桥梁用缆索起重机智能化改造关键技术研究

周进聪

摘要：大跨径桥梁吊装对缆索起重机要求具有高安全性，信息化管理平台能适应现场复杂的环境，且能较好地完成吊装任务。传统的缆索起重机电气控制系统已不能满足实际需求，要对缆索起重机进行智能化改造。文章结合平南三桥缆索起重机智能化改造技术进行研究，采用可编程控制器PLC作为核心控制器，用变频器变频输出控制电机，各可编程控制器PLC通信方式采用光纤以太网连接，通信网络采用冗余设计，通过可编程控制器PLC的逻辑控制，延伸出远程控制下的多操作模式的缆索起重机，使用安全监控平台工控机实时对系统运行状态进行监控，使得缆索起重机具有远程控制、多种操作模式控制、信息化管理平台的功能，其缆索起重机智能化改造技术可为同类缆索起重设备设计改造提供借鉴。

关键词：缆索起重机;PLC智能化控制系统;信息化管理平台;工控机

中图分类号：U445.32 文献标识码：A DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2020.11.008

文章编号：1673—4874（2020）11—0025-06

0引言

大跨径桥梁吊装对缆索起重机提出具有高安全性、信息化管理平台能适应现场复杂的环境、能较好完成吊装任务等要求。这不仅能对设备系统的运行状态、关键受力点进行安全监控，方便操作人员、维护人员根据安全监控数据显示进行可视化、信息化操作和维护，而且还能把操作室设置在吊装现场，方便操作人员查看现场的吊装情况，避免因现场情况复杂看不到吊点、跑车的动作过程，挂到钢丝绳、钢绞线，出现安全问题。两岸的控制系统可以组成一个整体，具备多种操作模式，两岸的操作台都能对整个系统的负载设备进行控制。

目前国内缆索起重机电气控制系统通常采用接触器、继电器组成的多路机械式切换控制系统。该控制系统控制简单、操作模式单一，稳定性和可靠性差、寿命短，电气接线及开关接点较多、缺乏远程集中控制操作，同一岸的操作台不能控制两岸卷扬机，一岸的操作台不能单独控制另外一岸的卷扬机，上下游起升或牵引卷扬机不能合并在一个手柄操作等，缺乏多功能安全可靠的操作控制模式，只能在现场卷扬机旁操作，不能快速有效地完成吊装任务。而且还缺乏故障自诊断保护功能，不能实时监控系统运行状态。这样的控制系统对于规模小、跨度不大的拱桥吊装缺点不太显著，但不适用于大规模、大跨径的拱桥吊装。

本文以平南三桥缆索起重机为依托，对缆索起重机电气控制系统进行智能化改造，通过研究以可编程控制器PLC为核心，各可编程控制器PLC通信方式采用光纤以太网连接构建一个控制系统，电气控制系统通信网络采用冗余设计，避免因通信网络故障影响系统正常使用。同时通过可编程控制器PLC的逻辑控制，延伸出远程控制下的多操作模式的纜索起重机，使得缆索起重机更加智能化、操作更加简便，适应现场的吊装要求。使用安全监控平台工控机实时对系统运行状态进行监控，了解系统的运行情况，出现故障能在系统上显示出来为系统维护提供可视化故障查找。缆索起重机操作室设置在吊装现场旁，方便操作人员观看现场吊装情况和吊点工作情况，发现吊点不平衡时适当调整。安全监控系统工控机实时对系统进行数据监控，实现大型缆索吊装信息化施工，对安全施工提供了可靠的技术保证。

1缆索起重机智能化改造关键技术研究

1.1以可编程控制PLC为核心控制器

可编程控制器PLC具有可靠性高、抗干扰能力强的优点，系统的设计、安装调试工作量小，硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强。编程语言使用梯形图、功能块、指令表、结构文本，功能强大、性价比高。从PLC的机外电路来说，使用PLC构成控制系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障率也就大大降低。此外，PLC带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护，这样整个系统具有极高的可靠性。

可编程控制器PLC与传统继电器控制方式的不同，主要是扫描工作方式与继电器控制的不同（见表1）。

继电器控制系统采用硬逻辑并行的运行方式，一个继电器线圈的通断，将会同时影响该继电器的所有常开和常闭触点动作，与触点在控制线路中所处的位置无关。PLC采用循环扫描工作方式，一个软继电器的线圈通断，只会影响该继电器扫描到的接点动作。这样PLC控制系统比继电器控制系统具有更高的安全性和可靠性。

变频器具有无级调速，启动电流小、启动转矩大、调速精度高以及容易实现自动化控制、高效率高节能的特点，采用可编程控制器与变频器配合使用智能化设计，能减少设备机械冲击，延长传动机构的寿命，还能进一步加强设备运行的平稳性，实现了稳定多档速度运行，改善了定位的准确性。

通过以上对可编程控制器PLC、变频器的了解与认知，系统设置6个集装箱电气室：南岸主索道集装箱一、集装箱二电气室，南岸工作索道（2线、3线）电气室，北岸主索道集装箱五、集装箱六电气室，北岸工作索道（1线、4线）电气室。采用6个罗克韦尔AB系列可编程控制器PLc（AB-1769-L30BR），12个罗克韦尔Power Flex755系列变频器（起升），12个罗克韦尔Power Flex753系列变频器（牵引）。南岸操作室主索道操作台一、主索道操作台二、工作索道操作台，北岸操作室主索道操作台一、主索道操作台二、工作索道操作台分别使用罗克韦尔AB系列可编程控制器PLC（AB-1769-L16BR—BBlB），每个操作台设置1个，共6个可编程控制器PLC。以可编程控制器为核心的控制系统共有12个编程控制器PLC组成，系统通信采用光纤以太网通信方式完成数据传输与转换，这样就构建成以PLC为核心控制器的电气控制系统（如图1、图2所示）。

1.2冗余设计的缆索起重机电气控制系统通信网络

各可编程控制器PLC之间通信是使用网络通信。如采用全双绞网线，数据网络抗电磁干扰差、系统稳定性差、扩容不易、通信距离较短、总体带宽偏低，故不考虑;而光纤以太网对数据通信系统传输带宽大、数据传输距离远、系统延时小、抗干扰能力强、系统容量大，因此各可编程控制器之间采用光纤以太网系统作为缆索起重机电气控制系统的通信网络，可承载系统操作台可编程控制器PLC、集装箱电气室可编程控制器PLC、变频器等传递和接收数据。同时操作台设置在吊装现场，集装箱到操作台之间距离较远，现场环境复杂，故要求系统通信网络具有很强的冗余性，确保系统在一条或者多条光纤出现网络故障状态下仍能够稳定运行。

综合考虑以上因素，采用抗干扰能力更强、数据传输能力更远、冗余性更好、灵活性更强的工业光纤以太网系统作为缆索起重机电气控制系统通信网络。系统主要由多模光纤，南北两岸操作室的交换机、无线网桥，集装箱的交换机、无线网桥，塔顶的无线网桥、交换机组成通信网络。

交换机分别设置在操作室的操作台、集装箱的电气柜、塔顶的电箱内;塔顶与集装箱设置一对无线网桥，分南北两岸共设置两对;南岸操作室与北岸操作室设置一对无线网桥。交换机与交换机之间采用多模光纤连接到光口，无线网桥采用带屏蔽层的以太网线接到电口，这样组成通信网络。交换机与交换机之间靠光纤连接来传递和接收数据，无线网桥与无线网桥之间靠以太网线和无线信号来传递与接收数据。

交换机有光口和电口，光口接光纤、电口接无线网桥的以太网线。设备的交换机上有3个光口，编号为6、7、8，集装箱、操作室交换机与交换机之间光口接光纤编号是错开的，如第一个交换机接了6口，下一个交换机不能接6口要接7口或者8口，再下一个要接8口或者7口，南岸与北岸塔顶交换机之间接11^#过江光纤不用错开，接到交换机光口上编号一样就可以了，这样形成环网通信网络。每条光纤内有4条芯，每2条芯组成一组接收和传递信号，另一组备用。详见图3。

南、北岸集装箱与操作室、塔顶三者之间通信采用交换机有线光纤连接;南、北岸集装箱与塔顶之间通信连接采用备用无线网桥、操作台与塔顶通信采用交换机有线光纤连接;南北两岸塔顶通信采用交换机有线光纤连接;南北两岸操作室采用备用无线网桥信号连接。

这样有利于控制系统网络通信稳定、安全，可以避免因部分网络通信有问题导致缆索起重机操作不了，需立即停机维修的事故，还能满足安全监控系统等工业设备的接入和数据传输。

1.3多操作模式的缆索起重机

传统的缆索起重机，基于接触器、继电器控制的多电路电气控制系统，两岸各设一个控制系统，缺少多操作模式，需要两岸操作室同时进行操作才能完成吊装工作，人为地做到设备同步运行，操作性差。为了使缆索起重器操作更加灵活方便、安全性能高、具有多种操作模式，将主索道南岸集装箱电气室一、二的可编程控制器PLC，北岸集装箱电气室五、六的可编程控制器PLC，南岸主索道操作台一、操作台二的可编程控制器PLC，北岸主索道操作台一、操作台二的可编程控制器PLC，以以太网通信方式连接起来组成缆索起重机整个控制系统的骨干网络。可编程控制编程梯形图建立逻辑控制，在操作台手柄、操作权限、机构调整、操作模式转换开关输入指令到可编程控制器，可编程控制器输出指令给变频器卷扬机完成工作过程。因此，智能化改造后，通过在操作台上操作权限、机构调整、操作模式转换开关切换，即可实现缆索起重机的多操作模式并完成吊装工作。

南北两岸的主索道操作台一、二配置是一样的，多种操作模式取决于南岸或者北岸主索道操作台取得主控权限、从控权限的问题。一岸取得主控权限，就由取得主控权限的一岸操作完成吊装工作;两岸都在解锁状态，系统就没有主控、从控权限，吊装工作由两岸共同完成。

1.3.1 多操作模式的4种工况

多操作模式分为：单动工况、两岸联动单动工况、两岸联动联动工况、解锁工况等。

（1）单动工况（以南岸为例）：南岸主索道操作台一、二起升1～4操作手柄，牵引1～4操作手柄，8个手柄可以控制南岸或者北岸起升1～4卷扬机变频器升或降，牵引1～4卷扬机变频器前进或后退。

（2）两岸联动单动工况（以南岸为例）：南岸主索道操作台一、二起升1～4操作手柄对应集中控制南北两岸1～4卷扬机变频器的升或降;牵引1操作手柄控制南北两岸牵引1～2卷扬机变频器前进或后退;牵引3操作手柄控制南北两岸牵引3～4卷扬机变频器前进或后退。

（3）两岸联动联动工况（以南岸为例）：南岸主索道操作台一起升1操作手柄对应集中控制南北两岸起升1～4卷扬机变频器;牵引1操作手柄对应集中控制南北两岸牵引1～4卷扬机变频器。

（4）解锁工况（以南岸为例）：南北两岸主索道操作台一、二操作手柄只能操作在本岸对应的卷扬机变频器。

1.3.2现场就地操作

操作过程为：每个集装箱电气室都设置有一个线控手操盒就地操作卷扬机变频器，手操盒上有模式转换开关（远程/手操就地），启动按钮、停止按钮，4个转换开关的作用分别为：转换开关2、3控制起升一/三卷扬机变频器升降、起升二/四卷扬机变频器升降;转换开关3、4控制牵引一/三卷扬机变频器升降，牵引二/四卷扬机变频器升降。速度有慢速和快速两个档位。

手操盒上控制模式转换开关1拨到远程时，只能远程在操作室操作台上控制，手操盒就操作不了卷扬机变频器;控制模式转换开关1拨到手操时，远程操作不起作用，操作台的操作手柄控制不了卷扬机变频器，如想远程控制则要把控制模式转换开关1拨到远程。详见图4。

1.4缆索起重机安全监控系统

1.4.1 纜索起重机安全监控系统现状

由于传统的缆索起重机安全监控系统缺少以工控机为核心的可视化、信息化安全监控系统，各连接部件未采用以太网方式通信，不能通过网络通信实时了解缆索起重机工作状态和查看其系统数据信息。而对于大型缆索起重机安全性能要求高，需要实时了解缆索起重机系统运行状态，操作人员需能查看工控机上的数据信息了解缆索起重机的工作情况、吊重重量、拉力情况，方便操作。

1.4.2智能化改造后的安全监控系统

1.4.2.1安全监控系统组成

新型的缆索起重机安全监控系统是由信息采集单元、信息处理单元、信息输出单元、信息显示单元、通信单元组成的具有信息化管理平台的安全监控系统。

信息采集单元：变频器、限位开关、编码器、重量传感器、拉力传感器、风速仪、操作元件、摄像头等。

信息处理单元：荷载限制器、可编程控制器PLC、工控機。

信息输出单元：可编程控制器PLC。

信息显示单元：安全监控台工控机、操作台视频监控显示器、操作台触摸屏。

通信单元：多模光纤、无线通信设备。

南北两岸各设置一个操作室，操作室内有2个主索道操作台、1个工作索道操作台、1台安全监控台工控机。每个操作台上有一个视频显示器用于监控卷扬机的动作情况，有一个触摸屏显示器用于显示当前操作机构及联动机构的相应工况，一台安全监控台工控机用于显示整个系统的运行状态。

1.4.2.2安全监控系统主要功能

安全监控台工控机是缆索起重机监控系统的核心组成，工控机通过交换机与各采集软件进行通信，包括数据采集显示、机构状态、故障查询报警、数据查询、系统调试等。系统主要功能有：

（1）状态实时监测功能。实时显示当前起重机各机构的状态信息：主索、工作索起升，牵引的状态、位置、动作，电气参数，风速，辅助机构状态、网络通信状态、紧停状态等。对事故易发设备和重点关键设备的运行情况进行实时监测，同时对采集的数据进行分析整理，采集报警信息并存储报警记录。

（2）历史数据分析功能。提供对历史数据的保存、支持多种形式报警、趋势分析等功能，方便对现场数据的事故分析。

（3）运行统计功能。对运行时间、作业操作时间等运行数据进行实时统计。

（4）VV田发布功能。实现缆索起重机运行信息的画面发布和数据发布，系统管理人员或企业领导可通过Internet远程查看各设备的运行信息，实现远程监视和管理。通过网络能够在任何地方获得与在WEB服务器上一样的画面和数据、报表、报警、趋势曲线显示。

2工程应用

2.1缆索起重机概况

平南三桥缆索起重机由2组主索道系统和4组工作索系统组成，按两塔三跨布置，主跨601m，吊装能力为2×110t，具备横向移动功能，横向覆盖范围为36.5m。

每组主索道由8根φ50m密封钢丝绳组成，单组索有两个吊点，2个吊点的间距为15.5m。单个吊点起重动力采用2台10t卷扬机，全桥2套主索配备8台10t卷扬机;牵引动力采用2台20t卷扬机，全桥配备8台20t卷扬机。每组工作索由1根φ50mm密封钢丝绳组成，1组工作索吊点起重采用1台5t卷扬机，全桥4组工作索配备4台5t卷扬机;牵引动力采用1台5t摩擦式快速卷扬机，全桥配备4台5t摩擦式快速卷扬机。

缆索起重机由电源系统、拖动系统，以PLC为核心的控制系统、安全监控系统等组成。系统采用模块化设计，分组布置，分为南岸主索道集装箱一、二电气室，南岸主索道操作台一、二，南岸工作索道集装箱三电气室、南岸工作索道操作台;北岸主索道集装箱五、六电气室，北岸主索道操作台一、二，北岸工作索道集装箱四电气室、北岸工作索道操作台。共有6个集装箱电气室，6个控制操作台。一个集装箱电气室和一个操作台为一组，每组为一套独立控制系统，且又能通过光纤以太网的通信方式连接组成一套整体的缆索起重机控制系统。系统具有远程集中控制，远程多操作模式控制，就地控制，超载、超限自动停机，运行轨迹监控等功能，关键部位受力则采用视频监控系统进行实时监测，实现大型缆索吊装信息化施工，对安全施工提供可靠的技术保障。

2.2缆索起重机智能化改造的成果

通过对缆索起重机采用可编程控制器PLC作为核心处理器，采用变频器输出控制电机，改善了传统缆索起重机控制系统在设备频繁启动工作过程中故障多、性能不稳定、可靠性差、不是远程操作的缺点。可编程控制器PLC具备强大的故障诊断及判断功能，能够准确可靠地监控系统运行状况，出现故障时系统可及时发出警报，并立即停机，保证了整个系统具有极高的可靠性。PLC配合安全监控台工控机与人机界面，将实际工况实时直观地展示在操作人员面前，实现了缆索吊装信息化施工，对安全施工提供可靠的技术保证，同时出现故障时方便电气维修技术员对系统进行维护与管理。通信方式由集成总线改为光纤以太网，实现远距离传输，对可编程控制器PLC进行编程梯形图构建逻辑控制，使得缆索起重机操作室能设置在吊装现场，便于查看现场吊装、吊点的工作情况，能集中控制操作，任意一岸的主索操作台能独立完成整个主索的吊装，远程操作实现了多操作模式。缆索起重机多功能模式下的逻辑控制相比机械式的接触器、继电器单一控制更加安全、智能化，操作方便，更能提高工作效率，降低施工难度。

3结语

大跨径桥梁吊装对缆索起重机提出了具有高安全性、信息化管理平台能适应现场复杂的环境、能较好完成吊装任务的要求。传统的缆索起重机电气控制系统已不能满足实际需求，要对缆索起重机进行智能化改造。本文结合平南三桥缆索起重机智能化改造技术研究，系统采用可编程控制器PLC作为核心控制器，用变频器变频输出控制电机，各可编程控制器PLC通信采用光纤以太网连接，通信网络采用冗余设计，通过可编程控制器PLC的逻辑控制，实现了远程控制下的多操作模式，使用安全监控平台工控机实时对系统运行状态进行监控，使得缆索起重机具有远程控制、多种操作模式控制、信息化管理平台等功能。其缆索起重机智能化改造技术可为同类缆索起重设备设计改造提供有益借鉴。