橋梁施工掛籃智能化控制系統研究

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十分成熟，然而掛籃設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，沒有實現集中監控，總體來說有以下缺點：

1）掛籃施工現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配合，掛籃施工質量穩定性無法控制。

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和設備，推廣應用自動化、數字化、網絡化、智能化等先進制造系統、智能制造設備及大型成套技術裝備為目標，勢必要對傳統掛籃控制系統進行革新。

1 前支點掛籃自動化控制系統概況

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

1.1 組成

1套掛籃自動化控制系統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1套。

1.2 工作原理

液壓動力站通過驅動液壓油缸實現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頂升油缸協同完成；拱架的提升和下放動作由4個10 t的雙級油缸協同完成；掛籃的行走動作由2個50 t行走油缸完成；掛籃反滾輪的翻轉動作由2個擺動油缸完成。

2 液壓系統

液壓泵站是整個系統中十分關鍵的組成部分，它為系統執行元件運行提供了可靠的動力，以此驅動液壓缸各種動作。此液壓泵站是專為掛籃自動化控制系統設計的液壓系統，每臺掛籃的動作執行由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。

本液壓系統為恒壓力系統，液壓原理圖見圖2。

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

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

3 控制系統

3.1 控制系統概述

掛籃自動化控制系統為典型的主從分布式控制系統，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，以及發送操作人員指令；分控與泵站集成在一起，負責所對應設備液壓泵與閥的控制信號的發送，以及各個執行液壓缸狀態傳感器信號的收集；兩者配合，以閉環控制的方式實現掛籃升降、拱架升降、掛籃行走的精確同步。

掛籃自動化控制系統主要包括主控臺、泵站分控柜、執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。

控制系統具有以下特點：

1）分布式控制方式，實現設備遠程操控，充分保證人員安全。

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

3）用多路傳感器檢測技術，以采集系統的實時數據，并有效反饋，使系統處于全監控狀態，安全穩定的運行。

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

5）緊急情況下能實現一鍵（急停）斷開所有輸出點，確保安全。

6）采用PID控制比例閥技術，實現無級調速。

3.2 控制系統各部件

1）主控臺

主控臺是整個系統的控制中樞，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，以此實現各個動作的同步。同時系統的操作主要在主控臺進行，按照功能主控臺可以分為監控區和操作區。監控區為1臺21寸的電腦液晶顯示屏，顯示各個設備的狀態信息，如：位移、壓力、動作方向等，同時顯示屏上還設置了一些虛擬按鈕與數字輸入框，可以實現設備的選擇、比例閥開口值設置等，監控界面見下圖3；操作區為操作按鈕。

圖3 主控臺監控界面Fig.3 Console monitor interface

2）泵站分控柜

分控PLC主要實現泵站電機的啟動、液壓閥控制信號的發送、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備動作，其控制的電機功率11 kW，直接啟動。

3）傳感器

設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 系統連接

整套系統接線圖如圖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臺掛籃依次串聯起來由1臺主控控制。

圖4 系統連接示意圖Fig.4 Schematic diagram of system connection

4 操作流程

設備安裝到位，電源線、通訊線、與控制線連接好以后，設備即可以開始運行，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），合上箱內的所有空開，進行設備檢查：先將分控柜操作面板上旋鈕打到“手動”、油缸“保持”狀態，按下“啟動電機”按鈕，電機正常運行，待電機空轉5 min以后，按下“建壓”按鈕，然后分別依次選擇1～6閥，根據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），合上內部空氣開關，將主控臺面板上的電源開關旋鈕撥向右邊，電源指示燈亮，此時系統電源接通，面板上的“手動/自動”旋鈕可以根據需要撥動：自動狀態下選中的設備將自動保持速度一致，同步動作；手動狀態下設備將不同步，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”，左鍵單擊“運行”，即可進入監控程序界面。

4）監控界面介紹

監控畫面可以劃分為4個區：按鈕區、監視區、標題區以及菜單欄。

標題區顯示了公司名稱、系統名稱、和日期時間。

按鈕區為操作控制區，從上到下分為系統指示、同步控制、手動控制。

5）主控操作

進入監控界面后，點擊“參數設置”，此界面主要是對各臺比例閥參數、以及反饋比例系數進行設置，可以調節設備運行的速度，比例閥參數的輸入范圍為15 000～32 000，默認情況設置為25 000，“比例系數”為多點同步運行時的反饋系數，輸入范圍為0～2 500，參數值需要在實際運行時調試確定，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，其它油缸對應球閥應處于閉合狀態

然后進行功能選擇，將主控臺“行走/升降/拱架”3檔旋鈕開關旋至“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，其它油缸對應球閥應處于閉合狀態。

然后進行功能選擇，將主控臺“行走/升降/拱架”3檔旋鈕開關旋至“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，其它油缸對應球閥應處于閉合狀態。

然后進行功能選擇，將主控臺“行走/升降/拱架”3檔旋鈕開關旋至“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]均采用傳統的單點操作進行掛籃提升下放行走，單個循環（掛籃下放、行走、提升錨固調整標高）所需時間均在20 h左右，自動化控制系統在烏江大橋應用后單個循環時間縮短至10 h，節約了工期。

5.2 同步性

傳統操作方法多點之間同步性較差，手動量取每個千斤頂行程，手動調控多點之間進程，無科學的壓力位移控制調節系統。烏江特大橋采用液壓自動化系統，實現了掛籃操作實施控制，利用反饋控制閉環系統，將同步精度控制在3 mm內，掛籃操作同步性、協調性實現了質的飛躍。

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約。完全顛覆傳統掛籃操作方式，可以說是前支點掛籃操作領域革命性的改進。

6 結語

掛籃自動化控制系統在烏江大橋前支點掛籃施工中得到研發應用，提高了效率，降低了勞動力，目前此類控制系統已應用在橋梁頂推、前支點掛籃中，通過適當的改造該系統也可適用于各種形式的掛籃液壓系統中，對助推橋梁施工裝備的自動化、智能化、網絡化、集約化起到了促進作用。

[1]中交武漢港灣工程設計研究院有限公司.烏江大橋掛籃自動化控制系統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.烏江大橋上部結構施工方案[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[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.赤石大橋上部結構施工方案[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.淮安大橋上部結構施工方案[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.榮烏大橋上部結構施工方案[R].2013.Rongwu Bridge Project Department of CCCC Second Harbour Engineering Co.,Ltd.Construction scheme of superstructure of Rongwu Bridge[R].2013.