1、武汉天兴洲长江大桥 JQJ700 架桥机电气系统摘要本文主要进行武汉天兴洲长江大桥 JQJ700 架桥机电气系统的研究,在研究的基础上分别用变频调速、PLC工控机网络组建、PC 机集中监控系统、重位能负载条件下放和二次起升的安全操作、桁梁三点起吊过程保持“超静”状态的控制等来开发 JQJ700 架桥机电气系统。关键词变频调速 涡流制动系统 超静 PLC工控机网络 一、工程简介 武汉天兴洲公铁两用长江大桥主桥为(98m+196m+504m+196m+98m)世界首座双塔三桁三索面公铁两用斜拉桥,国家重点工程.。主桥钢桁梁总长 1092 米,通行活载 2 万吨,主跨 504 米,共分为 78 个节
2、段,其中 26 个散拼段、52 个整拼段。斜拉桥主梁为板桁结合钢桁梁,三片主桁,桁高15.2m,桁宽 215m,节间长度 14m,节段最大重量为 650t。这种钢桁梁节段重量大,结构复杂。过去国内采用散拼方式,工期长,劳动强度大,成本高。为确保全桥钢梁架设安全、质量与工期,中铁大桥局自主创新,优化设计,打破传统散拼钢梁架设工艺模式,首创特大型钢桁梁“整桁段钢梁架设”新工艺。该工艺将钢桁梁在工厂整体制造、拼装、焊接,经船运至桥址整体吊装,使现场作业工厂化、高空作业平地化、水上作业陆地化、零散作业整体化,减少了钢梁架设高空拼装作业的安全风险,确保了钢梁栓焊不受气候条件制约,使架设进度由常规半个月一
3、个节间缩短到 8 至 10天。为实现这一新工艺,JQJ700 架桥机的设计迫在眉睫。它的研制成功为,“整桁段钢梁架设”新工艺目标的实现提供有力保证。而 JQJ700 架桥机电气系统的研发也成为整个架桥机系统的核心部分。本文就该桥使用的7JQJ700 架桥机的电气系统做一介绍。 二、电气总体方案设计 1. 总体方案的确定 总体方案主要由一下几个方面确定。 (1)架桥机机架结构主要由三片菱形构架和平联系组成。菱形构架长35m,高 13.5m。设备驱动电机及各传感装置分散。采用何种控制模式提高JQJ700 架桥机电气系统可靠性及设计简单化 (2)桁梁整体节段最大重量 700t,大吨位钢梁的安全起吊及
4、下放控制。(3)根据三片主桁对受力不均匀敏感性的分析结果,三个吊点最大起吊能力分别设定为:中桁吊点 300t;边桁吊点 250t。在起吊过程中桁梁载荷的动态调整控制。 (4)由于桥高 68m,卷扬机采用 LIBAS 卷筒以适应大高度起吊。电气系统需要对卷筒同步性经行精密控制。 (5)为满足整节段放任精确拼装,采用微动性能好的变频调速电驱动方式和液压驱动方式相结合,吊具可对整体节段实施全方位的调整。 (6)为满足整机前移的要求,架桥机底盘纵走机构的控制。 2.主要设计难点 第一,JQJ700 架桥机电气系统可靠性及简单化设计。第二,重位能负载条件下放和二次起升的安全操作既系统采用变频器对位能性质
5、负载条件下的异步电机进行调速控制。第三,实现三组独立的起重卷扬机在长行程起吊过程保持高度同步。第四,PLC工控机网络组建。控制系统设计中对这四个难点的解决方法,在工程机械自动控制的新技术应用方面具有创新特点和实用意义。 3.电气系统主要部件 JQJ700 架桥机电气系统主要由动力配电、主起升电力拖动、计算机集中控制管理系统、吊具调整控制、吊点纵横移控制、机架步履走行控制、照明及辅助设施、安全报警装置等组成。 (1)主起升电气系统 主起升设备为三组双卷扬机,由六台 45kW 变频电机拖动,左、中、右三组六台独立电机各由一台变频器控制。起重卷扬机在一台电机轴端安装涡流制动器。通过涡流制动器、变频器
6、和控制电路构成变频调速涡流制动系统,改善重载下放过程操作控制特性;变频器建立双闭环自动控制回路:以电机转速为控制对象建立的电压负反馈回路,使电机转速在调速及重物下放过程性能平稳;采用变频器-涡流制动器组合调速控制方式,保障重载位能负载条件下放和二次起升的安全操作。 (2)液压部分的电气控制及操作 700 吨桥面步履式起重机的液压部分的电气控制主要包括吊具调整液压控制、吊点纵横移液压控制、机架步履走行液压控制三部分。根据施工实际状况需要,吊具调整液压控制、吊点纵横移液压控制、机架步履走行液压控制等电气设备的控制独立于起重机集中控制系统,现场操作。 (3)计算机集中控制及安全系统 计算机集中控制系
7、统是由工业控制计算机、PLC、现场下位机、接口电路及外围装置构成。计算机集控系统将对起重机工作状态,载荷吨位,起升距离,同步控制进行显示和操作,并对危险动作进行报警和限动输出。三、设计难点解决方案 1.重位能负载下放解决方案 一般负载条件下采用变频器对异步电机进行调速控制,能实现电机平稳调速运行。但对拖动位能性质负载的异步电机,采用变频器进行调速控制,目前还存在难以很好解决的问题。起重卷扬机工作对象是典型的位能性质负载。显然要控制重载下放速度,基本途径为外施制动力矩和使电机进入再生发电状态,靠能耗产生制动力矩。目前较多实例是采用能耗制动,具体办法是加大变频器容量,同时配置足量的制动单元和制动电
8、阻,代价昂贵。仅制动单元和制动电阻的成本和规模(体积)都远超过变频器本身。国外也已开发了起重专用变频器,价格昂贵,国内还鲜见使用。本项目经过对可能使用的制动方式进行全面分析,对一种颇具历史的制动器涡流制动器,按其特有的动态制动性能,合理利用,设计使用变频调速涡流制动系统。涡流制动器具有动态制动特性。与电机同轴端安装的涡流制动器,其制动力矩大小除和涡流制动器工作电流 Iw 有关,还和电机转速 n 有关。从理论上分析,在一定工作范围内,涡流制动器的制动力矩与工作电流有近似比例的关系,而与电机转速则近似于平方的关系。这两点特性非常重要,制动力矩在低速状态时很小(零转速时制动力矩为零),几乎不影响电机
9、低速状态的运行。而随着转速的增加,制动力矩迅速变大。变频调速涡流制动系统的建立,杜绝了变频器控制重载下放时的“溜钩”发生。所选用的 YZRDW250 型涡流制动器,当转速在 500r/min 时,制动力矩接近1000Nm(Iw=5A),已远大于卷扬机高速端的推杆制动器制动力矩(630Nm)。显然,其动态制动特性足以抑制重载下放时因重力加速度作用引起的速度不断增大,下放速度将被稳定在一个动态调整点上。在下放过程,变频调速涡流制动系统通过对起重载荷、电机转速等相关数据的采样值,和变频器的运行状态参数比较,适时对涡流制动器的工作电流进行调整。根据这些运行数据,控制系统向调整元件输出相应的控制指令,对
10、涡流制动器的工作电流进行调整。变频调速涡流制动系统的控制电路主要由单片机、PLC 单元组成。控制过程则主要基于软件编程实现。 2.二次起升的安全操作 二次起升是指起重机将起重物起离地面,悬停后,进行二次升降操作的特殊工况,二次起升操作的关键是解决重力与起升力平衡,传统起重设备由于控制技术落后,在二次起升操作过程中,起升力矩建立较缓慢,起重物在重力的作用下出现加速下滑,易造成设备失控,并对整体结构造成冲击,是起重事故的主要原因之一。JQJ700 架桥机是三主桁梁结构架桥机,700 吨起重量均布于三主桁梁,如不解决二次起升过程中的冲击,极易在二次起升过程中对机架结构进行毁灭性损坏。理想的二次起升配
11、合关系是:起动时,变频器输出一个很低的频率,此时机械制动闸瓦不能松开,直到磁场建立起来,输出频率所产生的电磁转矩正好等于负载转矩,再松开机械制动闸瓦,此时,电动机将处于零速度状态,通过频率逐步升高,电动机开始启动,这个理想配合关系实际上很难实现,原因是负载转矩是变化的,无法预先确定输出多大的低频率来建立磁场,而制动闸瓦松开以前也不可能使电动机电流参数去测定负载转矩,制动闸瓦松开瞬间电磁转矩与负载转矩是不能真正平衡的。为了解决 JQJ700 架桥机平稳安全的二次起升操作,JQJ700 架桥机是通过计算机系统根据检测的电机转速信号和给定的操作值进行比较分析,按重载位能对电机工作状态的影响情况,投入
12、适当功率容量的制动单元和能耗制动电阻,通过调整变频器-电机-涡流制动器组动态制动性能,在制动闸瓦松开前变频器获得零速指令,输出一个零频率电流建立电动机磁场但不产生电磁转矩。在配合高速端的推杆制动器闸瓦和低速端的盘式制动器闸瓦开启,在闸瓦开启瞬间,会产生轻微下溜。下溜的速度与变频器得到的零速信号就有了差速,计算机系统检测到差速信号后,控制变频器迅速产生一个对应电磁转矩将其稳住,然后在获得运行频率指令,频率升高开始起动,停止时,先输出零速度指令而不撤销运行指令,待电动机转速为零后,机械制动闸瓦抱住,计算机系统检测无差速信号后,变频器运行指令才撤销。从而保证重载条件进行下放和二次起升可以获得良好的操
13、控特性和安全保障。 3.JQJ700 架桥机同步控制系统工作原理 JQJ700 架桥机以三臂抬吊方式进行桥面架梁作业,吊梁过程两侧边桁梁臂要求三组起重卷扬机组(6 台卷扬机)保持高度同步。由于被架钢梁有30 米宽,在提升过程中,钢梁中部因自重发生钢结构变形下绕,钢梁左中右三点均衡受力情况下,中桁梁下绕 80mm。如按传统钢梁左中右卷扬机组取位移同步,则左右桁梁吊点按理论计算,单点受力大于 350 吨,远大于单桁梁额定起重量 300 吨。为满足设计需要,起吊过程保持“超静”状态,整个起吊过程通过计算机系统对三起吊点同时按两个控制对象(工作行程和电机转矩)实行监控,三起吊点按指定方式操作运行,首先
14、,运行过程以一边吊点(左)的工作行程为基准,另一边吊点(右)按此基准进行精确跟踪控制,由计算机系统根据检测的卷扬设备钢绳线位移量计算出两边吊点工作行程偏差值,适时校正对变频器输出的工作频率控制量,通过调整相应卷扬机组的运行速度完成工作行程跟踪控制;同时,中间吊点卷扬机组则按满足“超静”起吊要求的载荷分配值进行控制,即中间吊点卷扬机电机转矩对两边吊点卷扬电机工作转矩进行精确跟踪,计算机系统根据卷扬电机工作转矩的检测值,按“超静”起吊要求计算出中间吊点电机的合理工作转矩作为中吊点卷扬电机的转矩设定值,根据电机实际转矩与设定转矩的偏差值,适时校正中间卷扬设备变频器的工作频率控制量,调整中吊点卷扬机组
15、运行速度,达到三起吊点保持“超静”起吊控制目标。由于对电机转矩直接实行监控,有利于合理选取和有效均衡取用卷扬机功率,避免三吊点失步引起卷扬电机超载。 4.PLC工控机网络组建 JQJ700 架桥机为菱形构架,主纵梁主纵梁之间的间距为 15m,拼装后最大外形尺寸 31.4m25m15m。主电控柜采取卷扬机就近安装原则,减小变频器至卷扬机电力电缆长度,均布在架桥机结构架尾部。以减少变频器输出端电磁干扰问题。电控室因架设工况操作需要,设置在结构架前端,具有良好可视性,方便施工指挥。电控室与控制柜之间距离较远,采用MUDBUS 总线将 PLC工控机核心控制器组建成网络,对设备整体进行信号采集,操作控制
16、,安全保护显示。 四、结束语 武汉天兴洲长江大桥 JQJ700 架桥机,已于 2007 年 10 月在武桥重工研制成功,11 月 4 台 JQJ700 架桥机在武汉天兴洲长江大桥工地南北两侧主塔现场拼装完毕,并试吊成功。于 2008 年月顺利完场钢梁架设任务。施工期间共经行了 54 次整节段的吊装。施工过程,设备运行良好,无任何事故及故障。赢得业主中铁大桥局集团的好评,也通过实践验证了设备设计的成功。为大桥施工又拓宽了一套工法。使现场作业工厂化、高空作业平地化、水上作业陆地化、零散作业整体化,减少了钢梁架设高空拼装作业的安全风险,确保了钢梁栓焊不受气候条件制约,使架设进度由常规半个月一个节间缩
17、短到 8 至 10 天。同时为大型施工设备的研发积累不少有益经验。这次武汉天兴洲长江大桥 JQJ700 架桥机研发制造,也有一些需要进步改善的位置如 PLC工控机网络可向 CANBUS、PROFIBUS 等先进总线技术发展,进一步提高设备的总线化,从而提高通讯的准确性、实时性,以及施工的强度。 参考文献: 1朱旭初,秦顾全,邵长宇.武汉天兴洲公铁两用长江大桥正桥总体方案研究J.桥梁建设,2007,(01). 2潘东发,李军堂,马涛.武汉天兴洲公铁两用长江大桥标段总体施工方案研究J.桥梁建设,2007,(01). 3姚发海.武汉天兴洲公铁两用长江大桥主桥钢桁梁整体节段架设可行性分析J.桥梁建设,2007,(06).
