天津梅江南島開啟橋提升控制系統(tǒng)設(shè)計

天津梅江南島開啟橋提升控制系統(tǒng)設(shè)計

1開啟橋提升控制系統(tǒng)新技術(shù)應(yīng)用分析天津梅江南環(huán)湖開放橋是集實用性和觀賞性于一體的建設(shè)項目?；顒訕蚩缬?組獨立的卷揚設(shè)備進(jìn)行提升,卷揚設(shè)備采用常規(guī)交流異步電機拖動。橋跨提升過程除要保證能平穩(wěn)變速運行,還必須保證四吊點精確同步,開啟橋作為南環(huán)島區(qū)景觀,結(jié)構(gòu)緊湊,機電設(shè)備安裝及線路通道空間十分有限。按總體規(guī)劃方案,對開啟橋提升運行要求實現(xiàn)安全可靠的自動化控制;有完善的系統(tǒng)監(jiān)控功能;具有手動、分動、獨立等多種控制操作模式;兩岸操作室均能進(jìn)行提橋操作;在設(shè)備現(xiàn)場能獨立進(jìn)行操作監(jiān)控。這些技術(shù)要求給開啟橋提升控制系統(tǒng)設(shè)計與施工提出了諸多難題,無前例可循。根據(jù)這些技術(shù)要求,對所規(guī)劃出的總體控制系統(tǒng)模型進(jìn)行分析,設(shè)計采用了變頻調(diào)速、可編程邏輯控制(PLC)、總線信號通訊等多項新技術(shù),并由工業(yè)控制計算機作中心控制器。對提升、起重電機進(jìn)行變頻調(diào)速必須充分注意位能負(fù)載對變頻器的影響。由于活動橋跨提升機構(gòu)配置平衡重鐵(平衡系數(shù)0.8),所選用的拖動電機軸功率有1倍以上裕量,經(jīng)詳細(xì)計算分析,本項目可以選用通用變頻器進(jìn)行變頻調(diào)速控制。對實際存在有限的位能負(fù)載效應(yīng),采取了選用功率容量適當(dāng)大于正常配置標(biāo)準(zhǔn)的變頻器、配置一定功率的制動單元和能耗制動電阻和建立速度閉環(huán)控制等措施,同時主控計算機對速度進(jìn)行監(jiān)控。控制系統(tǒng)可以確?；顒訕蚩缣嵘踩\行?？刂葡到y(tǒng)有如下主要特點:(1)變頻調(diào)速采用雙閉環(huán)自動控制回路,同時以轉(zhuǎn)速和卷揚提升位移值為控制對象,保證卷揚設(shè)備變速過程平穩(wěn)和4臺設(shè)備準(zhǔn)確同步運行。(2)以工業(yè)控制計算機作中心控制器(上位機)實現(xiàn)自動化操作運行管理,提供全面的安全保護(hù)監(jiān)控及直觀的人機彩屏操作界面。(3)4組提升卷揚設(shè)備分別由4套現(xiàn)場控制單元驅(qū)動控制,現(xiàn)場控制單元既可按集中控制系統(tǒng)的子系統(tǒng)受主控單元控制,亦可作為獨立系統(tǒng)操作運行(在集中控制系統(tǒng)主控單元授權(quán)條件下)。(4)主控制室、輔控制室和4個塔樓現(xiàn)場控制單元的主要數(shù)據(jù)通訊(I/O通訊),采用標(biāo)準(zhǔn)485串行總線,只需1根雙絞線電纜可完成多路信號的雙向遠(yuǎn)距離傳輸。(5)控制系統(tǒng)在正常運行時由主控單元實行集中控制。經(jīng)系統(tǒng)主控單元授權(quán),可由輔控單元按手動方式進(jìn)行提橋操作。2下水位機結(jié)構(gòu)按控制方式,在進(jìn)行集中管理控制時,控制系統(tǒng)主要采用上位機—總線通訊—下位機結(jié)構(gòu)方式。按設(shè)備布置,提升控制系統(tǒng)主要由位于西岸主控制室的動力配電和主控制單元、位于東岸輔控制室的輔助控制單元、4個水上塔樓(西北塔、西南塔、東北塔、東南塔)上的現(xiàn)場控制單元及互聯(lián)電纜構(gòu)成。2.1安全保護(hù)功能主控單元為系統(tǒng)控制中心,采用工業(yè)控制計算機作中心控制器(上位機)。需作說明的是,盡管工業(yè)控制計算機配置相應(yīng)功能的接口電路(I/O)已能滿足系統(tǒng)實現(xiàn)自動控制,但根據(jù)設(shè)計技術(shù)條件,要求在工控機退出工作狀態(tài),也能用手動方式進(jìn)行提橋操作,并有必要的安全保護(hù)功能。因此主控單元又設(shè)計了由單片機和可編程控制器(PLC)組成的數(shù)據(jù)處理及控制組件—主控下位機,主控下位機部分功能用于工控機接口信號處理,主要功能是完成手動方式下的現(xiàn)場狀態(tài)數(shù)據(jù)處理和提橋邏輯控制,并控制一塊數(shù)字模擬信號顯示板。2.2現(xiàn)場控制單元4個塔樓的現(xiàn)場控制單元包括變頻控制器、單片機(下位機)、可編程控制器(PLC)及操作組件。完成對現(xiàn)場各種輸入信號進(jìn)行的預(yù)處理、編碼、和系統(tǒng)主控制單元的通訊,按主控制單元的指令進(jìn)行正常提橋控制,這時現(xiàn)場控制單元是集中控制系統(tǒng)的子系統(tǒng)?，F(xiàn)場控制單元本體設(shè)計有完整的安全運行控制程序和操作、信號組件,在系統(tǒng)主控單元授權(quán)條件下,現(xiàn)場控制單元亦可作為獨立系統(tǒng)操作運行,滿足“在設(shè)備現(xiàn)場能進(jìn)行操作監(jiān)控”的設(shè)計要求。由于復(fù)雜、完善的控制過程主要基于軟件編程實現(xiàn),現(xiàn)場控制單元的硬件規(guī)模實際上小巧緊湊。這也就同時滿足了塔樓上安裝空間十分有限的困難條件。東岸輔控制室的輔控單元結(jié)構(gòu)與西岸主控下位機類似,操作和信號組件與主控手動操作部分完全相同。在系統(tǒng)主控單元授權(quán)條件下,輔控單元可以手動方式進(jìn)行提橋操作。2.3控制系統(tǒng)模塊主控單元、輔控單元和塔樓現(xiàn)場控制單元的數(shù)據(jù)交換主要通過串行總線進(jìn)行,采用標(biāo)準(zhǔn)485總線制式,傳輸電纜只需1根雙絞線,可遠(yuǎn)距離雙向傳輸數(shù)據(jù),抗干擾性能好。現(xiàn)場控制單元通訊接口將所有運行狀態(tài)數(shù)據(jù)(包括橋跨提升位移值)及其標(biāo)志代碼,轉(zhuǎn)換成485總線制式數(shù)據(jù)流,加載到總線上。主控單元、輔控單元按標(biāo)志代碼接收識別數(shù)據(jù),按指定方式對系統(tǒng)實施運行管理。由于采用了總線方式,控制電纜數(shù)量大為減少,系統(tǒng)運行可靠性能進(jìn)一步提高。2.4主供線路供電開啟橋動力電源有主供線路和備用線路兩路輸入,動力配電裝置正常情況下由主供線路供電,主供線路出現(xiàn)故障時備用線路自動投入。通過手動設(shè)置也可選擇供電線路。主斷路開關(guān)采用電動操作機構(gòu)。3電流負(fù)反饋回路圖1為控制系統(tǒng)原理框圖。變頻器建立雙閉環(huán)自動控制回路:以電機轉(zhuǎn)速為控制對象建立的電壓負(fù)反饋回路和以活動橋跨起升高度為控制對象建立的電流負(fù)反饋回路。以西南塔為例,電壓負(fù)反饋回路(圖1中Cu1)的控制原理為:在橋跨提升機構(gòu)運行過程,從卷揚拖動電機軸端安裝的測速發(fā)電機檢測電機轉(zhuǎn)速,測速發(fā)電機輸出的電機轉(zhuǎn)速信號u01經(jīng)適配接口轉(zhuǎn)換,和給定的偏置電壓合成為電壓控制信號uf1,反饋至變頻器的電壓輸入調(diào)整端,對變頻器向拖動電機輸出的頻率和電壓進(jìn)行適時調(diào)整。使卷揚設(shè)備在運行過程中轉(zhuǎn)速性能平穩(wěn)。這一電壓負(fù)反饋回路,對調(diào)速及橋跨下放過程的轉(zhuǎn)速性能改善,效果十分顯著。電流負(fù)反饋回路以活動橋跨起升高度為控制對象(圖1中Ci1),為系統(tǒng)同步控制環(huán)路。同步控制的控制原理為:由位移采樣裝置準(zhǔn)確檢測活動橋跨的起升高度h01,采樣裝置主要由光電編碼器、采樣輪構(gòu)成,見圖2(a),采樣繩兩頭分別固定在活動橋跨和平衡配重鐵上,見圖2(b),帶張緊裝置的采樣繩繞過采樣輪,活動橋跨起升過程,起升位移量通過采樣繩到采樣輪上,被轉(zhuǎn)換成角位移量,與采樣輪同軸的光電編碼器將角位移量轉(zhuǎn)換成數(shù)字式電信號,經(jīng)計數(shù)編碼通訊單元(下位機)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)485接口信號S485b1,通過系統(tǒng)總線(485總線)傳輸?shù)较到y(tǒng)主控制單元,主控計算機對4組提升卷揚設(shè)備的提升高度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理,根據(jù)產(chǎn)生的高度偏差,對按正常運行狀態(tài)輸出的速度控制信號i1～i4進(jìn)行調(diào)整。調(diào)整后的速度控制信號if1～if4通過控制電纜傳輸至變頻器的電流控制端,對卷揚機轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)整?？刂?組卷揚設(shè)備的提升高度偏差在允許范圍之內(nèi),實現(xiàn)自動同步運行控制?？刂菩盘杋f1～if4為4～20mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號,具有不受遠(yuǎn)傳線路阻抗影響及抗干擾性能好等特點。根據(jù)模擬試驗和開啟橋投用后的運行狀況,實際達(dá)到的同步運行控制精度高于設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)要求。電機轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制回路存在于現(xiàn)場控制單元內(nèi),在所有工作方式下都保持控制性能。起升位移閉環(huán)控制回路建立于主控單元和4個現(xiàn)場控制單元構(gòu)成的集中控制系統(tǒng)內(nèi),只在主控計算機支持下的自動提橋操作方式保持控制性能(自動同步控制)。4正常運行特性正常提橋操作為自動控制模式,首先主控計算機對輸入的所有相關(guān)狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行分析,滿足安全提橋條件,主控系統(tǒng)提示提橋準(zhǔn)備就緒,允許啟動提橋。否則提示異常的狀態(tài)參數(shù),系統(tǒng)保持繼續(xù)監(jiān)測,啟動提橋操作無效。例如,提橋前必須完成兩岸路柵的關(guān)閉,在不能確認(rèn)路柵完全關(guān)閉時,系統(tǒng)禁止進(jìn)行提橋操作。啟動提橋后,對提橋過程的序列控制指令由塔樓現(xiàn)場控制單元的可編程控制器發(fā)出,每項指令發(fā)出后,必須收到執(zhí)行對象返回的正確完成指令動作信號,可編程控制器再發(fā)出后續(xù)指令。收到指令執(zhí)行錯誤或未能按指定時間完成指令動作,現(xiàn)場控制單元中止運行,發(fā)出故障警示信號?，F(xiàn)場的所有狀態(tài)信號同時通過總線傳輸至主控單元,主控單元按指定的管理方式(程序)進(jìn)行監(jiān)控。并通過顯示屏向操作人員提供全面直觀的現(xiàn)場狀態(tài)數(shù)據(jù)。圖3為主控計算機預(yù)置的變頻控制器正常運行特性。hs為起步點(起升操作時hs為橋跨下零位,落橋操作時hs為橋跨提升上標(biāo)位)。起步頻率為30Hz,起步速度為0～0.9m/min,起步控制電流為11.1mA。a段為加速段,頻率為30～60Hz,速度為0.9～1.8m/min,控制電流為11.1～20mA。速度達(dá)到1.8m/min進(jìn)入勻速段(b段),頻率為60Hz,速度為1.8m/min,控制電流為20mA。到達(dá)hc點進(jìn)入減速段(c段),頻率為60～20Hz,當(dāng)減速運行接近結(jié)束點he時(距he點20mm),執(zhí)行停車。上述正常運行特性(頻率、速度、控制電流)作為設(shè)定值基準(zhǔn)量。由于同步控制的介入,實際對4個塔樓現(xiàn)場控制單元輸出的控制電流,均按失步情況附加上同步調(diào)整量。同步調(diào)整為減量方式,即對運行位移大于四點平均位移值的卷揚設(shè)備,按其位移偏差量對其控制電流作減量調(diào)整。圖3中曲線1為全行程控制特性,曲線2、曲線3、曲線4為在全行程中不同位置停車后,從該點起步的控制特性。提橋控制流程見圖4。當(dāng)選擇手動操作提橋時(手動集中控制),主控計算機退出對系統(tǒng)的