模块化分布式卷扬机集成控制系统

摘要

本发明涉及模块化分布式卷扬机集成控制系统，包括多卷扬机集成控制计算机、单卷扬机操作控制台和整个单卷扬机控制和数据采集执行机构，其中多卷扬机集成控制计算机通过有线无线工业以太网与单台卷扬机操作控制台相连，并通过单卷扬机控制和数据采集执行机构中的变频控制柜控制大功率变频电机工作，同时通过储绳筒力矩电机控制器控制力矩电机完成钢丝绳同步收放。现场的设备运行状态通过螺旋编码器和负荷传感器采集钢丝绳的收放速度信号和绝对位移量信号，经过现场数据采集变送器将采集到的数据送入单卷扬机操作控制台后，再由操作控制台通过工业以太网传送至多卷扬机集成控制计算机，由集成控制计算机按照工艺要求对多台卷扬机进行实时同步控制。

说明书

技术领域

本发明涉及一种悬索桥施工中主缆架设、桥面架设上使用的卷扬机牵引控制系统。特别是模块化分布式卷扬机集成控制系统。

背景技术

随着我国公路交通等基础建设的突飞猛进，作为跨越能力最大的悬索桥，逐渐成为跨江、跨海、跨越峡谷的首选桥型之一。悬索桥的主缆是其主要受力件，现代悬索桥一般采用平行钢丝主缆，由预制高强度镀锌平行钢丝束(PWS俗称“索股”)组成，主缆架设要使用由多台卷扬机组成的牵引系统、通过空中牵引的施工工艺来完成；对于位于山区峡谷的悬索桥，桥面架设施工也需要采用一种由多台卷扬机组成的牵引、吊装系统，称之为“缆索吊”的吊装设备来完成。这些牵引、吊装系统在使用中都要求对多台卷扬机进行同步操作，以保证施工安全和工程质量要求。目前，各台卷扬机的同步，是指挥人员通过无线对讲设备与各卷扬机操作人员直接沟通实现的，因现场通讯干扰较大、加之人为因素影响，影响同步精度。

发明内容

本发明的目的是提供一种模块化分布式卷扬机集成控制系统，以便确保施工质量和安全规范要求。实现对牵引和吊装系统中所有卷扬机的集中同步控制。

本发明的目的是这样实现的，模块化分布式卷扬机集成控制系统，其特征是：多卷扬机集成控制计算机通过公共通信网与多台卷扬机控制和数据采集执行机构网络连接，每台卷扬机控制和数据采集执行机构包括单台卷扬机操作控制台、现场数据采集变送器、储绳筒力矩电机控制器、变频控制柜、负荷传感器、螺旋编码器、力矩电机和大功率变频电机，螺旋编码器固定在大功率变频电机驱动的卷扬机的卷绳筒转轴上，以获取卷扬机卷绳筒的转数，用以计算卷扬机运行速度；负荷传感器固定在钢丝绳引出卷扬机后的第一个导向轮上，以获取钢丝绳张力；负荷传感器、螺旋编码器分别与现场数据采集变送器的输入接口连接；现场数据采集变送器与单台卷扬机操作控制台接口电连接；单台卷扬机操作控制台通过变频控制柜与大功率变频电机电连接，对大功率变频电机进行控制；通过单台卷扬机操作控制台对现场数据采集变送器、螺旋编码器、负荷传感器实时信号采集和控制，通过对变频控制柜监控，获取大功率变频电机的转速和旋转方向，使对多台卷扬机连接的猫道承重索牵引同步控制进行架设。

所述的集成控制计算机采用台式或便携式微型计算机。

所述的单台卷扬机操作控制台采用可编程序控制器。

所述的公共通信网采用有线和无线工业以太网。

所述的猫道承重索采用对拉连接，在两岸各设置一台大吨位卷扬机单线往复对拉，牵引同步控制要求两台卷扬机一拉一放，每对卷扬机速度相同，旋转方向相反。

所述的主缆索股架设施工采用双线往复式同步牵引系统施工，是位于悬索桥同侧同一锚碇的两台卷扬机的牵引钢丝绳，在两岸适当的位置用两个拽拉器连接起来，同步控制两台卷扬机一收、一放，实现对主缆索股的往复架设。

本发明的优点是：通过对卷扬机的模块化改造，采用计算机分布式控制原理和计算机网络技术，将位于江河、海峡和峡谷两岸的大型卷扬机连接在一起，用于对两岸卷扬机牵引或吊装系统进行同步控制。由于采用了模块化分布式设计，使系统大小可依据工程要求灵活组合，同步功能也可根据需要灵活配置。经过模块化改造的卷扬机，既可多台由计算机集成控制使用，也可单台独立手动操作。大大提高了设备利用率，有效改善了施工环境，提高了施工效率、施工质量和施工安全。主控计算机采用图形化控制界面，在此界面下实时显示出系统中各台卷扬机及整套牵引系统各部位的运行状态，在此控制环境下，主控计算机既可同步控制整个系统的全部卷扬机，又可单独控制系统中的每一台卷扬机，以便在全系统同步运行前，对系统中的每台卷扬机进行状态设定，使其满足同步运行的状态要求。

下面结合实施附图对本发明进一步说明。

附图说明

图1是本发明实施原理框图说明。

图中：1、大功率变频电机；2、力矩电机；3、螺旋编码器；4、负荷传感器；5、变频控制柜；6、储绳筒力矩电机控制器；7、现场数据采集变送器；8、单卷扬机操作控制台；9、单卷扬机控制和数据采集执行机构；10、多卷扬机集成控制计算机；11、工业以太网。

具体实施方式

如图1所示，模块化分布式卷扬机集成控制系统，其特征是：多卷扬机集成控制计算机10通过公共通信网11与多台单卷扬机监控执行模块9网络连接，每台单卷扬机监控执行模块9包括单台卷扬机操作控制台8、现场数据采集变送器7、储绳筒力矩电机控制器6、变频控制柜5、负荷传感器4、螺旋编码器3、力矩电机2、大功率变频电机1。螺旋编码器3固定在大功率变频电机1驱动的卷扬机的卷绳筒转轴上，负荷传感器4安装在钢丝绳导向定滑轮上，以获取多台卷扬机运行速度和钢丝绳张力；负荷传感器4、螺旋编码器3分别与现场数据采集变送器7接口电连接；现场数据采集变送器7与单台卷扬机操作控制台8接口电连接；单台卷扬机操作控制台8通过变频控制柜4与大功率变频电机1电连接，对大功率变频电机1进行控制；单台卷扬机操作控制台8通过储绳筒力矩电机控制器6与力矩电机2电连接，对储绳筒力矩电机2进行控制，实现对牵引钢丝绳的收放控制；单台卷扬机操作控制台8对现场数据采集变送器7、螺旋编码器3、负荷传感器4进行实时信号采集，通过对变频控制柜4获取大功率变频电机1的转速和旋转方向，使对多台卷扬机连接的猫道承重索或悬索桥主缆实现牵引同步控制，完成猫道承重索或悬索桥主缆的架设。从而满足桥梁施工中需采用多台卷扬机同步牵引控制的施工工艺要求。如：悬索桥猫道承重索架设中采用的双机对拉连接牵引施工工艺，主缆索股架设施工中采用的双线往复式同步牵引系统施工工艺，及其它一些需采用多台卷扬机进行同步作业的施工工艺等。

整个牵引过程中按照猫道承重索牵引施工或悬索桥主缆架设牵引的要求，可根据牵引拽拉器所处的物理位置不同，采用不同的同步牵引速度，同时根据负荷传感器4检测到的钢绳拉应力大小，按照预先设定的控制策略，微调从动卷扬机的速度，确保整个牵引运行过程的安全、高效。猫道承重索架设或悬索桥主缆架设牵引过程中，主控计算机控制系统可分别对两条猫道或两根悬索桥主缆的两对卷扬机牵引系统进行控制，两对卷扬机相互独立运行，之间没有同步要求。

多卷扬机集成控制计算机10通过采集螺旋编码器3和负荷传感器4采集钢丝绳的收放速度、绝对出绳圈数信号和钢丝绳张力信号数据，经计算机中预先建立的数学模型，计算出卷扬机实时出绳长度及被牵引构件的当前位置，在大型液晶显示器上以图形方式直观显示出整个系统的实时状态，使系统工况形象直观，设备状态一目了然，整体操作简单易学，操作控制安全可靠。

多卷扬机集成控制计算机10是指配有大型液晶显示屏的主控计算机，采用台式或便携式微型计算机。主控计算机通过工业以太网11与系统中的多个单卷扬机操作控制台8相连，主控计算机采用图形化控制界面，在此界面下实时显示出系统中各台卷扬机及整套牵引系统各部位的运行状态，在此控制环境下，主控计算机既可同步控制整个系统的全部卷扬机，又可单独控制系统中的每一台卷扬机，以便在全系统同步运行前，对系统中的每台卷扬机进行状态设定，使其满足同步运行的状态要求。

多种施工工艺的作业流程：

1、单线往复式同步牵引系统控制流程：单线往复式同步牵引施工工艺，一般采用位于悬索桥两锚碇之间的两台卷扬机一收、一放对拉单根牵引钢丝绳实现。开始牵引前，先将两台卷扬机两根牵引钢丝绳利用拽拉器连接成一根，调整拽拉器到存放有被牵引的钢丝绳的卷扬机一侧；位于两锚碇间的两台牵引卷扬机同时启动，速度相同方向相反。单线往复式同步牵引作业流程如下：将拽拉器调整到相应起点位置，并与安装在放索机构内的被牵引架设猫道承重索（或主缆）前端锚头临时连接固定→同步启动两台牵引卷扬机（一台收绳、另一台放绳）→低速跨越散索鞍门架导轮组→同步加速至允许牵引速度，上行至主塔顶部前同步减速→低速通过主塔顶部门架导轮组→同步加速至允许牵引速度跨越主跨，接近对面主塔前减速→低速通过对面主塔顶部门架导轮组→同步加速至允许牵引速度，下行至对面散索鞍前减速→低速通过散索鞍门架导轮组→停止牵引，将被牵到位的猫道承重索（或主缆）前端锚头与对应的锚固系统连接锚固。牵引结束后以相反的顺序使拽拉器返回原牵引起点，完成下一根牵引准备工作。通常猫道承重索的架设，大多采用单线往复式同步牵引系统进行施工。

2、双线往复式同步牵引系统控制流程：双线往复式同步牵引施工工艺采用位于悬索桥同一锚碇的两台卷扬机一收、一放对拉牵引钢丝绳实现。每套双线往复牵引系统由三根牵引钢丝绳组成，开始牵引前，先将两台卷扬机安装在同一锚碇的同侧，其中1#卷扬机含未拉出的1#牵引钢丝绳，2＃卷扬机内的2#牵引钢丝绳已被拉出，一端绳头与2＃卷扬机连接，另一端绳头在对岸锚碇处；对岸锚碇同侧设置水平导向轮和放索机构；架设第三根3#牵引钢丝绳，将其两端绳头分别置于两岸锚碇处；利用两个拽拉器分别在两岸锚碇适当位置将三根牵引钢丝绳连接起来，其中1＃拽拉器在卷扬机岸将1＃牵引钢丝绳与3#牵引钢丝绳连接，2＃拽拉器在对岸将2#牵引钢丝绳与绕过水平导向轮的3#牵引钢丝绳连接，形成双线往复式牵引系统。双线往复式牵引系统工作流程如下：安装在放索机构内的被牵引架设猫道承重索（或主缆）前端锚头，与水平导向轮前的拽拉器临时连接固定，同时启动两台牵引卷扬机（一台收绳、另一台同步放绳）→低速跨越散索鞍门架导轮组→同步加速至允许牵引速度，上行至主塔顶部前同步减速→低速通过主塔顶部门架导轮组→同步加速至允许牵引速度跨越主跨，接近对面主塔前减速→低速通过对面主塔顶部门架导轮组→同步加速至允许牵引速度，下行至对面散索鞍前减速→低速通过散索鞍门架导轮组→停止牵引，将被牵引被牵到位的猫道承重索（或主缆）前端锚头与对应的锚固系统连接锚固，完成单根牵引架设。与此同时，原设置在牵引卷扬机锚碇处的拽拉器被放到对岸水平导向轮前，与下一根被牵引架设的猫道承重索（或主缆）前端锚头临时连接固定，同时启动两台卷扬机，以相同的流程和相反的旋转方向牵引下一根猫道承重索（或主缆），形成双线往复式循环架设。双线往复式同步牵引系统施工配置比单线往复式同步牵引施工工艺复杂，但此施工效率较单线往复式同步牵引提高了一倍，能耗也降低了近一半。主缆的架设因牵引数量较大，通常采用双线往复式同步牵引系统施工。

在这两种牵引系统中，两台卷扬机的同步都必须通过本项目研发的“卷扬机集成控制系统”来实现，在整个牵引过程中，要确保两台对拉卷扬机在牵引过程能同步启动，并以一台卷扬机为基准，控制另一台卷扬机同速收放。为了确保运行过程中设备和人员的安全，系统通过对牵引钢丝绳运行中钢绳张力的动态检测和对被动卷扬机速度的动态调整，保证在整个牵引过程中钢丝绳的张力控制在允许的安全范围内；特别是当放索系统和被牵引的猫道绳（主缆索股）出现卡索时，能够及时控制牵引系统紧急停止，预防系统出现安全事故。同时，在牵引过程中，通过螺旋编码器和计算机，将拽拉器运行的位置信息计算出来，计算机将按照预先设定的牵引速度－位置数据，控制两台牵引卷扬机的牵引速度，确保整个牵引过程中，尤其是跨越主塔顶部门架导轮组时系统运行的安全。