德龍煙黃河特大橋上拱弦檢查車電氣控制技術(shù)

高宜剛

(武橋重工集團股份有限公司，湖北 武漢 430000)

0 引言

德龍煙黃河特大橋位于德大線電氣化鐵路上，是目前國內(nèi)設(shè)計比較新穎的大橋之一，全長約8.1 千米，全橋214 個墩臺，主橋結(jié)構(gòu)為下承式“N”形連續(xù)鋼桁梁，最大跨度180 米，是黃河流域跨度最大、長度最長的鐵路鋼結(jié)構(gòu)橋梁。由于該橋在設(shè)計上結(jié)構(gòu)新穎，工法比較特殊，復(fù)雜，橋面坡度大，檢修施工十分困難，我們針對上拱弦，設(shè)計了爬坡式檢查車，該機電氣系統(tǒng)較以往同類產(chǎn)品，有較大改進。

1 檢查車概況

德龍煙黃河特大橋上拱弦檢查車（下文簡稱檢查車）由上、下車體和吊籃組成。上車體由鋼架組成，全長約20 米，下車體左右兩側(cè)各有8 個走行輪，吊籃位于上車體的車架上。檢查車的額定走行速度為3米/分鐘，吊籃的額定起升速度為8 米/分鐘，額定載重量為250kg。

2 檢查車電氣系統(tǒng)

本車由大車走行機構(gòu)、主吊籃起升機構(gòu)、主吊籃走行機構(gòu)和調(diào)平機構(gòu)組成。其中，大車走行機構(gòu)由4 臺5.5kW 走行電機組成，呈矩形分布在下車體左右兩側(cè)，主要用于檢查車的前進和后退動作，吊籃起升機構(gòu)由4 臺0.75kW 的電機組成，位于吊籃處，控制吊籃的升降功能，吊籃走行機構(gòu)由4 臺0.1kW 的電機組成，也位于吊籃處，主要控制吊籃的左右走行功能，調(diào)平機構(gòu)包括由2 臺0.75kW 的調(diào)平電機和分別驅(qū)動的兩組伸縮式驅(qū)動桿，對稱安裝于左、右、上、下車體連接處。

由于吊籃下部是27.5kV 的高壓接觸網(wǎng)，本機在吊籃底部還安裝有高壓防電板和高壓電報警器。此外，本車各走行輪夾緊機構(gòu)的彈簧軸上還裝有輪輻式拉壓力傳感器，用于大車走行輪附著力的檢測。

本檢查車的走行機構(gòu)和起升機構(gòu)電機均采用變頻驅(qū)動技術(shù)，整機采用PLC 控制。電氣系統(tǒng)框圖如圖1 所示。

圖1 電氣系統(tǒng)框圖

2.1 供電系統(tǒng)

由于檢查車用于橋梁檢查維修作業(yè)，整機供電不能采用有線電纜的方式，我們采用了柴油發(fā)電機對整個系統(tǒng)進行供電。該發(fā)電機位于上車體鋼架旁搭起的平臺上，為整車提供AC380V、頻率50Hz 的動力電源，并且配有220V 電瓶給整車照明系統(tǒng)供電。整個發(fā)電機為框架式，防護等級達到IP65，為在陰雨天和酸堿環(huán)境中工作提供了有力保障。

2.2 電氣驅(qū)動系統(tǒng)

檢查車的各走行電機和吊籃起升電機均使用變頻器驅(qū)動?？紤]到平移和起升工況，選用了安川H1000 系列高性能變頻器，該變頻器具有針對起重設(shè)備特殊的應(yīng)用功能。

（1）能設(shè)置起重機功能模式，通過設(shè)置變頻器頻率輸出參數(shù)，將輸出頻率設(shè)置為不同的幾段頻率，可以實現(xiàn)走行機構(gòu)和吊籃起升機構(gòu)的調(diào)速功能。以前在不使用變頻器的時候，速度難以控制，工作效率很低，危險性很大。

（2）變頻器內(nèi)置了機械抱閘邏輯順序控制功能，啟動電流平穩(wěn)，系統(tǒng)沖擊性較小。在以前沒有使用變頻驅(qū)動的情況下，啟動電流和沖擊較大，在時序配合不好的情況下容易產(chǎn)生溜鉤現(xiàn)象。

（3）使用高性能矢量控制，具備高力矩啟動和快速響應(yīng)功能。

（4）更快速的電氣制動。本機帶有制動電阻，在制動的時候可以獲得更大的制動力。

2.2.1 大車走行機構(gòu)驅(qū)動

左右兩側(cè)大車走行機構(gòu)共采用了4 臺5.5kW 變頻電機，左右各2臺，分別由兩臺變頻器來驅(qū)動一側(cè)的走行電機，變頻器采用V/F 控制模式。變頻器的輸出速度初步設(shè)為額定值的20%、50%、100%（可以根據(jù)現(xiàn)場實際情況來調(diào)整設(shè)置）。當(dāng)大車走行速度由高速轉(zhuǎn)向低速時，電動機將處于發(fā)電制動狀態(tài)，這部分能量將通過變頻器制動單元經(jīng)制動電阻發(fā)熱消散掉，大車運行機構(gòu)制動減速。大車電氣制動后再機械制動，以保證大車的平穩(wěn)性和低沖擊性。

2.2.2 吊籃起升和走行機構(gòu)驅(qū)動

吊籃走行機構(gòu)由4 臺功率0.1kW 的電機組成，由同一變頻器驅(qū)動，對稱安裝于上車體吊籃上方。吊籃起升機構(gòu)由4 臺功率0.75kW 的電機組成，分別由兩臺變頻器進行驅(qū)動，起升電機安裝在吊籃上方，通過4 根鋼絲繩卷筒和吊籃連接。變頻器的輸出速度初步設(shè)為額定值的20%、50%、100%（可以根據(jù)現(xiàn)場實際情況來調(diào)整設(shè)置），可以通過操作臺來進行起升速度和走行速度調(diào)整。由于吊籃起升電機和走行電機功率較小，直接采用電磁制動和機械制動。

2.2.3 調(diào)平機構(gòu)驅(qū)動

本檢查車具有“爬坡”的工況，在爬坡的時候可以通過調(diào)平機構(gòu)來調(diào)整主桁架的水平度。調(diào)平機構(gòu)由兩臺0.75kW 的電機組成，對稱安裝于左右兩側(cè)，通過電機來調(diào)節(jié)連接主桁架的蝸桿的收放，兩臺電機采用直接啟動方式啟動。

2.3 電氣控制系統(tǒng)

本機的控制系統(tǒng)采用西門子S7-200 系列可編程控制器PLC 為控制核心，PLC 安裝在控制柜內(nèi)。較以往繼電器控制，PLC 控制具有更高的可靠性、編程和修改方便等特點，并且大大節(jié)省了空間，操作也得到了簡化。控制柜和操作面板設(shè)置為一體式，控制面板安裝在控制柜上方，呈傾斜式，防護等級達到IP65。PLC 負(fù)責(zé)對系統(tǒng)所有的輸入點、輸出點的運算控制，同時還具備強大的故障診斷和判斷功能，能夠準(zhǔn)確可靠的對整個系統(tǒng)運行進行監(jiān)控，并負(fù)責(zé)與觸摸屏之間進行通訊。

2.3.1 PLC 組成

本機PLC 的中央處理單元型號為CPU224，電源模塊采用明緯NES-100-24，并配有2 個EM223 數(shù)字量輸入輸出單元和1 個EM231模擬量輸入單元及其他相關(guān)附件。

PLC 輸入點的電壓為DC24V，輸入信號包括：操作臺各旋鈕開關(guān)信號、變頻器故障及制動信號、各限位開關(guān)信號、大風(fēng)報警信號以及高壓報警器信號等。PLC 的輸出控制點的電壓為DC24V，輸出信號包括變頻器控制端子信號、制動信號、指示燈信號以及各種報警信號等。

2.3.2 大車調(diào)平控制系統(tǒng)

當(dāng)大車走行爬坡時，調(diào)平機構(gòu)需對大車車架進行調(diào)平。調(diào)平模式分為自動調(diào)平和手動調(diào)平模式兩種，可以通過“調(diào)平模式”選擇開關(guān)進行選擇。當(dāng)“調(diào)平模式”處于“手動調(diào)平”時，操作人員可以對大車車架進行手動調(diào)平。當(dāng)調(diào)平機構(gòu)的左右調(diào)平速度一致時可將“調(diào)平選擇”旋轉(zhuǎn)開關(guān)旋轉(zhuǎn)到聯(lián)動檔，再根據(jù)需要選擇“調(diào)平”旋轉(zhuǎn)開關(guān)的伸/縮以及靜止等操作。當(dāng)調(diào)平機構(gòu)的左右調(diào)平不一致時可將“調(diào)平選擇”旋轉(zhuǎn)開關(guān)旋轉(zhuǎn)到左/右單動檔，再根據(jù)需要選擇“調(diào)平”旋轉(zhuǎn)開關(guān)的伸/縮以及靜止等操作直到調(diào)平機構(gòu)的左右調(diào)平一致時為止。當(dāng)“調(diào)平模式”處于“自動調(diào)平”模式時，應(yīng)先在大車車架位于水平位置時，按下“零位校正”按鈕，使系統(tǒng)對大車的水平位置進行保存。當(dāng)大車開始走行時，角度傳感器會根據(jù)“零位校正”按鈕所保存的初始位置進行自動調(diào)平。

2.3.3 大車走行機構(gòu)控制

先將“機構(gòu)選擇”選擇開關(guān)調(diào)至“大車走行”檔，再根據(jù)實際情況將“大車走行”選擇開關(guān)調(diào)至“聯(lián)動/左單動/右單動”，然后旋轉(zhuǎn)“速度給定”開關(guān)給定走行速度。前進和后退走行速度各有兩檔速度：慢速、額定速度。若想停止運行則將“速度給定”開關(guān)調(diào)至零位。

在兩側(cè)大車走行輪處安裝有極限限位裝置，當(dāng)大車走行到極限位置碰觸到此裝置時，大車走行電源切斷，走行停止。

2.3.4 吊籃機構(gòu)控制

操作臺上設(shè)有“機構(gòu)選擇”開關(guān)，可以選擇吊籃“主吊籃起升”或“主吊籃走行”模式，兩者通過程序設(shè)置為互鎖狀態(tài)。

當(dāng)選擇“主吊籃升降”模式，“主吊籃走行”禁止動作。主吊籃起升電機左右兩側(cè)兩臺各為一組同步運行，可以選擇“聯(lián)動”檔使四臺電機同時升降，當(dāng)兩側(cè)出現(xiàn)“一高一低”不平現(xiàn)象時，可以選擇左側(cè)或者右側(cè)單獨動作，從而來調(diào)節(jié)吊籃的平穩(wěn)性。

當(dāng)選擇“主吊籃走行”模式，“主吊籃升降”禁止動作。主吊籃走行四臺電機同時走行，可以通過“速度給定”旋鈕給定走行速度。

2.4 電氣安全保護裝置

2.4.1 高壓報警系統(tǒng)

由于檢查車下方是高壓接觸網(wǎng)，因此本機設(shè)置了高壓報警系統(tǒng)。此智能預(yù)警系統(tǒng)分為兩個發(fā)射模塊（檢測端）和接收模塊（接收端），2.4G 無線傳輸方式，無障礙情況下傳輸距離可達200 米，滿足現(xiàn)場距離要求。接收模塊裝在控制柜內(nèi)，發(fā)射模塊裝在吊籃底部。

防觸電預(yù)警器可以放在工作人員口袋或者安全帽內(nèi)，便于實時提醒工作人員注意當(dāng)時電壓等級，保護自身安全。報警系統(tǒng)能在距離高壓接觸網(wǎng)2 米外開始報警提醒操作人員注意，1 米外時接收模塊發(fā)出限動指令，保護設(shè)備及人員安全。

2.4.2 大風(fēng)報警系統(tǒng)

在檢查車上車體上裝有風(fēng)杯檢測風(fēng)速，風(fēng)力等級可在觸摸屏上顯示。當(dāng)風(fēng)速超過規(guī)定時，發(fā)出報警和限動信號，防止意外發(fā)生。

2.4.3 各機構(gòu)安全裝置

大車走行機構(gòu)、吊籃走行機構(gòu)和吊籃升降機構(gòu)均設(shè)有極限限位裝置，使檢查車在安全范圍內(nèi)工作。操作臺設(shè)有聲光報警系統(tǒng)，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，發(fā)出聲光報警，提醒操作人員注意。

3 檢查車電氣系統(tǒng)特點

3.1 自動調(diào)平功能

為了使檢查車的調(diào)平系統(tǒng)更加智能化，本機設(shè)置了自動調(diào)平機構(gòu)。下車體安裝的角度傳感器可以實時的測量爬坡角度，并將角度模擬量信號傳給控制器，控制器將收集到的信號和“零位校正”角度進行對比計算，然后經(jīng)過輸出信號對伸縮桿電機進行控制。

3.2 走行輪壓力顯示及報警

安裝于走行輪處的32 個輪輻式壓力傳感器可以實時檢測走行輪的附著力，并且在觸摸屏上顯示出來，如果有超過或者低于設(shè)計基準(zhǔn)值時，會發(fā)出報警信號，并且限制整車運行。

3.3 高壓電報警

由于檢查車運行的下方是高壓接觸網(wǎng)，需在它的安全范圍內(nèi)進行檢查維修工作。本車的高壓電報警系統(tǒng)可以有效的防止吊籃運行到高壓接觸網(wǎng)的放電危險空間，并且配有聲光報警系統(tǒng)提醒工作人員注意，可靠的保證了工作人員的人生安全。

［1］傅德源.實用起重機電氣技術(shù)手冊[S].2 版

［2］SIMATIC S7－200 可編程控制器[S].西門子（中國）有限公司.