陳慧明　吳建強　李青　姜濤　薛埃祥　薛勝偉

摘要：對新開發(fā)的一種模塊化分布式卷揚機集成控制系統進行了詳細的闡述，并通過標準化設計的卷揚機模塊，使用上位計算機對分布于施工現場的大噸位牽引卷揚機進行遠程集中控制，進而達到對大跨徑索結構橋梁的施工工藝進行智能化控制。經云南龍江特大橋施工應用后，證明模塊化分布式卷揚機集成控制系統能夠提高設備利用率，在大跨徑索結構橋梁施工專用設備配置更加合理，對日后大型橋梁專用設備的自主研發(fā)進行了技術儲備。

關鍵詞：模塊化；分布式；卷揚機；集成控制

中圖分類號：U445.32 文獻標志碼：B

Abstract： A newly developed modular distributed control system for windlass was introduced in detail. Host computer was used to conduct the remote control over large-tonnage windlass in construction site by means of the windlass modules with standard design， which realizes the intelligent control of construction of large-span cable bridge. The application to Longjiang Bridge in Yunnan Province shows that the modular distributed control system for windlass improves the equipment utilization and makes the configuration of specialized equipment for cable bridge construction more reasonable.

Key words： modularization； distribution； windlass； integrated control

0 引 言

幾十年來，在大型索結構橋梁施工中，卷揚機作為大噸位結構件，在提升、牽引作業(yè)中都有著非常廣泛的應用。在現代大型懸索橋施工中的貓道架設、主纜架設、山區(qū)懸索橋加勁梁架設，以及山區(qū)或特殊斜拉橋的加勁梁架設施工中，大多也采用大噸位卷揚機組成的大型、長距離牽引或起重系統來完成。目前，多臺卷揚機的協同工作，是通過人工統一指揮的方式來實現的。

如何利用現已成熟的工業(yè)自動控制技術和計算機網絡技術，開發(fā)出一套模塊化分布式卷揚機集成控制系統，替代原有的人工操作、指揮，完成對多臺卷揚機的集成控制有著實際意義。全面地掌握卷揚機集成控制技術在橋梁建設領域中的應用，可有效降低因人為操作失誤的風險，提高施工的安全與可靠性。同時卷揚機集成控制系統還可用于不同的牽引、起重作業(yè)，大大提高了設備利用率，降低生產成本，進一步提升施工企業(yè)在大型橋梁建設領域的核心競爭力。

1 工作原理

模塊化分布式卷揚機集成控制系統的動力模塊是由單臺變頻調速摩擦式牽引卷揚機、變頻控制柜、卷揚機控制臺和檢測卷揚機現場工作狀態(tài)的各種傳感器組成，作為模塊化分布式卷揚機集成控制系統的動力設備。卷揚機控制臺選用西門子公司的 S7-1200 PLC 作為控制計算機，實現卷揚機控制的全部功能和上位計算機遠程控制的全部功能[1-3]。變頻調速摩擦式牽引卷揚機，其機械部分的總體結構見圖1。

變頻調速摩擦式牽引卷揚機的工作原理是通過變頻控制器控制摩擦式牽引卷揚機的主電機，經過減速器減速后帶動前、后卷繩筒轉動，前、后卷繩筒再帶動纏繞其上的牽引鋼絲繩，實現對構件的牽引。牽引鋼絲繩由牽引卷揚機的前端入繩孔引入，為了產生足夠的牽引力，牽引鋼絲繩必須在前、后卷繩筒上纏繞足夠的圈數，再從卷揚機后端出繩孔引出，并進入置于卷揚機后端的儲繩輔機儲存。

變頻調速摩擦式牽引卷揚機具有儲繩量大、牽引速度恒定的特點，電腦變頻調速，可控性強，非常適用于大型索結構橋梁的施工。

2 控制系統的組成

模塊化分布式卷揚機集成控制系統見圖2。由變頻調速摩擦式牽引卷揚機、現場數據采集傳感器、變頻控制柜（電機驅動）、卷揚機控制臺（現場數據采集與控制）和上位集成控制計算機（集成控制軟件和硬件），以及將模塊連接在一起的有線、無線工業(yè)以太網組成。

牽引卷揚機和牽引鋼絲繩需要承受被牽引結構件的重量，用戶可以根據牽引載荷的大小來配置牽引卷揚機的型號和數量。國內一般常用的牽引卷揚機有18 t、20 t、25 t、40 t、50 t五種規(guī)格。

卷揚機控制模塊采用標準化設計，通過PLC（可編程控制器）控制，具有2種工作模式，即本機手動控制和遠程計算機控制，通過安裝在卷揚機控制臺上的轉換開關進行選擇。將開關選擇到“本機”模式時，卷揚機將手動完成所具備的操作功能，成為集機械、電子數據采集和控制技術于一體的獨立施工設備。將開關選擇到“遠程”模式時，卷揚機的所有操作將由上位計算機直接控制。但無論選擇哪一種控制模式，卷揚機運行狀態(tài)的數據都將通過工業(yè)以太網傳送到上位計算機，并在上位計算機顯示屏上顯示出來。卷揚機數據采集控制模塊的工作原理見圖3。

卷揚機數據采集與控制系統通過傳感器獲取卷揚機牽引鋼絲繩的速度、出繩長度、內部張力，以及卷揚機電機和制動器運行期間的工作狀態(tài)的數據信息采集，建立整個牽引系統和被牽引構件的實際狀態(tài)信息，并經卷揚機控制臺中的PLC處理后，在控制臺上的顯示屏上顯示出來。主控計算機根據采集的數據狀態(tài)確定牽引卷揚機的下一步動作及整個系統的同步調節(jié)量。在模塊化分布式卷揚機集成控制系統中，采集的傳感器信號有牽引鋼絲繩的繩速、出繩長度、鋼絲繩張力感器測量的鋼絲繩張力、狀態(tài)傳感器測量的角度或水平狀態(tài)，卷揚機驅動電機的運行頻率、電壓、電流、轉矩，變頻器的各項運行數據以及制動器運行狀態(tài)等。

上位計算機主要由計算機主機、高分辨率大屏幕LED顯示器及相應的外部設備組成。上位計算機選用安裝有Windows 7專業(yè)版及其以上版本的工控計算機，上位計算機中安裝有西門子TIA Portal V13 RUNTIME版運行軟件，帶加密鎖，并根據應用類型安裝相應的控制軟件。

上位計算機經工業(yè)以太網與各卷揚機模塊相連，在西門子TIA Portal V13 軟件開發(fā)平臺上開發(fā)的控制系統，采用完全圖形化的工作界面，操作簡便，易于掌握。同時，系統具有超差報警保護與顯示功能，控制軟件中設置了鋼絲繩張力、位量移超差報警、自動停機等功能可確保牽引過程的安全；系統能實時顯示出鋼絲繩張力、鋼絲繩繩速及構件位置參數，便于操作與監(jiān)控。

實時遠程視頻監(jiān)視系統通過以太網將攝像頭、計算機和監(jiān)視器等設備相連接，對牽引與吊裝系統和結構件的狀態(tài)進行實時監(jiān)控，使操作人員及時掌握施工現場的情況，避免高空作業(yè)，降低了勞動強度，保障了施工安全。

為了確保卷揚機集成控制系統能夠可靠運行，將全套控制系統的IP地址設計到一個獨立的網段內，并通過路由器中的防火墻與監(jiān)控系統和項目部局域網隔離，防火墻具有多項安全策略，保證了卷揚機集成控制系統的穩(wěn)定運行，又可利用VPN技術在公用Internet 網中建立起企業(yè)的專用通道，實現整個系統的遠程技術支持。技術人員在公司就可與施工現場的設備連接，進行系統故障檢測，控制系統軟件更新、調試等工作，有效地降低了系統的維護成本，極大地提高了系統維護的響應速度。

4 控制策略

模塊化分布式卷揚機集成控制系統要根據牽引或吊裝設計方案中設備的布置、被牽引或吊裝結構件的要求，建立與之相適應的控制策略，開發(fā)適用的控制軟件。

在大型橋梁建設中，一套牽引（或吊裝）系統往往需配備多臺牽引卷揚機，并依據構件牽引工藝要求，要建立多種同步控制策略，常用的同步控制策略有：動作同步控制策略，以實現多臺牽引卷揚機同步協調動作；被牽引構件位置同步控制策略，以實現被牽引構件各牽引點的空間位置同步，同時對各牽引點的鋼絲繩張力進行監(jiān)控；載荷分配控制策略，以實現各牽引點的鋼絲繩張力分布與理論計算基本一致，同時對各牽引點的空間位置進行監(jiān)控；位置同步與鋼絲繩張力分配相結合的控制策略，根據牽引工藝的實際要求，在整套牽引系統中，對某些點采取位置同步控制策略，對某些點采取鋼絲繩張力分配控制策略，使2種控制模式同時存在于系統中，以實現控制目標。

5 工程實例

5.1 工程簡介

本研究課題依托云南龍江特大橋施工工程，詳細說明模塊化分布式卷揚機集成控制系統的實現過程。云南龍江特大橋為雙塔單跨鋼箱梁懸索橋，位于中國云南保山至緬甸密支那公路保山至騰沖段高速公路K20+254～K22+090處，跨越龍江，為雙向四車道高速公路，橋梁設計速度為80 km·h-1，全橋鋼箱梁共97段，分A、B、C三種類型，寬度為23.5 m（不含檢修道），B、C類各有1段長度分別為8.9 m和7.3 m，其余95段全部為A類，長度為12.4 m，單段鋼箱梁重約150 t。

5.2 鋼箱梁吊裝設備

根據龍江特大橋工程的具體特點，鋼箱梁采用以“模塊化分布式卷揚機集成控制系統”為核心的纜索吊進行吊裝，纜索吊設計額定起吊重量為170 t（含吊具10 t），主索跨徑組合為310 m+1 196 m+310 m，利用兩岸索塔作為纜索吊塔架，索鞍布置于索塔上橫梁頂面，主索分別錨固于兩岸主橋錨碇的散索鞍支墩上。纜索吊機總體布置見圖4。

由2臺分布于左、右幅的25 T卷揚機組成纜索吊起重系統卷揚機（編號為5、6號，5號機設置在下游側，6號機設置在上游側）；4臺30T牽引卷揚機（編號1～4號，1號機、2號機為一對設置在上游側，3號機、4號機為一對設置在下游側），主控制室部署在6號機的控制室中。

為了保證“模塊化分布式卷揚機集成控制系統”的主要操作人員能實時掌握吊裝現場設備的運行狀態(tài)，在主控室中配備了一套具有4個視頻監(jiān)控點的實時監(jiān)控系統。通過實時監(jiān)控點的畫面，主控人員可以掌握當前吊裝梁段的實際狀況及各卷揚機的現場狀態(tài)，再通過主控計算機對卷揚機和被吊梁段運行狀態(tài)數據進行監(jiān)控，確保系統控制準確可靠，安全運行。 “模塊化分布式卷揚機集成控制系統”主控制界面，如圖5所示。

5.3 鋼箱梁吊裝纜索吊的控制系統

鋼箱梁吊裝的纜索吊集成控制系統是由6臺具備遠程控制功能的卷揚機模塊、1臺配有“卷揚機集成控制軟件”的上位計算機和1臺43 in.具備4 K分辨率的LCD顯示器，通過6塊西門子S7系列的工業(yè)以太網交換機模塊、一對工作于5 GHz頻段的無線網橋和1臺獨立的以太網交換機組成的網絡通訊系統。

在本系統中，每個卷揚機模塊都是既可獨立操作，又可通過上位計算機遠程集中控制。在集中控制模式時，1～4號卷揚機控制纜索吊運梁跑車沿主橋軸線方向的水平移動，5～6號卷揚機控制鋼箱梁的提升與下放，6臺卷揚機在通過上位計算機遠程集中控制模式下，可實現下述功能。

（1）通過計算機控制每臺卷揚機單獨運行，常用于正式同步運行前的跑車、吊具位置和狀態(tài)的調整；同步吊裝不停機狀態(tài)下，單機調整與控制。

（2）通過計算機分別控制上、下游跑車的每對卷揚機同步運行，通常用于上、下游同步運行前的位置調整和吊裝過程中，上、下游同步出現誤差時的單邊調整與控制。

（3）上、下游4臺牽引卷揚機啟動時的同步運行控制包括4臺同時啟動、停止、前進、后退、加速、減速、點動進、點動退等各種同步運行控制。

（4）上、下游2臺提升卷揚機同步啟動、停止、提升、下放、加速、減速、點動升、點動降等同步運行控制。

（5）在任何時間、任何運行狀態(tài)下，可不停機單獨調整與控制任1臺卷揚機模塊的運行狀態(tài)。

（6）在同步吊裝運行過程前和同步吊裝運行過程中，可根據施工工況選擇自動控制模式，即恒力矩同步控制模式或等出繩長度同步控制模式，以便精確控制卷揚機按照預先設定的控制要求進行鋼箱梁吊裝作業(yè)，實現對整個吊裝過程中的自動運行控制，進一步提高鋼箱梁吊裝施工的效率。

（7）設備運行狀態(tài)顯示在圖形化控制界面中，下半部分以圖形和數據的方式，顯示出每個卷揚機模塊完整的實時運行狀態(tài)。用仿真模式動態(tài)顯示出纜索吊2個平移跑車分別距2個主塔中心線之間的距離、鋼箱梁與跑車上掛架之間的距離等數據。使操作人員對纜索吊的運行狀態(tài)一目了然，對吊裝中的鋼箱梁所處的位置心中有數，真正做到對全套纜索吊裝系統的吊裝過程安全有效地監(jiān)控，也大大提高了施工效率。

（8）極限控制和故障報警。為確保系統安全，程序中對設備運行的極限位置都采取了限位控制和極限停機。在同步運行的過程中，只要檢測到任1臺設備因故障出現停機，就會立即停止整個系統運行；對暫時不會危及安全的故障，通過屏幕上閃爍指示燈的方式進行報警，提示操作人員及時處理或采取相應的控制操作或主動停機。每臺卷揚機出現通訊故障、電機過載、力矩超載等現像，系統都會報警；超過極限值會立即停機。

5.4 龍江大橋鋼箱梁吊裝

為全面測試“模塊化分布式卷揚機集成控制系統”在系統設計中提出的各項目標，鋼箱梁吊裝于2015年7月30日開始，采用統一指揮，單臺卷揚機人工操作，分別控制6臺卷揚機進行施工；并于2015年9月6日開始，應用卷揚機集成控制系統吊裝龍江大橋第47（B23）段鋼箱梁，至2015年10月30日全橋吊裝合龍，總共用時92 d，圓滿完成之江大橋鋼箱梁吊裝工作。

6 控制系統的優(yōu)點

模塊化分布式計算實時控制系統相比傳統的集中控制系統，具有如下優(yōu)點。

（1）將組態(tài)控制技術應用于建筑工程領域具有完全圖形化操控界面，操作形象直觀，易于掌握。

（2）系統采用模塊化設計，可根據不同牽引設計方案靈活搭建，可擴展性好，設備利用率高，可廣范適用于各種不同規(guī)模的牽引、提升、下放等牽引系統中。

（3）牽引點分布區(qū)域廣，控制距離遠，通過工業(yè)以太網與控制點距離可達5 km以上。

（4）控制點多，最多可達16臺；控制精度高（取決于傳感器的精度）。

（5）測試手段先進，可配備各種絕值旋轉編碼器、相對型旋轉編碼器感器、張力檢測壓力傳感器、載荷傳感器等。

（6）控制模式多，位移同步控制、鋼絲繩恒張力控制及位移荷載混合控制等控制模式。

（7）安全、可靠性高，具備完善的應急報警及保護措施和較強的糾錯能力。

（8）采用VPN技術在公用Internet 網中建立起企業(yè)的專用通道，實現遠程技術支持，完成系統故障檢測、軟件更新及調試，有效地降低了系統的維護成本。

7 結 語

模塊化分布式卷揚機集成控制系統的研究成功，實現了國內橋梁纜索吊裝作業(yè)的智能化控制和遠程技術支持；模塊化設計可根據不同的工序要求，靈活搭建提升或牽引系統，提高了設備的利用率，使在大跨徑索結構橋梁施工專用設備方面配套更加齊備合理，也對今后其他類型大型橋梁專用設備的自主開發(fā)做了技術儲備。模塊化分布卷揚機集成控制系統的成功必將促進國內橋梁建設關鍵設備的國產化發(fā)展。 同時，作為中國企業(yè)自主創(chuàng)新技術，大大增強了企業(yè)在國際市場中的核心競爭能力。

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[責任編輯：高 甜]