德龍煙黃河特大橋上拱弦檢查車電氣控制技術

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，是目前國內設計比較新穎的大橋之一，全長約8.1 千米，全橋214 個墩臺，主橋結構為下承式“N”形連續鋼桁梁，最大跨度180 米，是黃河流域跨度最大、長度最長的鐵路鋼結構橋梁。由于該橋在設計上結構新穎，工法比較特殊，復雜，橋面坡度大，檢修施工十分困難，我們針對上拱弦，設計了爬坡式檢查車，該機電氣系統較以往同類產品，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

本車由大車走行機構、主吊籃起升機構、主吊籃走行機構和調平機構組成。其中，大車走行機構由4 臺5.5kW 走行電機組成，呈矩形分布在下車體左右兩側，主要用于檢查車的前進和后退動作，吊籃起升機構由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，調平機構包括由2 臺0.75kW 的調平電機和分別驅動的兩組伸縮式驅動桿，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，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和起升機構電機均采用變頻驅動技術，整機采用PLC 控制。電氣系統框圖如圖1 所示。

圖1 電氣系統框圖

2.1 供電系統

由于檢查車用于橋梁檢查維修作業，整機供電不能采用有線電纜的方式，我們采用了柴油發電機對整個系統進行供電。該發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供電。整個發電機為框架式，防護等級達到IP65，為在陰雨天和酸堿環境中工作提供了有力保障。

2.2 電氣驅動系統

檢查車的各走行電機和吊籃起升電機均使用變頻器驅動。考慮到平移和起升工況，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備特殊的應用功能。

（1）能設置起重機功能模式，通過設置變頻器頻率輸出參數，將輸出頻率設置為不同的幾段頻率，可以實現走行機構和吊籃起升機構的調速功能。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）變頻器內置了機械抱閘邏輯順序控制功能，啟動電流平穩，系統沖擊性較小。在以前沒有使用變頻驅動的情況下，啟動電流和沖擊較大，在時序配合不好的情況下容易產生溜鉤現象。

（3）使用高性能矢量控制，具備高力矩啟動和快速響應功能。

（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 大車走行機構驅動

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

2.2.2 吊籃起升和走行機構驅動

吊籃走行機構由4 臺功率0.1kW 的電機組成，由同一變頻器驅動，對稱安裝于上車體吊籃上方。吊籃起升機構由4 臺功率0.75kW 的電機組成，分別由兩臺變頻器進行驅動，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為額定值的20%、50%、100%（可以根據現場實際情況來調整設置），可以通過操作臺來進行起升速度和走行速度調整。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 調平機構驅動

本檢查車具有“爬坡”的工況，在爬坡的時候可以通過調平機構來調整主桁架的水平度。調平機構由兩臺0.75kW 的電機組成，對稱安裝于左右兩側，通過電機來調節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

本機的控制系統采用西門子S7-200 系列可編程控制器PLC 為控制核心，PLC 安裝在控制柜內。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，并且大大節省了空間，操作也得到了簡化。控制柜和操作面板設置為一體式，控制面板安裝在控制柜上方，呈傾斜式，防護等級達到IP65。PLC 負責對系統所有的輸入點、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，能夠準確可靠的對整個系統運行進行監控，并負責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 數字量輸入輸出單元和1 個EM231模擬量輸入單元及其他相關附件。

PLC 輸入點的電壓為DC24V，輸入信號包括：操作臺各旋鈕開關信號、變頻器故障及制動信號、各限位開關信號、大風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 大車調平控制系統

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

2.3.3 大車走行機構控制

先將“機構選擇”選擇開關調至“大車走行”檔，再根據實際情況將“大車走行”選擇開關調至“聯動/左單動/右單動”，然后旋轉“速度給定”開關給定走行速度。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”開關調至零位。

在兩側大車走行輪處安裝有極限限位裝置，當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 吊籃機構控制

操作臺上設有“機構選擇”開關，可以選擇吊籃“主吊籃起升”或“主吊籃走行”模式，兩者通過程序設置為互鎖狀態。

當選擇“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兩臺各為一組同步運行，可以選擇“聯動”檔使四臺電機同時升降，當兩側出現“一高一低”不平現象時，可以選擇左側或者右側單獨動作，從而來調節吊籃的平穩性。

當選擇“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

由于檢查車下方是高壓接觸網，因此本機設置了高壓報警系統。此智能預警系統分為兩個發射模塊（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，滿足現場距離要求。接收模塊裝在控制柜內，發射模塊裝在吊籃底部。

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

2.4.2 大風報警系統

在檢查車上車體上裝有風杯檢測風速，風力等級可在觸摸屏上顯示。當風速超過規定時，發出報警和限動信號，防止意外發生。

2.4.3 各機構安全裝置

大車走行機構、吊籃走行機構和吊籃升降機構均設有極限限位裝置，使檢查車在安全范圍內工作。操作臺設有聲光報警系統，當系統出現故障時，發出聲光報警，提醒操作人員注意。

3 檢查車電氣系統特點

3.1 自動調平功能

為了使檢查車的調平系統更加智能化，本機設置了自動調平機構。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計基準值時，會發出報警信號，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，需在它的安全范圍內進行檢查維修工作。本車的高壓電報警系統可以有效的防止吊籃運行到高壓接觸網的放電危險空間，并且配有聲光報警系統提醒工作人員注意，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.