基于PLC的主纜緊纜機智能控制系統(tǒng)設(shè)計

謝 詩，呂振剛，劉 俊，王躍學，郭世滔，林學政

(柳州歐維姆機械股份有限公司,廣西 柳州 545005)

0 引言

特大跨徑懸索橋施工一般需要三大設(shè)備參與，按工序為緊纜機、纜載吊機、纏絲機。緊纜機用于主纜的緊纜，纜載吊機用于主梁吊裝，纏絲機用于主纜纏絲成束。作為關(guān)鍵施工的第一步工序，緊纜機需要為后續(xù)工序打好基礎(chǔ)，這個基礎(chǔ)就是將主纜緊固到設(shè)計的直徑和空隙率，否則將影響索夾的安裝、纜載吊機的行走、纏絲的緊密性。懸索橋主纜索股垂度調(diào)整結(jié)束后，索股間與索股內(nèi)部一般存在較大空隙，使得其表觀一般為非圓形且直徑比要求直徑要大。

傳統(tǒng)緊纜機為人工目測手動泵站上的壓力表、配合鋼尺或卷尺讀數(shù)來判斷緊纜是否合格，這樣的方式難以避免人為因素的誤差，應(yīng)采用一種更準確、效率更高、更安全的緊纜機智能控制系統(tǒng)，為此，本文設(shè)計了一種基于PLC控制器的緊纜機智能控制系統(tǒng)。

1 緊纜機智能控制系統(tǒng)

OVM緊纜機設(shè)備由1套控制系統(tǒng)、2臺液壓泵站、6臺千斤頂和1套鋼結(jié)構(gòu)部分組成，主要用于對主纜進行緊纜作業(yè)，此外還設(shè)計了液壓馬達絞車裝置，用于緊纜機自身的移動，在爬坡能力范圍內(nèi)，不需要借助卷揚機拖拉移動。每臺千斤頂安裝的傳感器有位移傳感器、壓力傳感器兩種，分別用于監(jiān)測千斤頂活塞伸出量和千斤頂負載。緊纜機智能控制系統(tǒng)通過可編程邏輯控制器(PLC,Programmable Logic Controller)、人機界面(HMI,Human Machine Interface)、位移傳感器、壓力傳感器等智能元件實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、邏輯運算、指令命令環(huán)節(jié)，控制緊纜機按照設(shè)計的動作順序和設(shè)定的參數(shù)要求完成緊纜作業(yè)和絞車移動，還可以進行數(shù)據(jù)存儲和安全報警。

緊纜機智能控制系統(tǒng)基于PLC技術(shù)、傳感器技術(shù)、液壓技術(shù)、千斤頂技術(shù)等實現(xiàn)緊纜作業(yè)的智能化、數(shù)字化，緊纜千斤頂油缸采用位移同步、壓力同步等調(diào)節(jié)方式保證緊纜圓度和緊纜安全，在減少人工操作產(chǎn)生的誤差的同時，也提高了施工質(zhì)量與施工效率。

2 緊纜機智能控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計

緊纜機智能控制系統(tǒng)的硬件主要有PLC、HMI、傳感器、開關(guān)旋鈕等四大部分，硬件結(jié)構(gòu)的連接如圖1所示。

圖1 緊纜機智能控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

PLC用于采集開關(guān)旋鈕、傳感器的信號并進行信號識別、模數(shù)轉(zhuǎn)換和邏輯編程，并將信號信息實時顯示在HMI上，供操作人員實時掌握設(shè)備動態(tài)，同時接收HMI寫入的參數(shù)設(shè)定數(shù)據(jù)，與操作信號、傳感器數(shù)據(jù)進行邏輯運算，輸出控制命令驅(qū)動電磁閥動作，完成千斤頂?shù)纳旄谆蚩s缸動作或絞車的正反轉(zhuǎn)動作。

2.1 PLC配線設(shè)計

PLC采用的是OMRON公司CJ系列模塊型產(chǎn)品，包括CPU單元CJ2M-CPU11、一片DI單元CJ1W-ID211、兩片DO單元CJ1W-OC211、兩片AI單元CJ1W-AD081-V1。人機交互設(shè)備采用的是威綸通MT8071iE型工業(yè)觸摸屏，PLC通過CPU11單元搭載的RS232串口與觸摸屏進行通信，RS232通信穩(wěn)定且性價比高，在工控領(lǐng)域短距離通信上應(yīng)用廣泛。根據(jù)緊纜機緊纜、行走等功能需求，進行了電氣原理圖設(shè)計，開關(guān)量輸入、輸出端子分配如表1所示。位移傳感器、壓力傳感器為4 mA～20 mA標準二線制電流模擬量信號，模擬量輸入模塊的接線圖如圖2所示。

表1 緊纜機智能控制系統(tǒng)DI/DO單元端子分配表

圖2 模擬量輸入模塊接線示意圖

2.2 傳感器設(shè)計

位移傳感器用于測量千斤頂活塞的伸出量，采用拉繩式位移傳感器，拉繩通過鎖扣與活塞頂端固定。當活塞運動時，鋼繩帶動傳感器傳動機構(gòu)和傳感元件同步轉(zhuǎn)動，并在繩索收縮過程中保持其張力不變，從而輸出一個與繩索移動量成正比例的電信號，得到千斤頂活塞的伸出值。通過千斤頂活塞伸出量，可以計算出主纜的實時橫縱直徑，為緊纜作業(yè)提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

壓力傳感器用于測量千斤頂?shù)呢撦d，在千斤頂推動緊固蹄接觸到主纜并持續(xù)緊纜的過程中，千斤頂與主纜間產(chǎn)生相互作用力，此時可以通過千斤頂?shù)呢撦d來判斷此相互作用力的大小。當6臺千斤頂同時工作時，負載的大小不一定相同，若相差過大，則說明緊纜過程中出現(xiàn)受力嚴重不均的現(xiàn)象，超過允許范圍必須進行報警停機，否則有可能會發(fā)生傾斜甚至傾翻事故，因此系統(tǒng)設(shè)置有壓差報警，以保證人員、設(shè)備與主纜的安全。

圖3為緊纜機傳感器安裝示意圖。

圖3 緊纜機傳感器安裝示意圖

傳感器數(shù)據(jù)提供給控制單元結(jié)構(gòu)的位置或受力信息，為緊纜機將主纜緊固為圓型并使其空隙率降至要求范圍內(nèi)提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，同時提供實時數(shù)據(jù)與安全基準數(shù)據(jù)進行比對，因此系統(tǒng)具備安全預(yù)警功能，同時進行數(shù)據(jù)自動記錄與儲存，實現(xiàn)數(shù)據(jù)溯源管理。

3 緊纜機智能控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計

緊纜機智能控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計包含PLC控制程序設(shè)計和HMI界面程序設(shè)計。

3.1 PLC控制程序設(shè)計

PLC編程軟件采用CX-Programmer，它是集梯形圖編程、通信端口參數(shù)設(shè)定、模擬量采集單元參數(shù)設(shè)定、濾波參數(shù)設(shè)定等功能為一體的編程軟件，功能完善、使用簡單。

根據(jù)緊纜作業(yè)的工藝過程要求，控制系統(tǒng)具備手動模式和自動模式兩種操作方式，手動模式下需要選擇千斤頂模式或絞車模式，兩種模式切換互鎖，保證模式不混淆，確保安全。手動模式對千斤頂進行點動或持續(xù)按動操作，可以實現(xiàn)千斤頂?shù)纳旄谆蚩s缸動作。同樣，通過對液壓絞車進行正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)操作，可以實現(xiàn)整個緊纜機設(shè)備前進或后退動作。設(shè)計的智能控制系統(tǒng)的手動動作流程如圖4所示。

圖4 緊纜機智能控制系統(tǒng)手動動作流程

自動模式下可以實現(xiàn)緊纜機智能緊纜及千斤頂自動回程的功能。在智能緊纜過程中，需要6臺千斤頂同時工作，縱軸向由上下2臺千斤頂控制、橫軸向由4臺千斤頂控制，以橫縱徑設(shè)定的緊纜直徑、位移傳感器數(shù)據(jù)與緊固蹄原始直徑為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進行過程實時目標比對從而完成自動緊纜作業(yè)，當主纜橫縱向纜徑達到設(shè)定值，則緊纜機橫縱千斤頂自動停止緊纜動作。同時，為了保證緊纜過程平穩(wěn)及主纜緊纜盡可能接近圓形外形，在自動緊纜過程中對6臺千斤頂?shù)幕钊斐隽窟M行同步動作控制，當有位移差超過同步精度允許范圍時，通過控制液壓伸缸電磁閥和減速閥的配合動作，實現(xiàn)位移同步控制，保證緊纜的精度與質(zhì)量。緊纜結(jié)束后，千斤頂一鍵自動回程。設(shè)計的智能控制系統(tǒng)的自動動作流程如圖5所示。在圖5中，S為同步控制精度設(shè)定值，Δi為該運行千斤頂位移值與基準位移值的差值(i為千斤頂編號，編號范圍1～6)，S-2為用于判斷同步調(diào)整結(jié)束的回差值。

圖5 緊纜機智能控制系統(tǒng)自動動作流程

3.2 HMI界面設(shè)計

緊纜機智能控制系統(tǒng)的人機交互設(shè)備為威綸通MT8071iE型工業(yè)觸摸屏，HMI界面主要設(shè)計了緊纜監(jiān)控主界面、參數(shù)設(shè)定、數(shù)據(jù)記錄、報警信息等，如圖6所示。監(jiān)控主界面顯示信息包含位移傳感器數(shù)據(jù)、壓力傳感器數(shù)據(jù)、超壓報警、傳感器斷線提示及千斤頂伸縮缸得電情況、緊纜橫縱實時直徑與空隙率信息等。同時，在監(jiān)控主界面設(shè)計了操作區(qū)，選擇控制千斤頂編號及模式，可以實現(xiàn)對緊纜機的手動、自動操作以及緊急停止操作。此外，在參數(shù)設(shè)定界面可以寫入控制參數(shù)，在數(shù)據(jù)記錄、報警信息界面可以按日期查詢相關(guān)歷史數(shù)據(jù)。

圖6 緊纜機智能控制系統(tǒng)人機交互界面

4 結(jié)語

基于PLC控制的主纜緊纜機智能控制系統(tǒng)，具有開發(fā)周期短、功能設(shè)計靈活等特點，它以高精度傳感器數(shù)據(jù)為控制基礎(chǔ)，利用智能邏輯算法驅(qū)動電磁閥動作順序與方向，實時調(diào)節(jié)集群千斤頂組的同步運行，將人工因素對施工精度的影響降到最低，有效保證了緊纜質(zhì)量與系統(tǒng)安全，同時減少了人工工作量，提升了施工質(zhì)量和自動化程度，實現(xiàn)了智能化緊纜及數(shù)據(jù)可溯源管理。