機低速狀態(tài)的運行。而隨著(zhù)轉速的增加,制動(dòng)力矩迅速變大。變頻調速—渦流制動(dòng)系統的建立,杜絕了變頻器控制重載下放時(shí)的“溜鉤”發(fā)生。所選用的YZRDW250型渦流制動(dòng)器,當轉速在500r/min時(shí),制動(dòng)力矩接近1000Nm(Iw=5A),已遠大于卷?yè)P機高速端的推桿制動(dòng)器制動(dòng)力矩(630Nm)。顯然,其動(dòng)態(tài)制動(dòng)特性足以抑制重載下放時(shí)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(gè)動(dòng)態(tài)調整點(diǎn)上。在下放過(guò)程,變頻調速—渦流制動(dòng)系統通過(guò)對起重載荷、電機轉速等相關(guān)數據的采樣值,和變頻器的運行狀態(tài)參數比較,適時(shí)對渦流制動(dòng)器的工作電流進(jìn)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(dòng)器的工作電流進(jìn)行調整。變頻調速—渦流制動(dòng)系統的控制電路主要由單片機、PLC單元組成�？刂七^(guò)程則主要基于軟件編程實(shí)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(jìn)行二次升降操作的特殊工況,二次起升操作的關(guān)鍵是解決重力與起升力平衡,傳統起重設備由于控制技術(shù)落后,在二次起升操作過(guò)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(guò)程中的沖擊,極易在二次起升過(guò)程中對機架結構進(jìn)行毀滅性損壞。理想的二次起升配合關(guān)系是:起動(dòng)時(shí),變頻器輸出一個(gè)很低的頻率,此時(shí)機械制動(dòng)閘瓦不能松開(kāi),直到磁場(chǎng)建立起來(lái),輸出頻率所產(chǎn)生的電磁轉矩正好等于負載轉矩,再松開(kāi)機械制動(dòng)閘瓦,此時(shí),電動(dòng)機將處于零速度狀態(tài),通過(guò)頻率逐步升高,電動(dòng)機開(kāi)始啟動(dòng),這個(gè)理想配合關(guān)系實(shí)際上很難實(shí)現,原因是負載轉矩是變化的,無(wú)法預先確定輸出多大的低頻率來(lái)建立磁場(chǎng),而制動(dòng)閘瓦松開(kāi)以前也不可能使電動(dòng)機電流參數去測定負載轉矩,制動(dòng)閘瓦松開(kāi)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(guò)計算機系統根據檢測的電機轉速信號和給定的操作值進(jìn)行比較分析,按重載位能對電機工作狀態(tài)的影響情況,投入適當功率容量的制動(dòng)單元和能耗制動(dòng)電阻,通過(guò)調整變頻器-電機-渦流制動(dòng)器組動(dòng)態(tài)制動(dòng)性能,在制動(dòng)閘瓦松開(kāi)前變頻器獲得零速指令,輸出一個(gè)零頻率電流建立電動(dòng)機磁場(chǎng)但不產(chǎn)生電磁轉矩。在配合高速端的推桿制動(dòng)器閘瓦和低速端的盤(pán)式制動(dòng)器閘瓦開(kāi)啟,在閘瓦開(kāi)啟瞬間,會(huì )產(chǎn)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(chǎn)生一個(gè)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(kāi)始起動(dòng),停止時(shí),先輸出零速度指令而不撤銷(xiāo)運行指令,待電動(dòng)機轉速為零后,機械制動(dòng)閘瓦抱住,計算機系統檢測無(wú)差速信號后,變頻器運行指令才撤銷(xiāo)。從而保證重載條件進(jìn)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(jìn)行橋面架梁作業(yè),吊梁過(guò)程兩側邊桁梁臂要求三組起重卷?yè)P機組(6臺卷?yè)P機)保持高度同步。由于被架鋼梁有30米寬,在提升過(guò)程中,鋼梁中部因自重發(fā)生鋼結構變形下繞,鋼梁左中右三點(diǎn)均衡受力情況下,中桁梁下繞80mm。如按傳統鋼梁左中右卷?yè)P機組取位移同步,則左右桁梁吊點(diǎn)按理論計算,單點(diǎn)受力大于350噸,遠大于單桁梁額定起重量300噸。為滿(mǎn)足設計需要,起吊過(guò)程保持“超靜”狀態(tài),整個(gè)起吊過(guò)程通過(guò)計算機系統對三起吊點(diǎn)同時(shí)按兩個(gè)控制對象(工作行程和電機轉矩)實(shí)行監控,三起吊點(diǎn)按指定方式操作運行,首先,運行過(guò)程以一邊吊點(diǎn)(左)的工作行程為基準,另一邊吊點(diǎn)(右)按此基準進(jìn)行精確跟蹤控制,由計算機系統根據檢測的卷?yè)P設備鋼繩線(xiàn)位移量計算出兩邊吊點(diǎn)工作行程偏差值,適時(shí)校正對變頻器輸出的工作頻率控制量,通過(guò)調整相應卷?yè)P機組的運行速度完成工作行程跟蹤控制;同時(shí),中間吊點(diǎn)卷?yè)P機組則按滿(mǎn)足“超靜”起吊要求的載荷分配值進(jìn)行控制,即中間吊點(diǎn)卷?yè)P機電機轉矩對兩邊吊點(diǎn)卷?yè)P電機工作轉矩進(jìn)行精確跟蹤,計算機系統根據卷?yè)P電機工作轉矩的檢測值,按“超靜”起吊要求計算出中間吊點(diǎn)電機的合理工作轉矩作為中吊點(diǎn)卷?yè)P電機的轉矩設定值,根據電機實(shí)際轉矩與設定轉矩的偏差值,適時(shí)校正中間卷?yè)P設備變頻器的工作頻率控制量,調整中吊點(diǎn)卷?yè)P機組運行速度,達到三起吊點(diǎn)保持“超靜”起吊控制目標。由于對電機轉矩直接實(shí)行監控,有利于合理選取和有效均衡取用卷?yè)P機功率,避免三吊點(diǎn)失步引起卷?yè)P電機超載。
4.PLC——工控機網(wǎng)絡(luò )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?yè)P機就近安裝原則,減小變頻器至卷?yè)P機電力電纜長(cháng)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(wèn)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(xiàn)將PLC——工控機核心控制器組建成網(wǎng)絡(luò ),對設備整體進(jìn)行信號采集,操作控制,安全保護顯示。
四、結束語(yǔ)
武漢天興洲長(cháng)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(cháng)江大橋工地南北兩側主塔現場(chǎng)拼裝完畢,并試吊成功。于2008年月順利完場(chǎng)鋼梁架設任務(wù)。施工期間共經(jīng)行了54次整節段的吊裝。施工過(guò)程,設備運行良好,無(wú)任何事故及故障。贏(yíng)得業(yè)主中鐵大橋局集團的好評,也通過(guò)實(shí)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(chǎng)作業(yè)工廠(chǎng)化、高空作業(yè)平地化、水上作業(yè)陸地化、零散作業(yè)整體化,減少了鋼梁架設高空拼裝作業(yè)的安全風(fēng)險,確保了鋼梁栓焊不受氣候條件制約,使架設進(jìn)度由常規半個(gè)月一個(gè)節間縮短到8至10天。同時(shí)為大型施工設備的研發(fā)積累不少有益經(jīng)驗。這次武漢天興洲長(cháng)江大橋JQJ700架橋機研發(fā)制造,也有一些需要進(jìn)步改善的位置如PLC——工控機網(wǎng)絡(luò )可向CANBUS、PROFIBUS等先進(jìn)總線(xiàn)技術(shù)發(fā)展,進(jìn)一步提高設備的總線(xiàn)化,從而提高通訊的準確性、實(shí)時(shí)性,以及施工的強度。
參考文獻:
[1]朱旭初,秦顧全,邵長(cháng)宇.武漢天興洲公鐵兩用長(cháng)江大橋正橋總體方案研究[J].橋梁建設,2007,(01).
[2]潘東發(fā),馬濤.武漢天興洲公鐵兩用長(cháng)江大橋Ⅰ標段總體施工方案研究[J].橋梁建設,2007,(01).
[3]姚發(fā)海.武漢天興洲公鐵兩用長(cháng)江大橋主橋鋼桁梁整體節段架設可行性分析[J].橋梁建設,2007,(06).
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