基于Unity Pro 的安全智能大噸位橋機控制系統的研發

潘 震 ，龔 平，黃康康，丁揚威，湯杭森，蔣元中

（1.杭州定川信息技術有限公司，浙江 杭州 310008；2.浙江省水利防災減災重點實驗室，浙江 杭州 310017；3.水利部杭州機械設計研究所，浙江 杭州 310012）

0 引 言

隨著水電站規模不斷擴大，水輪機組的裝機容量隨之增加，其定子和轉子的質量也越來越大，要求廠房內安裝和檢修水輪機組的橋式起重機（以下簡稱“橋機”）起重量不斷增加，因而橋機各機構的電機、減速器、制動器等的規格型號不斷加大。由于起吊水輪機組定轉子的工況不多，橋機大多處于輕載運行工況，若完全按照最大起重量來設計起升和小車運行機構，會產生資源浪費，因此國內外同行提出雙小車橋機的思路：平時采用單小車方式運行，在安裝或檢修水輪機組的定子和轉子時，采用雙小車運行方式，能夠起到節能降耗的目的。但目前傳統的大噸位雙小車橋機控制系統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、操作復雜、定位困難等問題。

雙小車橋機總體布置見圖1。雙小車橋機的設計雖然很好地解決了大噸位橋機的資源浪費問題，但目前重點需要解決的是其電控系統的自動化和智能化問題，以保證橋機起吊時不出現溜鉤現象，以及在抬吊水輪機組的定轉子時，雙小車起升機構和小車運行機構能同步啟動、制動，運行時能根據2 吊點的高度差自動糾偏，始終保持高度一致（高度差≤10 mm），同時大、小車機構啟動運行時能減小擺動，以實現準確定位。

圖1 雙小車橋機總體布置圖

為解決以上難題，基于秘魯圣加旺Ⅲ水電站橋式起重機項目（起重量125 t+125 t，橋機跨距18 m）研發智能控制系統。

1 橋機起吊防溜鉤技術研發

橋機在空中起吊重物時，由于電機轉矩的建立需要一定時間，當電機輸出轉矩小于負載轉矩時，會出現重物下滑的溜鉤現象，產生安全隱患，目前這種現象在橋機運行中較為普遍。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）各自研發出起重專用變頻器，內含防溜鉤控制程序，其輸出接口板能輸出起升抱閘控制信號。為突破國外壟斷，急需另辟途徑研發防溜鉤技術，以解決起升溜鉤問題。

秘魯圣加旺Ⅲ水電站橋機起升系統由1 臺90 kW 變頻電機驅動，實現1∶20 調速比（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）。為實現起升機構的調速比，選用德國ABB 公司DTC 控制的ACS880 變頻器驅動。

PLC（Programmable Logic Controller）采用施耐德M340 系列，由此需要在Unity Pro XL 編程軟件開發環境[1]下進行研發。該軟件基于Windows環境運行，能對各系統PLC 進行控制算法和邏輯組態。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。為達到起升防溜鉤的技術要求，按照圖3 進行程序開發。啟動運行時，電機堵轉。通過變頻器讀取電機電流并轉換成電機轉矩模擬量信號（0～10 V），同時輸送至PLC 模擬量輸入模塊。為保證起吊負載不產生溜鉤現象，必須保證電機輸出轉矩大于負載轉矩，而電機轉矩的建立需要一定時間。當電機輸出轉矩增至100%額定轉矩時，就能確保電機的輸出轉矩大于負載轉矩，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 雙小車橋機抬吊技術研發

為解決雙小車橋機抬吊起升及小車機構運行時同步性差、吊點高度難以保持一致、操作復雜等問題，確保抬吊成功，基于秘魯圣加旺Ⅲ水電站橋式起重機項目進行研發，研發內容如下：

司機室設置聯動臺，其中右聯動臺設置起升和大車運行操作主令控制器，左聯動臺設置小車運行操作主令控制器，各5 擋，所有操作信號均輸入PLC。起升機構使用SSI 絕對值編碼器（德國庫伯勒Sendix M5863），可將吊點高度數據傳入PLC 中。

為實現單人操作2 小車并車運行，解決雙小車橋機操作復雜及同步性差的難題，在聯動臺上設置操作對象選擇轉換開關，轉換開關有3 擋：1#小車、2#小車、并車運行[2]。如需操作1#/2#小車起升或小車運行機構時，將開關轉換至1#/2#小車；抬吊時，只需將開關轉換至并車運行。操作信號輸入PLC 后，通過PLC 的控制程序輸出信號至變頻器，從而實現橋機1# 小車、2# 小車、并車運行工況。

起升機構采用主令控制器控制時，上升、下降各5 擋。并車運行前，2 小車通過機械拉桿裝置進行剛性連接，以保證運行速度同步；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，進行高度位置檢測，其信號輸入PLC 系統。并車時，以1#小車為基準，2#小車起升高度位置信號與1#小車進行比較，當信號顯示高度差＞10 mm 時，對2#小車的速度進行微調，實現高度位置隨動，并車抬吊時，起升吊點高度始終保持一致，糾偏流程見圖4。

圖4 起升抬吊糾偏流程圖

3 大小車運行減擺技術研發

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

為研發減擺技術，利用秘魯圣加旺Ⅲ水電站橋式起重機項目中的橋機小車來探尋解決辦法。橋機小車運行機構由2 臺2.2 kW 三合一變頻電機驅動，采用ACS880 系列變頻器傳動，開環控制，調速范圍1.2～12.0 m/min 。大車機構載荷為典型的位移性負載，由4 臺4.0 kW 三合一變頻電機驅動，采用ABB 公司的ACS880 系列變頻器傳動，開環控制，調速范圍2.0～20.0 m/min[3]。

為減小擺動幅度，基于Unity Pro XL 軟件，根據單擺原理開發減擺程序，將變頻器給定輸入的階躍信號改為鋸齒波信號，同時根據起重量、鋼絲繩長度調整運行機構的加、減速過程，使其擺動控制在一定范圍內。

4 現場應用

開發的橋機控制系統已成功運用于秘魯圣加旺Ⅲ水電站橋式起重機中，橋機現場見圖5。該系統經調試與測試，能保持2 吊點高度一致，成功實現雙小車抬吊運行功能，空中起吊不溜鉤，各機構運行穩定、可靠，定位準確并具有數據記憶功能，變頻傳動系統使整機啟制動平穩、沖擊小。技術性能指標完成情況見表1。

表1 技術性能指標測試結果表

圖5 雙小車橋式起重機圖

5 結 語

水電站橋式起重機是水電站重要的機電設備，其穩定運行與否，直接關系到水利水電工程水輪機組的安裝質量與進度。本系統的開發徹底解決了水電站雙小車橋機起升溜鉤、抬吊同步性差、定位困難及操作復雜等長期存在的難題，使橋機實現高精度穩定運行，為國內橋機走向世界打下基礎。