多點液壓同步提升自動化控制系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

孫 燦，李立威

（1.中交武漢港灣工程設計研究院有限公司，武漢 430040；2.海工結(jié)構(gòu)新材料及維護加固技術(shù)湖北省重點實驗室，武漢 430040；3.交通運輸行業(yè)交通基礎設施智能制造技術(shù)研發(fā)中心，武漢 430040）

0 引言

液壓提升系統(tǒng)是集機械、電氣、液壓與自動化控制技術(shù)為一體的多學科交叉系統(tǒng)，已經(jīng)在許多重大工程建設中得到成功應用[1－2]。其傳統(tǒng)工藝是將千斤頂安裝底板固定在提升平臺上作為鋼箱梁的提升機具，高強度、低松弛的鋼絞線作為承重索具，鋼絞線帶著錨頭座與重物構(gòu)件一起吊裝[3]。目前，大部分液壓提升控制系統(tǒng)存在自動化程度低、同步性較差、無鋼絞線卷繞裝置或鋼絞線卷繞散亂等問題，需要過多的人工干預。

針對上述問題，本文以東江南支流港灣大橋鋼箱梁安裝項目為依托，以無人化值守的設計理念，對提升設備的自動化控制系統(tǒng)進行了開發(fā)。首先對提升系統(tǒng)的組成進行了設計，并將液壓馬達主動卷繞鋼絞線應用于提升系統(tǒng)中。然后，從提升系統(tǒng)的工作原理出發(fā)，對提升頂和液壓馬達的工作特性進行了分析。最后，對各設備進行通訊組網(wǎng)，并對控制策略進行了研究，基于TIA Portal、CX－Programmer、EB?PRO 等多種軟件平臺，構(gòu)建了一套多點液壓同步提升自動化控制系統(tǒng)，并依據(jù)提升設備工作特性，開發(fā)完善的報警與安全防護程序。

1 工程概況

東江南支流港灣大橋主橋為主跨320 m的自錨式懸索橋，主跨主纜垂跨比為1∶5，主纜坡度較大，又因提前架設了主纜，纜載吊機與浮吊等常規(guī)吊裝方式難以滿足施工要求。經(jīng)過方案研究，基于液壓提升施工工藝，施工方創(chuàng)新性提出采用倒提升工藝對主梁進行吊裝施工。與傳統(tǒng)工藝相比，倒提升工藝是以懸索橋的主纜為依托，錨頭座固定于臨時索夾處，千斤頂?shù)怪冒惭b在重物構(gòu)件上，與重物構(gòu)件沿著鋼絞線一同向上爬升，吊裝過程中液壓泵站也一同放置于重物構(gòu)件上，解決了作業(yè)場地的問題。

2 提升系統(tǒng)組成

本套液壓提升系統(tǒng)主要包括1臺主控制柜、4臺提升液壓泵站、4 臺提升千斤頂、2 臺卷繞液壓泵站、4 臺液壓馬達卷線盤及其他附件。在進行吊裝時，千斤頂?shù)怪冒惭b在重物構(gòu)件上，如圖1所示，帶著構(gòu)件沿著鋼絞線向上爬升。系統(tǒng)的動力由液壓泵站提供，泵站輸出的液壓油驅(qū)動千斤頂與液壓馬達的相關(guān)動作。控制系統(tǒng)根據(jù)各傳感裝置反饋的數(shù)據(jù)對油路進行協(xié)調(diào)，精確調(diào)節(jié)千斤頂?shù)膭幼骺炻c液壓馬達的間歇性卷繞，實現(xiàn)構(gòu)件的提升作業(yè)。

圖1 設備安裝

現(xiàn)有的鋼絞線卷繞裝置多為被動卷繞，依靠鋼絞線的推力驅(qū)動卷線盤的轉(zhuǎn)動，使得卷繞速度難以匹配千斤頂?shù)乃俣龋瑢е落摻g線卷繞經(jīng)常性出現(xiàn)卡頓、錯層、亂層等現(xiàn)象，需要進行人為疏導[4]。本系統(tǒng)中，鋼絞線采用主動卷繞方式，利用液壓馬達張緊鋼絞線，通過控制系統(tǒng)的協(xié)調(diào)，保證卷繞速度與提升速度的匹配，卷繞馬達卷線盤與油缸支架通過框架固定在一起整體吊裝。

3 提升設備

3.1 提升千斤頂

千斤頂結(jié)構(gòu)如圖2 所示。提升千斤頂主要由主頂、上夾持頂、下夾持頂及其他附屬部件組成，上夾持頂設置在主頂活塞端與活塞一起運動，下夾持頂固定在安裝底板上。夾持頂工作時鎖緊鋼絞線，不工作時放松鋼絞線。液壓泵站向千斤頂供油，推動主頂活塞伸缸或縮缸運動。伸缸時，上夾持頂鎖緊鋼絞線帶著提升重物一同向上移動；縮缸時，下夾持頂鎖緊鋼絞線，活塞回程，準備下一行程的提升[5－6]。

圖2 千斤頂結(jié)構(gòu)

3.2 液壓卷繞馬達

液壓馬達是液壓系統(tǒng)中非常常見的能量轉(zhuǎn)換裝置，廣泛應用于工程機械中，其功能是將液壓能轉(zhuǎn)換為機械能，輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速[7]。在本系統(tǒng)中，使用外控式馬達減速機，帶有單獨的輔助泵控制剎車油路，如圖3 所示，具有耐沖擊和慣性小的特點，與電動機相比，傳動軸瞬間即可反向。液壓馬達帶動滾筒上的鋼絞線，從而實現(xiàn)提升過程中的慢速收卷和快速下放鋼絞線的動作[8]。利用傳感器測量數(shù)據(jù)的反饋，閉環(huán)控制。配置恒張力閥，保障收卷和放卷的均勻控制[9]。

圖3 液壓馬達原理

4 自動化控制系統(tǒng)設計

4.1 控制系統(tǒng)組成

系統(tǒng)中每個液壓泵站為一個分控[10]，控制系統(tǒng)為典型的主從分布式控制系統(tǒng)。其通訊組網(wǎng)如圖4所示，系統(tǒng)通過Con?troller Link、以太網(wǎng)、Profinet DP 等多種方式組網(wǎng)，實現(xiàn)各種不同設備間的數(shù)據(jù)傳輸以及主控的集中控制。

圖4 系統(tǒng)拓撲圖

PLC 可靠性高，具有強大的自我檢測能力，是整個控制系統(tǒng)的核心[11]。提升系統(tǒng)控制模塊選用的是歐姆龍CJ 系列的PLC，基于CX－Programmer對其控制程序進行設計；卷繞系統(tǒng)控制模塊選用的是西門子S7－1200 系列PLC，基于TIA Portal對其控制程序進行設計?？刂颇K具體結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 控制模塊結(jié)構(gòu)

千斤頂和卷繞馬達設置有多種傳感裝置，主要采集信號有千斤頂?shù)奈灰婆c壓力、卷繞馬達的卷繞壓力與制動壓力等。每個千斤頂還配置有8個接近開關(guān)，用于獲取主頂與上下夾持頂?shù)奈恢眯畔?，分別為主頂#1～#4 位、上夾持緊、上夾持松、下夾持緊、下夾持松。

主控PLC 與HMI 集成在一起，對各傳感器采集到的信號進行處理，根據(jù)動作要求編寫相應程序，控制電磁閥的開合，以閉環(huán)的方式實現(xiàn)提升千斤頂伸缸、縮缸、緊上錨、松上錨、緊下錨、松下錨以及卷繞馬達正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)等基本動作的精確控制。

4.2 自動化同步提升卷繞算法

由于鋼箱梁安裝是一個長時間的吊裝過程，操作人員需要時刻保持注意力，為了減少操作人員負擔，避免出現(xiàn)誤操作現(xiàn)象，根據(jù)提升工況與千斤頂動作流程，系統(tǒng)中編寫有自動提升程序，提升過程自動循環(huán)，無需干預。其動作流程如圖6所示。

圖6 自動程序流程

系統(tǒng)中每個千斤頂為一個吊點，為了保證構(gòu)件吊裝姿態(tài)以及各吊點受載均勻，需要實現(xiàn)各千斤頂?shù)募和娇刂?。通過對千斤頂?shù)奈灰撇钸M行判斷，計算各頂比例閥開口大小，對千斤頂速度進行調(diào)節(jié)，保證各吊點的同步，同步控制原理如圖7所示。同時，程序中設置有等待，保證所有千斤頂?shù)耐粍幼髁鞒掏瓿珊螅偻瑫r進行下一流程的動作，盡可能減小誤差。

圖7 同步控制原理

卷繞系統(tǒng)的可控性與穩(wěn)定性可有效減少人員需求，避免人員隨構(gòu)件一起吊裝。在本系統(tǒng)中，提升主控與卷繞主控兩種不同型號的PLC，通過物理接線的方式組合在一起。提升系統(tǒng)PLC 的輸出端接入至卷繞系統(tǒng)PLC 的輸入端，提升系統(tǒng)的狀態(tài)信息可實時傳送至卷繞系統(tǒng)，使得卷繞系統(tǒng)可自動識別提升千斤頂?shù)墓ぷ餍谐膛c空行程，實現(xiàn)間歇性卷繞。操作人員可通過實際卷繞情況對卷繞參數(shù)進行一定的調(diào)整，如卷繞行程設置、卷繞開啟延時、卷繞關(guān)閉延時等，保證卷繞與千斤頂提升的同步性。程序中也設置有壓力保護系統(tǒng)，壓力達到設定值時指令先導式溢流閥動作，實現(xiàn)卷繞馬達的停轉(zhuǎn)，避免出現(xiàn)鋼絞線拉扯現(xiàn)象。

4.3 人機界面設計

工業(yè)觸摸屏在工控領域非常常見，其內(nèi)部端口可以直接通過網(wǎng)絡和PLC 通訊，大大方便了數(shù)據(jù)的處理與傳輸，并且觸摸屏具有良好的電磁兼容性和高抗干擾能力，運行穩(wěn)定可靠[12]。系統(tǒng)主控制柜采用的是威綸通MT8150iE 工業(yè)觸摸屏，人機界面（HMI）對提升過程進行控制與監(jiān)測，實時地響應分控各種參數(shù)的變化，當參數(shù)出現(xiàn)偏差或故障時，能及時地進行報警和處理。圖8～10所示為主控制臺部分操作界面，操作界面還具有歷史數(shù)據(jù)保存功能，為控制系統(tǒng)后續(xù)的數(shù)據(jù)分析和改進提供有價值的參考。

圖8 提升主界面

圖9 卷繞操作界面

4.4 安全保護措施

為了實現(xiàn)無人化值守的目的，在設備端還設置有多組高清網(wǎng)絡攝像頭，便于操作人員了解上下夾持頂以及鋼絞線情況，根據(jù)設備實際運行情況調(diào)整相關(guān)參數(shù)，如預松錨時間、卷繞行程設置與卷繞延時等。同時，程序中還設置有大量保護措施，保障提升過程安全穩(wěn)定。關(guān)鍵安全性保護措施如下。

（1）自鎖功能?？刂葡到y(tǒng)在自動或手動操作過程中，若某臺受控頂?shù)纳舷聤A持頂均不處于夾緊狀態(tài)時，蜂鳴器報警。在自動控制過程中則所有千斤頂?shù)纳旄?、縮缸、松上錨、松下錨等動作停止。

圖10 卷繞隨動參數(shù)設置界面

（2）噸位保護。各吊點設置噸位上限，當?shù)觞c實際噸位超過噸位上限時，觸發(fā)保護程序，上下夾持頂同時鎖緊。

（3）位移差保護。設置位移差上限值，當實際位移差超過剛上限值時，觸發(fā)報警程序，設備停止動作。

（4）防拉窩保護。為了避免鋼絞線出現(xiàn)窩缸或拉扯現(xiàn)象，以下情況會觸發(fā)防窩保護程序：千斤頂上下夾持錨同緊狀態(tài)下，對其主油缸進行伸縮缸操作；上夾持頂緊、下夾持頂預松狀態(tài)下，對其主油缸進行縮缸操作或長時間進行伸缸操作；下夾持頂緊、上夾持頂預松狀態(tài)下，對其主油缸進行伸缸操作或長時間進行縮缸操作。

（5）卷繞壓力保護。設置卷繞壓力上限，避免鋼絞線拉扯而出現(xiàn)鋼絞線損傷的現(xiàn)象。

（6）通訊異常保護。若某臺分控與主控出現(xiàn)通訊故障，立刻停止該分控所有動作。

5 結(jié)束語

本文針對東江南支流港灣大橋倒提升施工的需要，對液壓提升系統(tǒng)控制策略進行研究，構(gòu)建了一套同步提升與卷繞匹配控制系統(tǒng)。目前，該控制系統(tǒng)已經(jīng)成功應用于港灣大橋的建設中，系統(tǒng)能實現(xiàn)全自動同步動作、保持負載均衡、卷繞速度匹配，具備過程狀態(tài)顯示及故障預警等多種功能，整體運行穩(wěn)定、人工干預少、安全可靠，達到了預期的效果。該系統(tǒng)具有如下技術(shù)特點。

（1）系統(tǒng)運用液壓傳動和PLC 控制技術(shù)實現(xiàn)了對設備的自動化控制，施工效率得到了提升，速度由之前的12 m/h 提高到18 m/h。同時，自動化控制也大大減少了主控人員的工作強度。

（2）通過多種通訊技術(shù)實現(xiàn)了控制系統(tǒng)的集中化，并設計UI 進行數(shù)據(jù)可視化，增加了設備的可控性，僅需1 名主控人員與1名觀察人員即可完成吊裝過程。

（3）控制系統(tǒng)通過對位移量與負載的實時測量，快速識別各吊點的不平衡量，自動調(diào)節(jié)液壓系統(tǒng)的執(zhí)行參數(shù)，來達到控制各吊點的同步性，確保受力的均勻，同步精度可達到3 mm。

（4）針對被動卷繞現(xiàn)有缺陷，設計實現(xiàn)了一套卷繞速度完全匹配提升千斤頂?shù)匿摻g線主動卷繞裝置，減少了人為疏導，至少節(jié)省了4名操作人員。

（5）完善的報警信息與安全保護功能，多達143 條報警信息全方位保證系統(tǒng)安全可靠運行，最大限度避免人員誤操作造成的失誤。