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。作為關鍵施工的第一步工序，緊纜機需要為后續工序打好基礎，這個基礎就是將主纜緊固到設計的直徑和空隙率，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整結束后，索股間與索股內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，應采用一種更準確、效率更高、更安全的緊纜機智能控制系統，為此，本文設計了一種基于PLC控制器的緊纜機智能控制系統。

1 緊纜機智能控制系統

OVM緊纜機設備由1套控制系統、2臺液壓泵站、6臺千斤頂和1套鋼結構部分組成，主要用于對主纜進行緊纜作業，此外還設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，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，分別用于監測千斤頂活塞伸出量和千斤頂負載。緊纜機智能控制系統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數據采集、數據分析、邏輯運算、指令命令環節，控制緊纜機按照設計的動作順序和設定的參數要求完成緊纜作業和絞車移動，還可以進行數據存儲和安全報警。

緊纜機智能控制系統基于PLC技術、傳感器技術、液壓技術、千斤頂技術等實現緊纜作業的智能化、數字化，緊纜千斤頂油缸采用位移同步、壓力同步等調節方式保證緊纜圓度和緊纜安全，在減少人工操作產生的誤差的同時，也提高了施工質量與施工效率。

2 緊纜機智能控制系統的硬件設計

緊纜機智能控制系統的硬件主要有PLC、HMI、傳感器、開關旋鈕等四大部分，硬件結構的連接如圖1所示。

圖1 緊纜機智能控制系統硬件結構框圖

PLC用于采集開關旋鈕、傳感器的信號并進行信號識別、模數轉換和邏輯編程，并將信號信息實時顯示在HMI上，供操作人員實時掌握設備動態，同時接收HMI寫入的參數設定數據，與操作信號、傳感器數據進行邏輯運算，輸出控制命令驅動電磁閥動作，完成千斤頂的伸缸或縮缸動作或絞車的正反轉動作。

2.1 PLC配線設計

PLC采用的是OMRON公司CJ系列模塊型產品，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。人機交互設備采用的是威綸通MT8071iE型工業觸摸屏，PLC通過CPU11單元搭載的RS232串口與觸摸屏進行通信，RS232通信穩定且性價比高，在工控領域短距離通信上應用廣泛。根據緊纜機緊纜、行走等功能需求，進行了電氣原理圖設計，開關量輸入、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和傳感元件同步轉動，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，為緊纜作業提供數據基礎。

壓力傳感器用于測量千斤頂的負載，在千斤頂推動緊固蹄接觸到主纜并持續緊纜的過程中，千斤頂與主纜間產生相互作用力，此時可以通過千斤頂的負載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受力嚴重不均的現象，超過允許范圍必須進行報警停機，否則有可能會發生傾斜甚至傾翻事故，因此系統設置有壓差報警，以保證人員、設備與主纜的安全。

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

傳感器數據提供給控制單元結構的位置或受力信息，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提供數據基礎，同時提供實時數據與安全基準數據進行比對，因此系統具備安全預警功能，同時進行數據自動記錄與儲存，實現數據溯源管理。

3 緊纜機智能控制系統的軟件設計

緊纜機智能控制系統的軟件設計包含PLC控制程序設計和HMI界面程序設計。

3.1 PLC控制程序設計

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

根據緊纜作業的工藝過程要求，控制系統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按動操作，可以實現千斤頂的伸缸或縮缸動作。同樣，通過對液壓絞車進行正轉或反轉操作，可以實現整個緊纜機設備前進或后退動作。設計的智能控制系統的手動動作流程如圖4所示。

圖4 緊纜機智能控制系統手動動作流程

自動模式下可以實現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，以橫縱徑設定的緊纜直徑、位移傳感器數據與緊固蹄原始直徑為基礎數據進行過程實時目標比對從而完成自動緊纜作業，當主纜橫縱向纜徑達到設定值，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臺千斤頂的活塞伸出量進行同步動作控制，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，實現位移同步控制，保證緊纜的精度與質量。緊纜結束后，千斤頂一鍵自動回程。設計的智能控制系統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為用于判斷同步調整結束的回差值。

圖5 緊纜機智能控制系統自動動作流程

3.2 HMI界面設計

緊纜機智能控制系統的人機交互設備為威綸通MT8071iE型工業觸摸屏，HMI界面主要設計了緊纜監控主界面、參數設定、數據記錄、報警信息等，如圖6所示。監控主界面顯示信息包含位移傳感器數據、壓力傳感器數據、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，在監控主界面設計了操作區，選擇控制千斤頂編號及模式，可以實現對緊纜機的手動、自動操作以及緊急停止操作。此外，在參數設定界面可以寫入控制參數，在數據記錄、報警信息界面可以按日期查詢相關歷史數據。

圖6 緊纜機智能控制系統人機交互界面

4 結語

基于PLC控制的主纜緊纜機智能控制系統，具有開發周期短、功能設計靈活等特點，它以高精度傳感器數據為控制基礎，利用智能邏輯算法驅動電磁閥動作順序與方向，實時調節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，有效保證了緊纜質量與系統安全，同時減少了人工工作量，提升了施工質量和自動化程度，實現了智能化緊纜及數據可溯源管理。