基于Unity Pro 的安全智能大噸位橋機(jī)控制系統(tǒng)的研發(fā)

潘 震 ，龔 平，黃康康，丁揚(yáng)威，湯杭森，蔣元中

（1.杭州定川信息技術(shù)有限公司，浙江 杭州 310008；2.浙江省水利防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310017；3.水利部杭州機(jī)械設(shè)計研究所，浙江 杭州 310012）

0 引 言

隨著水電站規(guī)模不斷擴(kuò)大，水輪機(jī)組的裝機(jī)容量隨之增加，其定子和轉(zhuǎn)子的質(zhì)量也越來越大，要求廠房內(nèi)安裝和檢修水輪機(jī)組的橋式起重機(jī)（以下簡稱“橋機(jī)”）起重量不斷增加，因而橋機(jī)各機(jī)構(gòu)的電機(jī)、減速器、制動器等的規(guī)格型號不斷加大。由于起吊水輪機(jī)組定轉(zhuǎn)子的工況不多，橋機(jī)大多處于輕載運(yùn)行工況，若完全按照最大起重量來設(shè)計起升和小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)，會產(chǎn)生資源浪費(fèi)，因此國內(nèi)外同行提出雙小車橋機(jī)的思路：平時采用單小車方式運(yùn)行，在安裝或檢修水輪機(jī)組的定子和轉(zhuǎn)子時，采用雙小車運(yùn)行方式，能夠起到節(jié)能降耗的目的。但目前傳統(tǒng)的大噸位雙小車橋機(jī)控制系統(tǒng)普遍存在空中起吊重物時溜鉤，雙小車抬吊時啟制動同步性差、操作復(fù)雜、定位困難等問題。

雙小車橋機(jī)總體布置見圖1。雙小車橋機(jī)的設(shè)計雖然很好地解決了大噸位橋機(jī)的資源浪費(fèi)問題，但目前重點(diǎn)需要解決的是其電控系統(tǒng)的自動化和智能化問題，以保證橋機(jī)起吊時不出現(xiàn)溜鉤現(xiàn)象，以及在抬吊水輪機(jī)組的定轉(zhuǎn)子時，雙小車起升機(jī)構(gòu)和小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)能同步啟動、制動，運(yùn)行時能根據(jù)2 吊點(diǎn)的高度差自動糾偏，始終保持高度一致（高度差≤10 mm），同時大、小車機(jī)構(gòu)啟動運(yùn)行時能減小擺動，以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定位。

圖1 雙小車橋機(jī)總體布置圖

為解決以上難題，基于秘魯圣加旺Ⅲ水電站橋式起重機(jī)項(xiàng)目（起重量125 t+125 t，橋機(jī)跨距18 m）研發(fā)智能控制系統(tǒng)。

1 橋機(jī)起吊防溜鉤技術(shù)研發(fā)

橋機(jī)在空中起吊重物時，由于電機(jī)轉(zhuǎn)矩的建立需要一定時間，當(dāng)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩小于負(fù)載轉(zhuǎn)矩時，會出現(xiàn)重物下滑的溜鉤現(xiàn)象，產(chǎn)生安全隱患，目前這種現(xiàn)象在橋機(jī)運(yùn)行中較為普遍。為此，國外公司（如德國ABB 公司、法國施耐德公司以及日本安川公司）各自研發(fā)出起重專用變頻器，內(nèi)含防溜鉤控制程序，其輸出接口板能輸出起升抱閘控制信號。為突破國外壟斷，急需另辟途徑研發(fā)防溜鉤技術(shù)，以解決起升溜鉤問題。

秘魯圣加旺Ⅲ水電站橋機(jī)起升系統(tǒng)由1 臺90 kW 變頻電機(jī)驅(qū)動，實(shí)現(xiàn)1∶20 調(diào)速比（50 t ＜起重量≤125 t 時，0.3～3.0 m/min；起重量≤50 t 時，0.6～6.0 m/min）。為實(shí)現(xiàn)起升機(jī)構(gòu)的調(diào)速比，選用德國ABB 公司DTC 控制的ACS880 變頻器驅(qū)動。

PLC（Programmable Logic Controller）采用施耐德M340 系列，由此需要在Unity Pro XL 編程軟件開發(fā)環(huán)境[1]下進(jìn)行研發(fā)。該軟件基于Windows環(huán)境運(yùn)行，能對各系統(tǒng)PLC 進(jìn)行控制算法和邏輯組態(tài)。PLC 硬件配置見圖2。

圖2 PLC 硬件配置圖

防溜鉤控制流程見圖3。為達(dá)到起升防溜鉤的技術(shù)要求，按照圖3 進(jìn)行程序開發(fā)。啟動運(yùn)行時，電機(jī)堵轉(zhuǎn)。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（0～10 V），同時輸送至PLC 模擬量輸入模塊。為保證起吊負(fù)載不產(chǎn)生溜鉤現(xiàn)象，必須保證電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩大于負(fù)載轉(zhuǎn)矩，而電機(jī)轉(zhuǎn)矩的建立需要一定時間。當(dāng)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩增至100%額定轉(zhuǎn)矩時，就能確保電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩大于負(fù)載轉(zhuǎn)矩，這時PLC 才會輸出松閘信號，打開制動器抱閘。

圖3 防溜鉤控制流程圖

2 雙小車橋機(jī)抬吊技術(shù)研發(fā)

為解決雙小車橋機(jī)抬吊起升及小車機(jī)構(gòu)運(yùn)行時同步性差、吊點(diǎn)高度難以保持一致、操作復(fù)雜等問題，確保抬吊成功，基于秘魯圣加旺Ⅲ水電站橋式起重機(jī)項(xiàng)目進(jìn)行研發(fā)，研發(fā)內(nèi)容如下：

司機(jī)室設(shè)置聯(lián)動臺，其中右聯(lián)動臺設(shè)置起升和大車運(yùn)行操作主令控制器，左聯(lián)動臺設(shè)置小車運(yùn)行操作主令控制器，各5 擋，所有操作信號均輸入PLC。起升機(jī)構(gòu)使用SSI 絕對值編碼器（德國庫伯勒Sendix M5863），可將吊點(diǎn)高度數(shù)據(jù)傳入PLC 中。

為實(shí)現(xiàn)單人操作2 小車并車運(yùn)行，解決雙小車橋機(jī)操作復(fù)雜及同步性差的難題，在聯(lián)動臺上設(shè)置操作對象選擇轉(zhuǎn)換開關(guān)，轉(zhuǎn)換開關(guān)有3 擋：1#小車、2#小車、并車運(yùn)行[2]。如需操作1#/2#小車起升或小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)時，將開關(guān)轉(zhuǎn)換至1#/2#小車；抬吊時，只需將開關(guān)轉(zhuǎn)換至并車運(yùn)行。操作信號輸入PLC 后，通過PLC 的控制程序輸出信號至變頻器，從而實(shí)現(xiàn)橋機(jī)1# 小車、2# 小車、并車運(yùn)行工況。

起升機(jī)構(gòu)采用主令控制器控制時，上升、下降各5 擋。并車運(yùn)行前，2 小車通過機(jī)械拉桿裝置進(jìn)行剛性連接，以保證運(yùn)行速度同步；在起升卷筒高度限制器的軸上安裝1 個高分辯率絕對值編碼器，進(jìn)行高度位置檢測，其信號輸入PLC 系統(tǒng)。并車時，以1#小車為基準(zhǔn)，2#小車起升高度位置信號與1#小車進(jìn)行比較，當(dāng)信號顯示高度差＞10 mm 時，對2#小車的速度進(jìn)行微調(diào)，實(shí)現(xiàn)高度位置隨動，并車抬吊時，起升吊點(diǎn)高度始終保持一致，糾偏流程見圖4。

圖4 起升抬吊糾偏流程圖

3 大小車運(yùn)行減擺技術(shù)研發(fā)

由于啟動或停車制動小車或大車機(jī)構(gòu)時，載荷會隨啟動時的加速或制動時的減速產(chǎn)生擺動，這直接影響橋機(jī)的準(zhǔn)確定位。而水電站安裝或檢修水輪機(jī)組起吊定轉(zhuǎn)子時，對定位要求很高，司機(jī)操作有一定的難度。

為研發(fā)減擺技術(shù)，利用秘魯圣加旺Ⅲ水電站橋式起重機(jī)項(xiàng)目中的橋機(jī)小車來探尋解決辦法。橋機(jī)小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)由2 臺2.2 kW 三合一變頻電機(jī)驅(qū)動，采用ACS880 系列變頻器傳動，開環(huán)控制，調(diào)速范圍1.2～12.0 m/min 。大車機(jī)構(gòu)載荷為典型的位移性負(fù)載，由4 臺4.0 kW 三合一變頻電機(jī)驅(qū)動，采用ABB 公司的ACS880 系列變頻器傳動，開環(huán)控制，調(diào)速范圍2.0～20.0 m/min[3]。

為減小擺動幅度，基于Unity Pro XL 軟件，根據(jù)單擺原理開發(fā)減擺程序，將變頻器給定輸入的階躍信號改為鋸齒波信號，同時根據(jù)起重量、鋼絲繩長度調(diào)整運(yùn)行機(jī)構(gòu)的加、減速過程，使其擺動控制在一定范圍內(nèi)。

4 現(xiàn)場應(yīng)用

開發(fā)的橋機(jī)控制系統(tǒng)已成功運(yùn)用于秘魯圣加旺Ⅲ水電站橋式起重機(jī)中，橋機(jī)現(xiàn)場見圖5。該系統(tǒng)經(jīng)調(diào)試與測試，能保持2 吊點(diǎn)高度一致，成功實(shí)現(xiàn)雙小車抬吊運(yùn)行功能，空中起吊不溜鉤，各機(jī)構(gòu)運(yùn)行穩(wěn)定、可靠，定位準(zhǔn)確并具有數(shù)據(jù)記憶功能，變頻傳動系統(tǒng)使整機(jī)啟制動平穩(wěn)、沖擊小。技術(shù)性能指標(biāo)完成情況見表1。

表1 技術(shù)性能指標(biāo)測試結(jié)果表

圖5 雙小車橋式起重機(jī)圖

5 結(jié) 語

水電站橋式起重機(jī)是水電站重要的機(jī)電設(shè)備，其穩(wěn)定運(yùn)行與否，直接關(guān)系到水利水電工程水輪機(jī)組的安裝質(zhì)量與進(jìn)度。本系統(tǒng)的開發(fā)徹底解決了水電站雙小車橋機(jī)起升溜鉤、抬吊同步性差、定位困難及操作復(fù)雜等長期存在的難題，使橋機(jī)實(shí)現(xiàn)高精度穩(wěn)定運(yùn)行，為國內(nèi)橋機(jī)走向世界打下基礎(chǔ)。