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(jì)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(lái)越大，要求廠房?jī)?nèi)安裝和檢修水輪機(jī)組的橋式起重機(jī)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“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(dòng)器等的規(guī)格型號(hào)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(lái)設(shè)計(jì)起升和小車(chē)運(yùn)行機(jī)構(gòu)，會(huì)產(chǎn)生資源浪費(fèi)，因此國(guó)內(nèi)外同行提出雙小車(chē)橋機(jī)的思路：平時(shí)采用單小車(chē)方式運(yùn)行，在安裝或檢修水輪機(jī)組的定子和轉(zhuǎn)子時(shí)，采用雙小車(chē)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(chē)橋機(jī)控制系統(tǒng)普遍存在空中起吊重物時(shí)溜鉤，雙小車(chē)抬吊時(shí)啟制動(dòng)同步性差、操作復(fù)雜、定位困難等問(wèn)題。

雙小車(chē)橋機(jī)總體布置見(jiàn)圖1。雙小車(chē)橋機(jī)的設(shè)計(jì)雖然很好地解決了大噸位橋機(jī)的資源浪費(fèi)問(wèn)題，但目前重點(diǎn)需要解決的是其電控系統(tǒng)的自動(dòng)化和智能化問(wèn)題，以保證橋機(jī)起吊時(shí)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(shí)，雙小車(chē)起升機(jī)構(gòu)和小車(chē)運(yùn)行機(jī)構(gòu)能同步啟動(dòng)、制動(dòng)，運(yùn)行時(shí)能根據(jù)2 吊點(diǎn)的高度差自動(dòng)糾偏，始終保持高度一致（高度差≤10 mm），同時(shí)大、小車(chē)機(jī)構(gòu)啟動(dòng)運(yùn)行時(shí)能減小擺動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定位。

圖1 雙小車(chē)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(shí)，由于電機(jī)轉(zhuǎn)矩的建立需要一定時(shí)間，當(dāng)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩小于負(fù)載轉(zhuǎn)矩時(shí)，會(huì)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(guó)外公司（如德國(guó)ABB 公司、法國(guó)施耐德公司以及日本安川公司）各自研發(fā)出起重專(zhuān)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(hào)。為突破國(guó)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(wèn)題。

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

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(kāi)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(duì)各系統(tǒng)PLC 進(jìn)行控制算法和邏輯組態(tài)。PLC 硬件配置見(jiàn)圖2。

圖2 PLC 硬件配置圖

防溜鉤控制流程見(jiàn)圖3。為達(dá)到起升防溜鉤的技術(shù)要求，按照?qǐng)D3 進(jìn)行程序開(kāi)發(fā)。啟動(dòng)運(yùn)行時(shí)，電機(jī)堵轉(zhuǎn)。通過(guò)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(hào)（0～10 V），同時(shí)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(shí)間。當(dāng)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩增至100%額定轉(zhuǎn)矩時(shí)，就能確保電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩大于負(fù)載轉(zhuǎn)矩，這時(shí)PLC 才會(huì)輸出松閘信號(hào)，打開(kāi)制動(dòng)器抱閘。

圖3 防溜鉤控制流程圖

2 雙小車(chē)橋機(jī)抬吊技術(shù)研發(fā)

為解決雙小車(chē)橋機(jī)抬吊起升及小車(chē)機(jī)構(gòu)運(yùn)行時(shí)同步性差、吊點(diǎn)高度難以保持一致、操作復(fù)雜等問(wèn)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(dòng)臺(tái)，其中右聯(lián)動(dòng)臺(tái)設(shè)置起升和大車(chē)運(yùn)行操作主令控制器，左聯(lián)動(dòng)臺(tái)設(shè)置小車(chē)運(yùn)行操作主令控制器，各5 擋，所有操作信號(hào)均輸入PLC。起升機(jī)構(gòu)使用SSI 絕對(duì)值編碼器（德國(guó)庫(kù)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(chē)并車(chē)運(yùn)行，解決雙小車(chē)橋機(jī)操作復(fù)雜及同步性差的難題，在聯(lián)動(dòng)臺(tái)上設(shè)置操作對(duì)象選擇轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)有3 擋：1#小車(chē)、2#小車(chē)、并車(chē)運(yùn)行[2]。如需操作1#/2#小車(chē)起升或小車(chē)運(yùn)行機(jī)構(gòu)時(shí)，將開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換至1#/2#小車(chē)；抬吊時(shí)，只需將開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換至并車(chē)運(yùn)行。操作信號(hào)輸入PLC 后，通過(guò)PLC 的控制程序輸出信號(hào)至變頻器，從而實(shí)現(xiàn)橋機(jī)1# 小車(chē)、2# 小車(chē)、并車(chē)運(yùn)行工況。

起升機(jī)構(gòu)采用主令控制器控制時(shí)，上升、下降各5 擋。并車(chē)運(yùn)行前，2 小車(chē)通過(guò)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(gè)高分辯率絕對(duì)值編碼器，進(jìn)行高度位置檢測(cè)，其信號(hào)輸入PLC 系統(tǒng)。并車(chē)時(shí)，以1#小車(chē)為基準(zhǔn)，2#小車(chē)起升高度位置信號(hào)與1#小車(chē)進(jìn)行比較，當(dāng)信號(hào)顯示高度差＞10 mm 時(shí)，對(duì)2#小車(chē)的速度進(jìn)行微調(diào)，實(shí)現(xiàn)高度位置隨動(dòng)，并車(chē)抬吊時(shí)，起升吊點(diǎn)高度始終保持一致，糾偏流程見(jiàn)圖4。

圖4 起升抬吊糾偏流程圖

3 大小車(chē)運(yùn)行減擺技術(shù)研發(fā)

由于啟動(dòng)或停車(chē)制動(dòng)小車(chē)或大車(chē)機(jī)構(gòu)時(shí)，載荷會(huì)隨啟動(dòng)時(shí)的加速或制動(dòng)時(shí)的減速產(chǎn)生擺動(dòng)，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(shí)，對(duì)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(chē)來(lái)探尋解決辦法。橋機(jī)小車(chē)運(yùn)行機(jī)構(gòu)由2 臺(tái)2.2 kW 三合一變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)，采用ACS880 系列變頻器傳動(dòng)，開(kāi)環(huán)控制，調(diào)速范圍1.2～12.0 m/min 。大車(chē)機(jī)構(gòu)載荷為典型的位移性負(fù)載，由4 臺(tái)4.0 kW 三合一變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)，采用ABB 公司的ACS880 系列變頻器傳動(dòng)，開(kāi)環(huán)控制，調(diào)速范圍2.0～20.0 m/min[3]。

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

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

開(kāi)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(chǎng)見(jiàn)圖5。該系統(tǒng)經(jīng)調(diào)試與測(cè)試，能保持2 吊點(diǎn)高度一致，成功實(shí)現(xiàn)雙小車(chē)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(dòng)系統(tǒng)使整機(jī)啟制動(dòng)平穩(wěn)、沖擊小。技術(shù)性能指標(biāo)完成情況見(jiàn)表1。

表1 技術(shù)性能指標(biāo)測(cè)試結(jié)果表

圖5 雙小車(chē)橋式起重機(jī)圖

5 結(jié) 語(yǔ)

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(kāi)發(fā)徹底解決了水電站雙小車(chē)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(zhǎng)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(guó)內(nèi)橋機(jī)走向世界打下基礎(chǔ)。