一種上弦自鋪軌橋梁檢查車控制系統的設計與應用

張傳濤 冷志堅

摘要 本文從橋梁檢查車的結構特點出發，根據其具體原理需求設計了該系統。該控制系統采用西門子伺服驅動技術，以兩個西門子SIMOTION D4x5-2作為主控制器，通過集成驅動控制功能實現了檢查車的復雜運動控制，使其能夠對全系統伺服電機進行協調動作，并可以做部分邏輯控制。該系統的投入運營，實現了橋梁檢查車全方位管理，提高了橋梁維護效率和橋梁檢測的技術，對橋梁的安全和使用壽命有極大的促進作用。

【關鍵詞】橋梁檢查車 伺服驅動 集成驅動控制 橋梁檢測

1 引言

橋梁檢查車是一種為橋梁檢查維修人員在橋梁維護過程中提供作業平臺，可裝備橋梁檢查設備和維修機具，用于流動檢查檢測或維修養護作業的工程設備。它可以隨時移動位置，讓橋梁檢查維修人員安全、快速、高效地進入作業位置進行作業。目前橋梁檢查車己成為大型橋梁尤其是鋼結構橋梁進行日常養護維修不可缺少的設備。

本橋梁檢查車主要由升降立柱、上方人行走廊、中部吊籃、內外桁架吊籃、桁架頂部連接節、尾節、行走機構等部分組成，中部吊籃可通過上方人行走廊在豎直空間上下升降和沿上方人行走廊橫向移動，內外桁架吊籃通過電機驅動機構分別沿升降立柱內外桁架上下移動，走行機構采用齒輪齒條傳動進行走行。結構圖如圖1所示。

2 檢查車系統行走基本原理

本檢查車系統行走基本原理如下：系統在行走時主要分為小車行走和走行靴行走，其行走動力都是主行走電機。

2.1 小車行走

走行靴位置固定（落于橋梁附加件并鎖緊），行走電機正轉/反轉驅動小車前進/后退。

2.2 走行靴行走

主支撐固定（支撐下落撐上橋梁附加件）并頂起走行靴（提前松開鎖緊勾）使其離開橋梁面，此時主行走電機正轉/反轉驅動走行靴后退/前進。走行靴行走時還跟隨著前、后導向、角度調節電機的同步聯動，當移到下一附加件時落上橋梁面并鎖緊前后鎖鉤。以上兩步循環執行實現檢查車的前進/后退。動作步序如圖2所示。

3 檢查車電氣系統功能構成

系統按功能分為中控室、行走系統、伸縮系統、內外桁架吊籃、中間吊籃和發電系統六大部分。電氣系統圖如圖3所示。

（1）中控室為檢查車的控制中心，設有操控臺、人機界面、監控顯示器等。操作監控站系統由WinCC人機界面軟件和工控機組成。其主要功能包括隨時可調出當前各種可能操作的幫助文件、可調出全部操作使用說明書和故障判斷檢查方法、具備自動彈窗功能，提示用戶按期保養。

（2）行走系統由左右行走系統組成，包括主行走電機、主支撐電機、導向電機、角度調節電機和鎖緊電機，全部采用單軸電機模塊驅動，PROFINET總線通訊。

（3）伸縮系統由左右伸縮系統組成，包括伸縮電機、桁架防擺電機、伸縮架防擺電機組成，伸縮電機采用單軸電機模塊驅動，防擺電機采用雙軸電機模塊驅動。

（4）內外桁架吊籃為外側檢修平臺，包括內桁架吊籃電機和外桁架吊籃電機，全部采用雙軸電機模塊驅動。

（5）中間吊籃為內部檢修平臺，包括升降電機和平移電機。

（6）檢查車電源由發電機提供，其控制和報警信號接入控制系統。

4 檢查車控制系統組成

4.1 SIMOTION D驅動平臺

檢查車電氣系統以西門子SIMOTION D驅動平臺，對檢查車各個動作進行協調控制。SIMOTION D平臺中的SIMOTION D4x5系列能夠用于多軸應用的控制單元，可根據需要對多達64個軸進行運動控制。驅動控制功能支持伺服控制（高動態響應）、矢量控制（最高轉矩精度）和V/F控制。適用于苛刻環境條件下的對運動控制和高速I/O以及高性能等時同步等有特殊要求的場合。

4.2 控制系統設計

檢查車主控制系統的主要任務有：主走行電機的速度控制、力矩控制、位置控制，導向電機的位置控制，鎖鉤電機的力矩控制、位置控制，主支撐電機的位置控制等。

整個控制系統是檢查車的管理中心，系統采用兩個西門子SIMOTION D445-2DP/PN作為主控制器，配置電源模塊、通信模塊CP340、模擬量輸入輸出模塊、數字量輸入輸出模塊等，通過集成驅動控制功能，完成檢查車復雜運動控制功能。

驅動控制器采用5個CU320 2PN，每個控制器最多控制6個軸，與主控制器之間采用PROFrNET通訊，在發電機旁、頂部走道電氣柜內、中控室設有ET200M現場I/O。

5 控制系統的特點

5.1 主走行的控制

雙側主走行電機分別采用2臺高可靠的伺服電機，為了控制檢查車的走行速度和電機力矩，設置其中一臺工作在主速度模式，另一側其中一臺工作在與主速度等速速度模式，其余兩臺工作在與速度電機等扭矩狀態。

5.2 控制系統的通信

所有的模塊之間都是通過共享的DRIVE-CLIQ數據接口來實現通信，采用帶DRIVE-CLIQ接口的預裝電纜。中央控制器顯著減少了PROFIBUS的電纜接線，同時也降低了通信的故障率。所有的模塊都有一個電子標牌，它包含了特殊組件的相關技術數據，控制單元能夠通過DRIVE-CLIQ接口自動記錄這些數據，所以在調試過程中或設備更換時不需要手動輸入數據，控制單元會自動識別DRIVE-CLIQ連接的設備。

考慮到協調各部位驅動電機距離比較遠，通訊系統采用PROFIN ET總線，帶等時同步功能（IRT）。通過具有IRT ERETEC芯片的交換機可以對帶寬實現預留，IRT的數據只能在預留的帶寬內進行數據通訊，這時沒有任何的其它數據在這個預留的帶寬內通訊，從而保證IRT的數據的抖動時間非常短。

6 結語

西門子驅動系統在本檢查車的應用，滿足了現場使用工況要求多個機構協同工作的需求。主要體現在：硬件上模塊化的結構設計，用戶可以靈活選擇應用，安裝、維護簡單易行;強大的軟件功能，使其能夠適用于各種復雜應用的場合;通信網絡的數據傳輸方便、快捷可靠;產品具有最優的性價比。

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