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大型塔机安全监控系统的研制与技术指标分析

来源:恺德尔起重机安全监控管理系统专家 发表日期: 2016-09-02 17:36:00

1996年我院承担了“九五”国家重点科技攻关课题“大型塔式起重机及关键配套技术”,其中的“大型塔机安全监控保护系统的研究”专题的攻关任务和目标主要是研制一套达到国外90年代技术水平的3150KNm塔机安全监控系统,对塔机起吊力矩、起重量、小车幅度、吊钩高度、风速等多路参数进行实时监控,并逐步在我国其它类型的塔机上应用。本专题研制开发工作已按计划完成,在我院TC6020塔机上进行了试验及工业考核,此后安装在我院和江麓厂共同开发的3150KNm塔机上,于2000年12月顺利通过建设部验收。


力矩信号是塔机安全监控中最重要的参数,它直接影响塔机的安全,监控力矩是否超载是防止塔机司机误操作及疏忽操作而引起塔机恶性事故的保障。以往的力矩保护主要有电子式重量x幅度力矩限制、弓板式行程开关力矩限制器等方式,存在可靠性差、精度低、重复性差、不能连续直观显示等缺点。本系统采用位移传感器直接检测弓形板位移,采用西门子可编程序控制器、彩色触摸屏作为核心处理及终端显示部件,在系统可靠性、精度及显示直观性上有了较大的提高。


在力矩传感器的选择上,我们选用了差动变压器式位移传感器检测弓形板位移。该传感器具有稳定性好、可靠性高、重复性好、精度高等特点针对塔机露天工况,我们在传感器外壳上加装了绝缘护套,栗用环氧树脂灌封,提高了防护等级,保证其长期可靠的 运行。


由于3150塔机三大机构均采用变频调速,且在吊重下放时位能负载能量回馈电网,因此电网供电存在较严重的高次谐波干扰,对塔机安全监控管理系统的正常工作有较大的影响。我们设计了隔离型带屏蔽电源变压器,隔离电网引入的干扰,同时充分考虑因电机大电流启动造成的电压突降,为监控系统提供干净稳定的电源。


我们根据以往在工控仪表上的设计经验自行开发了一套电路模块.采用了多种新型Ic芯片及各种抗干扰措施。在电路设计上采用新型电源Ic芯片为传感器及放大电路供电,频率特性良好的钽电容滤除尖峰干扰;放大电路部分,设计了多块高精度、低漂移进口Ic芯片完成有源滤波、放大调节等功能;另外在印制电路板设计及系统元部件布局上,充分考虑电源线、信号线及各模块的排列布置,采用屏蔽电缆连接各信号线,防止信号的相互干扰。


塔机安全监控管理系统的核心控制部分采用西门子s7系列可编程序控制器及扩展模块。该部分完成了各路信号的模一数转换、数据处理、继电输出控制、与触摸屏的数据通讯等功能系统在检测弓形板位移时.由于塔机的弹性变形,其变形量在起吊后数十秒内会产生尖峰值及震荡,类似于阶跃响应。在PLC软件设计上,设计数字滤波程序,消除震荡及瞬时干扰产生的读数误差及误动作报警。


塔机安全监控管理系统输入输出的非线性对系统精度的影响是本次专题研究的重点和难点,在我院孙在鲁研究员的指导下,考虑到从起吊力矩输入到弓形板位移输出(电路调理部分线性精度很高,可不考虑)过程中产生的非线性误差,孙总指导我们采用泰勒级数展开多项式对曲线进行拟合,以保证系统的精度。其公式如下:M=Ao+AIX+A2X+A]X其中:M——各次实测力矩值x——各次PLC读取数值(调节电路,使M=0/X=0)An、A。、A、A厂一求各阶常数由M=0,X=0可得A0=0另参考有关书籍文献中曲线拟合的方法,在实验中采取最小二乘法拟合曲线,即分别起吊额定力矩的110%、100%、95%、85%等多点力矩值,得到多组M—x数据并列出相应的法方程,通过克莱姆法则求船行列式,可得到常数A、A、。


针对起吊后产生的最大超调值可能引起继电保护输出动作,而实际力矩(稳定后数值)并未过载,必须在软件设计上进行处理,防止可能产生的误动作。塔机的起吊重量也是非常重要的参数之一,我们借鉴德国利勃海尔塔机监控方案,采用轴销式电阻应变片式传感器测量钢丝绳的张力变化,结合当前的倍率参数计算出起吊重量,可在对应倍率状态下限制对应的起吊重量。


小车幅度、吊钩高度信号采用高精度电位器测量钢丝绳滚筒的角度位移量,风速信号采用标准风速传感器产生脉冲,以上信号经信号调理电路处理后,输入至可编程序控制器转换为数字量在进行运算处理。


塔机安全监控管理系统实现了系统故障自诊断功能,系统上电后将对各传感器、触摸屏电路及连线进行自检,若力矩等各路信号电压不在正常范围内,PLC将输出声光报警(此时继电保护输出不动作),触摸屏中文信息条将提示司机对应信号回路有故障需要检修.防止因回路故障造成系统过载而不能继电报警保护。此时系统自动将故障信息永久保存在触摸屏内,以备日后查询在系统的终端显示上,采用了与PLC配套的西门子彩色触摸屏。该设备集显示和按键于一体.体积小、 ,画面清晰美观,全中文界面,司机操作直观简单我们利用西门子提供的触摸屏设计软件,在PC个人电脑上组态所需功能,然后下载至触摸屏我们在触摸屏上设计了动态光柱显示画面、数字显示画面、故障信息提示画面、系统调试画面、实时力矩变化曲线等功能画面旃摸屏实时动态采样PLC的各参数数据并显示对应数值,同时转换为动态光柱的颜色填充。当参数超过设定值时将变化颜色并闪烁报警,并将数据自动保存在触摸屏存储器内(永久保存)可永久存储当前过载值、其他各路参数当前值、当前时间和日期,过载消除后再存储恢复时刻的数据(可保存一千次以上的数据)。此黑匣功能可在事故发生后对存储数据进行分析,查找事故原因及责任。


塔机安全监控管理系统在完成实验室调试后,安装在中联重科TC6020型塔机上进行了调试和实验,通过对硬、软件的进一步完善,实验结果完全达到专题合同要求。实验完成后交付给塔机司机使用,进行了近两个月的工业考核,系统运行一直稳定可靠,能够为司机正确指示各路参数。此后系统安装至湘潭江麓厂试制的3150KNm塔机上,经调试后系统正常工作,并于2000年I2月顺利通过建设部验收,经专家评审认为该专题成果为国内首创。


从本专题系统完成后的情况来看,本专题的设置基本上是合理的、科学性较强。它涉及了我国起重机械中的安全问题,提出的目标达到了国际上90年代的先进水平。本系统存在的主要问题是成本较高,这给推广应用带来一定的困难。但根据我们研制总结的经验来看,如果抓住主要矛盾,突出要害参数(如力矩和重量),将成本降低到我国塔机行业可以接受的水平是完全可能的。



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