杜小剛

(中鐵十一局集團(tuán)漢江重工有限公司 湖北襄陽(yáng) 441046)

1 引言

1000 t/40 m運(yùn)架一體機(jī)用于高速鐵路、客運(yùn)專線雙線整孔箱梁的提、運(yùn)、架設(shè)，可以架設(shè)40 m、32 m、24 m、20 m等跨度的預(yù)應(yīng)力混凝土整孔箱梁，并可在隧道口和隧道內(nèi)架梁。

1000 t/40 m運(yùn)架一體機(jī)研制為中國(guó)鐵建《高速鐵路40 m預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支箱梁運(yùn)架成套施工設(shè)備研制》課題中的子項(xiàng)。本文主要介紹電氣控制系統(tǒng)研制過(guò)程中控制方案確定過(guò)程、主要難點(diǎn)及解決措施。

2 控制系統(tǒng)方案確定

圖1為1000 t/40 m運(yùn)架一體機(jī)結(jié)構(gòu)總圖。研究?jī)?nèi)容主要包括控制對(duì)象研究、控制功能確定、環(huán)境和人為因素等。

圖1 1000 t/40 m運(yùn)架一體機(jī)結(jié)構(gòu)

2.1 控制對(duì)象

從設(shè)備控制對(duì)象組成來(lái)看，主要包括:(1)卷?yè)P(yáng)起升及前后小車縱橫移控制；(2)前后車驅(qū)動(dòng)行走及制動(dòng)控制；(3)主支腿、中支腿及后輔助支腿控制；(4)前后車懸掛控制；(5)司機(jī)室及遙控操控、人機(jī)界面控制；(6)整機(jī)海量傳感器采集及控制指令傳輸控制。

2.2 控制功能指標(biāo)

設(shè)備各子系統(tǒng)功能指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 各子系統(tǒng)功能參數(shù)

2.3 環(huán)境及人為要素

(1)工作場(chǎng)景

運(yùn)架一體機(jī)作為特種設(shè)備，是一種露天工作的超大型高鐵橋梁施工機(jī)械，控制系統(tǒng)面臨室外雨水沖刷、塵土飛揚(yáng)、設(shè)備振動(dòng)(路面顛簸和發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)等)、沿海鹽霧、大風(fēng)及雷電等問(wèn)題。

(2)人為因素

設(shè)備使用者多為技校畢業(yè)或農(nóng)民工，對(duì)設(shè)備工作原理缺乏系統(tǒng)了解，對(duì)控制系統(tǒng)有了解者少之又少。

方案設(shè)計(jì)中，對(duì)于人為因素，則需在系統(tǒng)操控及人機(jī)界面、安全互鎖與報(bào)警、人機(jī)功能學(xué)方面的系統(tǒng)邏輯功能上進(jìn)行考慮。圖2為運(yùn)架一體機(jī)電氣控制系統(tǒng)原理圖。

圖2 運(yùn)架一體機(jī)電氣控制系統(tǒng)原理

3 主要子系統(tǒng)功能方案設(shè)計(jì)

3.1 動(dòng)力及液壓系統(tǒng)

液壓傳動(dòng)相較于其他傳動(dòng)方式具有實(shí)現(xiàn)重載低速運(yùn)動(dòng)、平順調(diào)速和結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)勢(shì)[1-2]。如卷?yè)P(yáng)機(jī)構(gòu)由主泵、主閥、平衡閥、制動(dòng)器控制閥及制動(dòng)器、卷?yè)P(yáng)液壓馬達(dá)等組成[3]。

前車發(fā)動(dòng)機(jī)為前車的轉(zhuǎn)向、懸掛、行走及制動(dòng)系統(tǒng)等提供動(dòng)力；后車發(fā)動(dòng)機(jī)為后車的轉(zhuǎn)向、懸掛、行走及制動(dòng)系統(tǒng)、卷?yè)P(yáng)起升、小車縱橫移以及中支腿頂升油缸提供動(dòng)力。主支腿行走機(jī)構(gòu)以及主支腿液壓系統(tǒng)由一臺(tái)發(fā)電機(jī)組提供動(dòng)力。

整機(jī)控制系統(tǒng)采用分布式CAN總線方式將若干臺(tái)控制器和3個(gè)顯示屏以及所有轉(zhuǎn)向編碼器連成一體?？刂葡到y(tǒng)以3臺(tái)司機(jī)室為中心實(shí)現(xiàn)對(duì)前后車動(dòng)力系統(tǒng)、行走驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、起升系統(tǒng)、支腿及懸掛的連接和控制，并采用一系列軟件同步算法及安全互鎖程序?qū)崿F(xiàn)設(shè)備的控制功能及安全，見(jiàn)圖3。

圖3 運(yùn)架一體機(jī)控制系統(tǒng)總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

總控制中心的4個(gè)CAN通道均支持如J1939、CAN2.0A/B等協(xié)議，可連接發(fā)動(dòng)機(jī)、編碼器、傾角及測(cè)距等不同傳輸協(xié)議的設(shè)備和傳感器。前后車主數(shù)據(jù)通道采用指令和信息雙層網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，實(shí)現(xiàn)分布式控制[4-5]，布線連接簡(jiǎn)潔的同時(shí)也將數(shù)據(jù)聯(lián)通的延時(shí)和總線負(fù)載率降低到合理范圍內(nèi)[6]。

表2為單雙層網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸總線負(fù)載率對(duì)比，通過(guò)對(duì)比可知，采用雙層網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目偩€網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，總線負(fù)載率下降50%左右，實(shí)測(cè)和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用過(guò)程中系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定，效果非常好。

表2 單雙層網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸總線負(fù)載率對(duì)比

3.2 行走驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)

行走車速由3個(gè)變量共同協(xié)調(diào)控制。每個(gè)馬達(dá)安裝有霍爾轉(zhuǎn)速傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)驅(qū)動(dòng)行走速度的監(jiān)控，控制器采集馬達(dá)轉(zhuǎn)速信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)車速的監(jiān)控和防打滑控制，見(jiàn)圖4。

圖4 行走驅(qū)動(dòng)控制示意

由于前后車為前后獨(dú)立動(dòng)力和液壓系統(tǒng)，前后車的行走控制需進(jìn)行同步控制，圖5為前后車同步控制方案原理。前后車驅(qū)動(dòng)行走控制采用速度環(huán)和壓力環(huán)雙閉環(huán)控制實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)行走同步。

圖5 行走驅(qū)動(dòng)同步控制原理

3.3 轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)

轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)八字、半八字、小八字轉(zhuǎn)向功能。轉(zhuǎn)向控制由方向盤轉(zhuǎn)向電位器發(fā)送轉(zhuǎn)角信號(hào)至車載控制器，控制器采集總線編碼器的轉(zhuǎn)角數(shù)值進(jìn)行閉環(huán)計(jì)算，并輸出PWM電流信號(hào)控制轉(zhuǎn)向比例閥，實(shí)現(xiàn)高精度閉環(huán)轉(zhuǎn)向控制[7-8]，見(jiàn)圖6。

圖6 轉(zhuǎn)向閉環(huán)控制

3.4 支腿懸掛控制

運(yùn)架一體機(jī)所有輪組均采用液壓獨(dú)立懸掛，前后車懸掛動(dòng)力源為獨(dú)立的液壓系統(tǒng)，依據(jù)前后車懸掛壓力傳感器數(shù)據(jù)及主梁傾角來(lái)實(shí)時(shí)調(diào)整懸掛升降實(shí)現(xiàn)設(shè)備前后車適應(yīng)縱坡喂梁及輪組受力均衡。同時(shí)還可根據(jù)壓力傳感器數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)懸掛承載重量，出現(xiàn)超差情況發(fā)出報(bào)警信號(hào)，超過(guò)極限壓力時(shí)限制操作，以提高行駛過(guò)程安全性。

3.5 安全監(jiān)控及信息化系統(tǒng)

遵循準(zhǔn)確性、實(shí)用性和可維護(hù)性原則，以數(shù)據(jù)采集與傳輸層、數(shù)據(jù)處理層、數(shù)據(jù)儲(chǔ)存層和用戶交互層為核心層次，監(jiān)控動(dòng)態(tài)與靜態(tài)信息[9-11]。運(yùn)架一體機(jī)安全監(jiān)控及信息化系統(tǒng)組成原理見(jiàn)圖7。

信息化系統(tǒng)數(shù)據(jù)來(lái)源為各類傳感器采集的數(shù)據(jù)，以及控制系統(tǒng)處理后向上傳輸?shù)脑O(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)。

設(shè)備上布設(shè)400多個(gè)數(shù)據(jù)監(jiān)控點(diǎn)，實(shí)時(shí)監(jiān)控設(shè)備狀態(tài)，主要包括:(1)所有轉(zhuǎn)向輪組轉(zhuǎn)向角度；(2)發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)(轉(zhuǎn)速、機(jī)油壓力、冷卻液溫度等)；(3)輪組轉(zhuǎn)向、行走、支腿、懸掛、卷?yè)P(yáng)液壓系統(tǒng)各測(cè)點(diǎn)壓力值，壓力異常報(bào)警提示等；(4)車體水平度及主支腿垂直度；(5)所有比例閥組、馬達(dá)、泵、制動(dòng)閥組輸出電流數(shù)值。

3.6 幾個(gè)重點(diǎn)功能研究

結(jié)合設(shè)備實(shí)際使用工況，還需對(duì)以下功能進(jìn)行研究:

(1)隧道防撞監(jiān)測(cè)及自動(dòng)駕駛

運(yùn)架一體機(jī)及箱梁與隧道壁間距采用激光測(cè)距傳感器進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。如圖8所示，測(cè)距傳感器安裝于設(shè)備四角，當(dāng)行走方向出現(xiàn)偏差時(shí)，在自動(dòng)駕駛模式下，控制系統(tǒng)可自動(dòng)控制方向盤進(jìn)行左轉(zhuǎn)或右轉(zhuǎn)調(diào)整，使設(shè)備走行于隧道中心線上[12]。

(2)運(yùn)架一體機(jī)主梁及主支腿傾斜監(jiān)測(cè)

運(yùn)架一體機(jī)主梁傾斜測(cè)點(diǎn)于主梁前中后三個(gè)截面進(jìn)行布置，每個(gè)截面布置兩個(gè)傳感器，傳感器安裝在主梁側(cè)面頂部。主支腿傾斜測(cè)點(diǎn)布置在主支腿，每個(gè)支腿布置兩個(gè)測(cè)點(diǎn)(縱橫向)。各測(cè)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)接入數(shù)據(jù)處理工作站，根據(jù)計(jì)算分析結(jié)果進(jìn)行分級(jí)預(yù)警，預(yù)警結(jié)果通過(guò)駕駛室屏幕直接展示，并播報(bào)預(yù)警信息，駕駛員可及時(shí)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整運(yùn)架一體機(jī)操作。

(3)關(guān)鍵部位壓力監(jiān)測(cè)

對(duì)運(yùn)架一體機(jī)受壓關(guān)鍵部位，在運(yùn)架梁階段進(jìn)行壓力實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，根據(jù)壓力監(jiān)測(cè)數(shù)值判斷設(shè)備安全狀態(tài)。

各測(cè)點(diǎn)壓力傳感器就近連接至控制器，根據(jù)計(jì)算分析結(jié)果，與各個(gè)測(cè)點(diǎn)控制值進(jìn)行比較并進(jìn)行分級(jí)預(yù)警，預(yù)警結(jié)果通過(guò)駕駛室屏幕直接展示給駕駛員，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況及時(shí)指揮運(yùn)架一體機(jī)停止工作，并進(jìn)行分析。

(4)起重吊點(diǎn)受力與支腿受力監(jiān)測(cè)

在運(yùn)架一體機(jī)各個(gè)吊點(diǎn)固定端及轉(zhuǎn)向滑輪位置安裝銷軸傳感器，主支腿每個(gè)斜撐兩端各安裝1個(gè)銷軸式傳感器，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)超出限值時(shí)進(jìn)行預(yù)警，指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)操作。吊點(diǎn)與支腿受力信息及預(yù)警信息可接入信息管理平臺(tái)。

4 重難點(diǎn)問(wèn)題及解決措施

(1)系統(tǒng)龐大且控制復(fù)雜?？刂苾?nèi)容多且分散、系統(tǒng)龐大、協(xié)調(diào)性要求高。

解決辦法:采用分布式控制模式，利用CAN現(xiàn)場(chǎng)總線將分散控制連為整體，用編程方式降低接線布線難度。

(2)前后車需保持速度和轉(zhuǎn)向角度同步。前后車為球鉸連接，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)獨(dú)立運(yùn)動(dòng)體系的同步協(xié)調(diào)是一大難點(diǎn)，一方面要保證前后車行走速度同步，避免出現(xiàn)前后車的推拉效應(yīng)，另一方面要保證前后車轉(zhuǎn)向協(xié)調(diào)同步，需要對(duì)后車轉(zhuǎn)向角度進(jìn)行實(shí)時(shí)糾偏。

解決辦法:采用理論計(jì)算與試驗(yàn)驗(yàn)證方法，反復(fù)調(diào)試最終確定保證設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行的控制參數(shù)。

(3)過(guò)孔時(shí)主支腿與后車的同步控制。設(shè)備兩次過(guò)孔是非常關(guān)鍵且是風(fēng)險(xiǎn)性最大的工況，特別是第二次重載過(guò)孔。

解決辦法:保證主支腿托輪馬達(dá)和后車喂梁驅(qū)動(dòng)行走的同步是最關(guān)鍵的一環(huán)，依靠多套安全測(cè)量裝置并采用同步控制策略，最終保障兩套機(jī)構(gòu)速度同步和運(yùn)行過(guò)程的安全。

(4)起升同步控制。通過(guò)四吊鉤同步控制，可減輕操作難度，減少調(diào)整梁片姿態(tài)時(shí)間，提高架梁效率。

解決辦法:為保證四吊鉤同步控制，在4套卷?yè)P(yáng)機(jī)卷筒輸出軸上安裝有測(cè)量吊鉤實(shí)時(shí)位置的傳感器，在卷?yè)P(yáng)液壓馬達(dá)上安裝測(cè)速傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)每個(gè)吊鉤的升降速度和下降深度。通過(guò)同步算法，實(shí)時(shí)調(diào)整卷?yè)P(yáng)比例閥電流實(shí)現(xiàn)吊鉤位置同步。

(5)轉(zhuǎn)向模式多樣，協(xié)調(diào)控制復(fù)雜。為適應(yīng)設(shè)備使用過(guò)程的復(fù)雜工況，開(kāi)發(fā)了八字、半八字、后車小八字、斜行、前車八字、后車八字、前車半八字、后車半八字及原地90°～0°轉(zhuǎn)向等多種轉(zhuǎn)向模式。所有輪組均為獨(dú)立液壓轉(zhuǎn)向，依靠編碼器實(shí)時(shí)反饋轉(zhuǎn)向角度進(jìn)行閉環(huán)PID控制，轉(zhuǎn)向精度及轉(zhuǎn)向同步協(xié)調(diào)性均達(dá)到使用要求。

5 結(jié)論及展望

(1)結(jié)論

機(jī)械、電氣控制、液壓系統(tǒng)共同協(xié)作和有效融合才能實(shí)現(xiàn)一體機(jī)功能和設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行，在設(shè)備研制以及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、調(diào)試過(guò)程中遇到很多難題并得以解決。該設(shè)備于2020年6月在福廈高鐵靈川制梁場(chǎng)調(diào)試成功，2021年7月11日福廈項(xiàng)目完工，設(shè)備轉(zhuǎn)場(chǎng)至杭衢項(xiàng)目繼續(xù)服役。

系統(tǒng)研制過(guò)程中，除研究設(shè)備使用工況及規(guī)范外，還對(duì)設(shè)備的使用安全、可靠性進(jìn)行深入研究，如輪組轉(zhuǎn)向、吊鉤起升高度以及喂梁同步等問(wèn)題。

(2)展望

后續(xù)將繼續(xù)關(guān)注設(shè)備應(yīng)用情況，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)優(yōu)化，以提高系統(tǒng)性能和操控舒適性。

在信息化和新技術(shù)應(yīng)用方面，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與設(shè)備維護(hù)相結(jié)合，將云監(jiān)控技術(shù)與設(shè)備的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控、實(shí)時(shí)故障診斷相結(jié)合，為設(shè)備的安全穩(wěn)定使用保駕護(hù)航。