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(tǒng)進行了詳細的闡述，并通過標準化設(shè)計的卷揚機模塊，使用上位計算機對分布于施工現(xiàn)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(jié)構(gòu)橋梁的施工工藝進行智能化控制。經(jīng)云南龍江特大橋施工應(yīng)用后，證明模塊化分布式卷揚機集成控制系統(tǒng)能夠提高設(shè)備利用率，在大跨徑索結(jié)構(gòu)橋梁施工專用設(shè)備配置更加合理，對日后大型橋梁專用設(shè)備的自主研發(fā)進行了技術(shù)儲備。

關(guān)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(jié)構(gòu)橋梁施工中，卷揚機作為大噸位結(jié)構(gòu)件，在提升、牽引作業(yè)中都有著非常廣泛的應(yīng)用。在現(xiàn)代大型懸索橋施工中的貓道架設(shè)、主纜架設(shè)、山區(qū)懸索橋加勁梁架設(shè)，以及山區(qū)或特殊斜拉橋的加勁梁架設(shè)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(tǒng)來完成。目前，多臺卷揚機的協(xié)同工作，是通過人工統(tǒng)一指揮的方式來實現(xiàn)的。

如何利用現(xiàn)已成熟的工業(yè)自動控制技術(shù)和計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，開發(fā)出一套模塊化分布式卷揚機集成控制系統(tǒng)，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(shù)在橋梁建設(shè)領(lǐng)域中的應(yīng)用，可有效降低因人為操作失誤的風(fēng)險，提高施工的安全與可靠性。同時卷揚機集成控制系統(tǒng)還可用于不同的牽引、起重作業(yè)，大大提高了設(shè)備利用率，降低生產(chǎn)成本，進一步提升施工企業(yè)在大型橋梁建設(shè)領(lǐng)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(tǒng)的動力模塊是由單臺變頻調(diào)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(xiàn)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(tǒng)的動力設(shè)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(xiàn)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(diào)速摩擦式牽引卷揚機，其機械部分的總體結(jié)構(gòu)見圖1。

變頻調(diào)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(jīng)過減速器減速后帶動前、后卷繩筒轉(zhuǎn)動，前、后卷繩筒再帶動纏繞其上的牽引鋼絲繩，實現(xiàn)對構(gòu)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(chǎn)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(shù)，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(diào)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(diào)速，可控性強，非常適用于大型索結(jié)構(gòu)橋梁的施工。

2 控制系統(tǒng)的組成

模塊化分布式卷揚機集成控制系統(tǒng)見圖2。由變頻調(diào)速摩擦式牽引卷揚機、現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集傳感器、變頻控制柜（電機驅(qū)動）、卷揚機控制臺（現(xiàn)場數(shù)據(jù)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(wǎng)組成。

牽引卷揚機和牽引鋼絲繩需要承受被牽引結(jié)構(gòu)件的重量，用戶可以根據(jù)牽引載荷的大小來配置牽引卷揚機的型號和數(shù)量。國內(nèi)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(shè)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(zhuǎn)換開關(guān)進行選擇。將開關(guān)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(shù)據(jù)采集和控制技術(shù)于一體的獨立施工設(shè)備。將開關(guān)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(shù)據(jù)都將通過工業(yè)以太網(wǎng)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(shù)據(jù)采集控制模塊的工作原理見圖3。

卷揚機數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)通過傳感器獲取卷揚機牽引鋼絲繩的速度、出繩長度、內(nèi)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(shù)據(jù)信息采集，建立整個牽引系統(tǒng)和被牽引構(gòu)件的實際狀態(tài)信息，并經(jīng)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(jù)采集的數(shù)據(jù)狀態(tài)確定牽引卷揚機的下一步動作及整個系統(tǒng)的同步調(diào)節(jié)量。在模塊化分布式卷揚機集成控制系統(tǒng)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(qū)動電機的運行頻率、電壓、電流、轉(zhuǎn)矩，變頻器的各項運行數(shù)據(jù)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(yīng)的外部設(shè)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(jù)應(yīng)用類型安裝相應(yīng)的控制軟件。

上位計算機經(jīng)工業(yè)以太網(wǎng)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(tǒng)，采用完全圖形化的工作界面，操作簡便，易于掌握。同時，系統(tǒng)具有超差報警保護與顯示功能，控制軟件中設(shè)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(tǒng)能實時顯示出鋼絲繩張力、鋼絲繩繩速及構(gòu)件位置參數(shù)，便于操作與監(jiān)控。

實時遠程視頻監(jiān)視系統(tǒng)通過以太網(wǎng)將攝像頭、計算機和監(jiān)視器等設(shè)備相連接，對牽引與吊裝系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)件的狀態(tài)進行實時監(jiān)控，使操作人員及時掌握施工現(xiàn)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(tǒng)能夠可靠運行，將全套控制系統(tǒng)的IP地址設(shè)計到一個獨立的網(wǎng)段內(nèi)，并通過路由器中的防火墻與監(jiān)控系統(tǒng)和項目部局域網(wǎng)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(tǒng)的穩(wěn)定運行，又可利用VPN技術(shù)在公用Internet 網(wǎng)中建立起企業(yè)的專用通道，實現(xiàn)整個系統(tǒng)的遠程技術(shù)支持。技術(shù)人員在公司就可與施工現(xiàn)場的設(shè)備連接，進行系統(tǒng)故障檢測，控制系統(tǒng)軟件更新、調(diào)試等工作，有效地降低了系統(tǒng)的維護成本，極大地提高了系統(tǒng)維護的響應(yīng)速度。

4 控制策略

模塊化分布式卷揚機集成控制系統(tǒng)要根據(jù)牽引或吊裝設(shè)計方案中設(shè)備的布置、被牽引或吊裝結(jié)構(gòu)件的要求，建立與之相適應(yīng)的控制策略，開發(fā)適用的控制軟件。

在大型橋梁建設(shè)中，一套牽引（或吊裝）系統(tǒng)往往需配備多臺牽引卷揚機，并依據(jù)構(gòu)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(xiàn)多臺牽引卷揚機同步協(xié)調(diào)動作；被牽引構(gòu)件位置同步控制策略，以實現(xiàn)被牽引構(gòu)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(xiàn)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(jié)合的控制策略，根據(jù)牽引工藝的實際要求，在整套牽引系統(tǒng)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(tǒng)中，以實現(xiàn)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(tǒng)的實現(xiàn)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(shè)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(shè)備

根據(jù)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(tǒng)”為核心的纜索吊進行吊裝，纜索吊設(shè)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(tǒng)卷揚機（編號為5、6號，5號機設(shè)置在下游側(cè)，6號機設(shè)置在上游側(cè)）；4臺30T牽引卷揚機（編號1～4號，1號機、2號機為一對設(shè)置在上游側(cè)，3號機、4號機為一對設(shè)置在下游側(cè)），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(tǒng)”的主要操作人員能實時掌握吊裝現(xiàn)場設(shè)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(tǒng)。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(xiàn)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(shù)據(jù)進行監(jiān)控，確保系統(tǒng)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(tǒng)”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(tǒng)

鋼箱梁吊裝的纜索吊集成控制系統(tǒng)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(wǎng)交換機模塊、一對工作于5 GHz頻段的無線網(wǎng)橋和1臺獨立的以太網(wǎng)交換機組成的網(wǎng)絡(luò)通訊系統(tǒng)。

在本系統(tǒng)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(xiàn)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(diào)整；同步吊裝不停機狀態(tài)下，單機調(diào)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(diào)整和吊裝過程中，上、下游同步出現(xiàn)誤差時的單邊調(diào)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(diào)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(jù)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(yù)先設(shè)定的控制要求進行鋼箱梁吊裝作業(yè)，實現(xiàn)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(shè)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)。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(shù)，真正做到對全套纜索吊裝系統(tǒng)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(tǒng)安全，程序中對設(shè)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(shè)備因故障出現(xiàn)停機，就會立即停止整個系統(tǒng)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(yīng)的控制操作或主動停機。每臺卷揚機出現(xiàn)通訊故障、電機過載、力矩超載等現(xiàn)像，系統(tǒng)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(tǒng)”在系統(tǒng)設(shè)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(tǒng)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(yīng)用卷揚機集成控制系統(tǒng)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(tǒng)的優(yōu)點

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

（1）將組態(tài)控制技術(shù)應(yīng)用于建筑工程領(lǐng)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(tǒng)采用模塊化設(shè)計，可根據(jù)不同牽引設(shè)計方案靈活搭建，可擴展性好，設(shè)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(tǒng)中。

（3）牽引點分布區(qū)域廣，控制距離遠，通過工業(yè)以太網(wǎng)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(zhuǎn)編碼器、相對型旋轉(zhuǎn)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(yīng)急報警及保護措施和較強的糾錯能力。

（8）采用VPN技術(shù)在公用Internet 網(wǎng)中建立起企業(yè)的專用通道，實現(xiàn)遠程技術(shù)支持，完成系統(tǒng)故障檢測、軟件更新及調(diào)試，有效地降低了系統(tǒng)的維護成本。

7 結(jié) 語

模塊化分布式卷揚機集成控制系統(tǒng)的研究成功，實現(xiàn)了國內(nèi)橋梁纜索吊裝作業(yè)的智能化控制和遠程技術(shù)支持；模塊化設(shè)計可根據(jù)不同的工序要求，靈活搭建提升或牽引系統(tǒng)，提高了設(shè)備的利用率，使在大跨徑索結(jié)構(gòu)橋梁施工專用設(shè)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(shè)備的自主開發(fā)做了技術(shù)儲備。模塊化分布卷揚機集成控制系統(tǒng)的成功必將促進國內(nèi)橋梁建設(shè)關(guān)鍵設(shè)備的國產(chǎn)化發(fā)展。 同時，作為中國企業(yè)自主創(chuàng)新技術(shù)，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(zé)任編輯：高 甜]