橋梁施工掛籃智能化控制系統(tǒng)研究

吳明威，劉冬冬，周雷，李耀宗

（中交二航局第五工程分公司，湖北 武漢 430000）

0 引言

雖然掛籃施工工藝已經(jīng)十分成熟，然而掛籃設(shè)備自身自動化程度低，掛籃的提升、下放、行走等動作仍然需要大量的工人來配合，沒有實現(xiàn)集中監(jiān)控，總體來說有以下缺點：

1）掛籃施工現(xiàn)場需要大量工人配合，掛籃動作的位移、支撐點反力完全依靠肉眼判斷，安全性無法保障。

2）沒有精密的傳感技術(shù)配合，掛籃施工質(zhì)量穩(wěn)定性無法控制。

3）人工逐點操作耗時長，浪費大量的施工時間。

以加快淘汰落后工藝技術(shù)和設(shè)備，推廣應用自動化、數(shù)字化、網(wǎng)絡化、智能化等先進制造系統(tǒng)、智能制造設(shè)備及大型成套技術(shù)裝備為目標，勢必要對傳統(tǒng)掛籃控制系統(tǒng)進行革新。

1 前支點掛籃自動化控制系統(tǒng)概況

掛籃自動化控制系統(tǒng)是一套集機械、電氣、液壓以及自動化技術(shù)于一體的特種施工控制系統(tǒng)。本系統(tǒng)提高了傳統(tǒng)掛籃施工過程中大型掛籃各執(zhí)行機構(gòu)的動作效率，并添加了遠程操作、監(jiān)控等功能。相對于傳統(tǒng)的掛籃機構(gòu)動作方式，其具有自動化程度高、遠程操作及監(jiān)控方便、掛籃機構(gòu)動作效率高等優(yōu)點。

1.1 組成

1套掛籃自動化控制系統(tǒng)主要由以下幾個部分組成，如圖1所示[1-2]。

圖1 掛籃自動化液壓控制系統(tǒng)組成Fig.1 Automatic hydraulic control system of hanging basket

掛腿油缸4臺、頂升油缸2臺、拱架油缸4臺、掛籃行走油缸2臺、擺動油缸2臺；液壓泵站1臺；控制系統(tǒng)1套。

1.2 工作原理

液壓動力站通過驅(qū)動液壓油缸實現(xiàn)掛籃的同步提升和下放、拱架提升和下放、掛籃行走及反滾輪翻轉(zhuǎn)動作。掛籃的上升和下降動作由4個150 t掛腿油缸和2個150 t頂升油缸協(xié)同完成；拱架的提升和下放動作由4個10 t的雙級油缸協(xié)同完成；掛籃的行走動作由2個50 t行走油缸完成；掛籃反滾輪的翻轉(zhuǎn)動作由2個擺動油缸完成。

2 液壓系統(tǒng)

液壓泵站是整個系統(tǒng)中十分關(guān)鍵的組成部分，它為系統(tǒng)執(zhí)行元件運行提供了可靠的動力，以此驅(qū)動液壓缸各種動作。此液壓泵站是專為掛籃自動化控制系統(tǒng)設(shè)計的液壓系統(tǒng)，每臺掛籃的動作執(zhí)行由1個液壓泵站提供動力，一共14個液壓油缸動作。

每臺泵站主要包括：控制柜、電機、高壓柱塞泵、比例閥、平衡閥、液壓鎖、油箱等，液壓泵站到頂推設(shè)備通過膠管連接，膠管兩端采用快插接頭的形式，安裝與拆卸十分方便。

本液壓系統(tǒng)為恒壓力系統(tǒng)，液壓原理圖見圖2。

圖2 液壓原理圖Fig.2 Hydraulic principle diagram

采用節(jié)流調(diào)速的形式，回路由柱塞泵、電磁溢流閥、以及多臺比例換向閥組成，能夠無級調(diào)節(jié)每個油缸執(zhí)行動作的運行速度；系統(tǒng)的液壓泵采用定量柱塞泵，其性能穩(wěn)定，可靠性高，能夠適應系統(tǒng)由于節(jié)流調(diào)速而長時間處于高負荷運轉(zhuǎn)的狀態(tài)。在重力方向工作的液壓油缸上安裝有平衡閥、液壓鎖，能夠有效防止系統(tǒng)超載、帶負載墜落等危險情況發(fā)生。控制油缸速度的每個電磁比例閥均裝有壓力補償器，可以實現(xiàn)與負載無關(guān)的速度精準調(diào)節(jié)。

3 控制系統(tǒng)

3.1 控制系統(tǒng)概述

掛籃自動化控制系統(tǒng)為典型的主從分布式控制系統(tǒng)，采用PLC+工控機的組合[3]。主控與各個分控之間通過通訊線連接，主要接收來自各個泵站分控傳遞回來的信息并顯示到上位機，以及發(fā)送操作人員指令；分控與泵站集成在一起，負責所對應設(shè)備液壓泵與閥的控制信號的發(fā)送，以及各個執(zhí)行液壓缸狀態(tài)傳感器信號的收集；兩者配合，以閉環(huán)控制的方式實現(xiàn)掛籃升降、拱架升降、掛籃行走的精確同步。

掛籃自動化控制系統(tǒng)主要包括主控臺、泵站分控柜、執(zhí)行油缸傳感器接線盒、傳感器、信號電纜、電源電纜、通訊電纜等。

控制系統(tǒng)具有以下特點：

1）分布式控制方式，實現(xiàn)設(shè)備遠程操控，充分保證人員安全。

2）硬件上，采用屏蔽、隔離等抗干擾措施，對電源系統(tǒng)的過電流保護，系統(tǒng)具有較強的可靠性能力。

3）用多路傳感器檢測技術(shù)，以采集系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)，并有效反饋，使系統(tǒng)處于全監(jiān)控狀態(tài)，安全穩(wěn)定的運行。

4）PLC和工控機組合控制方式，點對點傳輸，在工控機上監(jiān)視，減少冗余件，提高系統(tǒng)可靠性，減少故障率。

5）緊急情況下能實現(xiàn)一鍵（急停）斷開所有輸出點，確保安全。

6）采用PID控制比例閥技術(shù)，實現(xiàn)無級調(diào)速。

3.2 控制系統(tǒng)各部件

1）主控臺

主控臺是整個系統(tǒng)的控制中樞，所有分控的位置信號、壓力信號、反饋信號等均傳遞到主控，在主控PLC中按照一定的算法程序進行判斷處理，并將計算得到的指令返回給分控，以此實現(xiàn)各個動作的同步。同時系統(tǒng)的操作主要在主控臺進行，按照功能主控臺可以分為監(jiān)控區(qū)和操作區(qū)。監(jiān)控區(qū)為1臺21寸的電腦液晶顯示屏，顯示各個設(shè)備的狀態(tài)信息，如：位移、壓力、動作方向等，同時顯示屏上還設(shè)置了一些虛擬按鈕與數(shù)字輸入框，可以實現(xiàn)設(shè)備的選擇、比例閥開口值設(shè)置等，監(jiān)控界面見下圖3；操作區(qū)為操作按鈕。

圖3 主控臺監(jiān)控界面Fig.3 Console monitor interface

2）泵站分控柜

分控PLC主要實現(xiàn)泵站電機的啟動、液壓閥控制信號的發(fā)送、以及各個傳感器信號的采集并與主控PLC通訊等作用，另外分控可以獨立于主控之外控制其所對應的設(shè)備動作，其控制的電機功率11 kW，直接啟動。

3）傳感器

設(shè)備傳感器接線盒主要用于傳感器接線匯集作用，從而可以方便油缸與泵站之間通過1根控制電纜連接，接線盒接頭均為防水接頭，接線盒用螺釘固定于油缸法蘭盤上。

位移傳感器用于測量掛籃設(shè)備3個動作上的位移，掛籃升降、拱架升降、掛籃行走，量程分別為2 000 mm、2 500 mm、1 500 mm，精度為0.3%FS，24 V DC輸入，4～20 mA輸出。

壓力傳感器用于測量支撐頂工作狀態(tài)下的實時壓力值，量程40 MPa，精度為0.5%FS，24 V DC輸入，4～20 mA輸出。

3.3 系統(tǒng)連接

整套系統(tǒng)接線圖如圖4所示，主要有通訊線和控制線，通訊線為紫色兩芯屏蔽線；控制線為黑色四芯屏蔽線，控制線連接油缸接線盒到泵站，通訊線則將2臺掛籃依次串聯(lián)起來由1臺主控控制。

圖4 系統(tǒng)連接示意圖Fig.4 Schematic diagram of system connection

4 操作流程

設(shè)備安裝到位，電源線、通訊線、與控制線連接好以后，設(shè)備即可以開始運行，具體操作流程與步驟如下：

1）檢查工作

待系統(tǒng)連接檢查準確無誤，所有準備工作就緒后，給各分控泵站通上電源（注意相序），合上箱內(nèi)的所有空開，進行設(shè)備檢查：先將分控柜操作面板上旋鈕打到“手動”、油缸“保持”狀態(tài)，按下“啟動電機”按鈕，電機正常運行，待電機空轉(zhuǎn)5 min以后，按下“建壓”按鈕，然后分別依次選擇1～6閥，根據(jù)手動截止閥的標牌選擇不同的油缸進行伸缸/縮缸動作，確認無誤后按下“停止建壓”按鈕、“停泵”按鈕，然后將“自動/手動”旋鈕打到“自動”，每個分控都需要這樣操作1次。

2）主控開機

給主控臺接上電源（220 V），合上內(nèi)部空氣開關(guān)，將主控臺面板上的電源開關(guān)旋鈕撥向右邊，電源指示燈亮，此時系統(tǒng)電源接通，面板上的“手動/自動”旋鈕可以根據(jù)需要撥動：自動狀態(tài)下選中的設(shè)備將自動保持速度一致，同步動作；手動狀態(tài)下設(shè)備將不同步，一般帶負載同步動作時選擇同步，空載時不同步。

3）系統(tǒng)登陸

電源開啟后可啟動電腦，雙擊桌面上的圖標，進入程序界面，選擇要運行的程序“烏江大橋掛籃自動化控制系統(tǒng)”，左鍵單擊“運行”，即可進入監(jiān)控程序界面。

4）監(jiān)控界面介紹

監(jiān)控畫面可以劃分為4個區(qū)：按鈕區(qū)、監(jiān)視區(qū)、標題區(qū)以及菜單欄。

標題區(qū)顯示了公司名稱、系統(tǒng)名稱、和日期時間。

按鈕區(qū)為操作控制區(qū)，從上到下分為系統(tǒng)指示、同步控制、手動控制。

5）主控操作

進入監(jiān)控界面后，點擊“參數(shù)設(shè)置”，此界面主要是對各臺比例閥參數(shù)、以及反饋比例系數(shù)進行設(shè)置，可以調(diào)節(jié)設(shè)備運行的速度，比例閥參數(shù)的輸入范圍為15 000～32 000，默認情況設(shè)置為25 000，“比例系數(shù)”為多點同步運行時的反饋系數(shù)，輸入范圍為0～2 500，參數(shù)值需要在實際運行時調(diào)試確定，默認值2 000。

6）掛籃同步頂升/下降操作

進行掛籃同步頂升/下降操作前，應首先硬件上切換各個油缸對應的球閥，4個掛腿油缸，以及2個頂升油缸球閥應處于打開狀態(tài)，其它油缸對應球閥應處于閉合狀態(tài)

然后進行功能選擇，將主控臺“行走/升降/拱架”3檔旋鈕開關(guān)旋至“升降”檔，表明此時將進行的是掛籃頂升與下放操作，然后進行“啟泵”——“建壓”操作。

7）拱架同步提升/下降操作

進行拱架同步提升/下降操作前，應首先硬件上切換各個油缸對應的球閥，4個拱架提升油缸球閥應處于打開狀態(tài)，其它油缸對應球閥應處于閉合狀態(tài)。

然后進行功能選擇，將主控臺“行走/升降/拱架”3檔旋鈕開關(guān)旋至“拱架”檔，表明此時將進行的是掛籃頂升與下放操作，然后進行“啟泵”——“建壓”操作。

8）掛籃行走操作

進行拱架行走操作前，應首先硬件上切換各個油缸對應的球閥，2個行走油缸球閥應處于打開狀態(tài)，其它油缸對應球閥應處于閉合狀態(tài)。

然后進行功能選擇，將主控臺“行走/升降/拱架”3檔旋鈕開關(guān)旋至“行走”檔，表明此時將進行的是掛籃行走操作，然后進行“啟泵”——“建壓”操作。

5 應用效果

5.1 操作效率

對比公司施工的不同時期的類似項目，鄂黃長江大橋、赤石大橋[4]、淮安大橋[5]、榮烏黃河大橋[6]均采用傳統(tǒng)的單點操作進行掛籃提升下放行走，單個循環(huán)（掛籃下放、行走、提升錨固調(diào)整標高）所需時間均在20 h左右，自動化控制系統(tǒng)在烏江大橋應用后單個循環(huán)時間縮短至10 h，節(jié)約了工期。

5.2 同步性

傳統(tǒng)操作方法多點之間同步性較差，手動量取每個千斤頂行程，手動調(diào)控多點之間進程，無科學的壓力位移控制調(diào)節(jié)系統(tǒng)。烏江特大橋采用液壓自動化系統(tǒng)，實現(xiàn)了掛籃操作實施控制，利用反饋控制閉環(huán)系統(tǒng)，將同步精度控制在3 mm內(nèi)，掛籃操作同步性、協(xié)調(diào)性實現(xiàn)了質(zhì)的飛躍。

5.3 減少勞動力

完全釋放了勞動力，只用1個主控制柜操作人員就可實現(xiàn)主邊跨掛籃同時精準動作。無論是時間效益、人工成本都得到極大節(jié)約。完全顛覆傳統(tǒng)掛籃操作方式，可以說是前支點掛籃操作領(lǐng)域革命性的改進。

6 結(jié)語

掛籃自動化控制系統(tǒng)在烏江大橋前支點掛籃施工中得到研發(fā)應用，提高了效率，降低了勞動力，目前此類控制系統(tǒng)已應用在橋梁頂推、前支點掛籃中，通過適當?shù)母脑煸撓到y(tǒng)也可適用于各種形式的掛籃液壓系統(tǒng)中，對助推橋梁施工裝備的自動化、智能化、網(wǎng)絡化、集約化起到了促進作用。

[1]中交武漢港灣工程設(shè)計研究院有限公司.烏江大橋掛籃自動化控制系統(tǒng)操作及維護說明手冊[Z].2016.CCCC Wuhan Harbour Engineering Design&Research Co.,Ltd.Wujiang Bridge hanging basket automatic control system operation and maintenancemanual[Z].2016.

[2]中交二航局烏江大橋項目部.烏江大橋上部結(jié)構(gòu)施工方案[R].2016.Wujiang Bridge Project Department of CCCC Second Harbour Engineering Co.,Ltd.Construction scheme of superstructure of Wujiang Bridge[R].2016.

[3] 李先允.自動控制系統(tǒng)[M].北京：高等教育出版社，2003.LI Xian-yun.Automatic control system[M].Beijing:Higher Education Press,2003.

[4]中交二航局赤石大橋項目部.赤石大橋上部結(jié)構(gòu)施工方案[R].2013.Chishi Bridge Project Department of CCCCSecond Harbour Engineering Co.,Ltd.Construction scheme of superstructure of Chishi Bridge[R].2013.

[5]中交二航局淮安大橋項目部.淮安大橋上部結(jié)構(gòu)施工方案[R].2003.Huaian Bridge Project Department of CCCCSecond Harbour Engineering Co.,Ltd.Construction scheme of superstructure of Huaian Bridge[R].2003.

[6]中交二航局榮烏大橋項目部.榮烏大橋上部結(jié)構(gòu)施工方案[R].2013.Rongwu Bridge Project Department of CCCC Second Harbour Engineering Co.,Ltd.Construction scheme of superstructure of Rongwu Bridge[R].2013.