基于PLC控制的墩臺(tái)吊具調(diào)位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

桂漢杰，李立威

（1.中交武漢港灣工程設(shè)計(jì)研究院，武漢 430040；2.海工結(jié)構(gòu)新材料及維護(hù)加固技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430040；3.交通運(yùn)輸行業(yè)交通基礎(chǔ)設(shè)施智能制造技術(shù)研發(fā)中心，武漢 430040）

0 引言

海上墩臺(tái)通常采用鋼板樁圍堰施工制造，耗材損耗大，且施工工期易受天氣與浪潮影響，加上工作界面位于海上，每次工作都需要船只來回運(yùn)輸施工人員，進(jìn)一步加大整個(gè)工程的施工成本。綜合考慮，廈門第二東通道采用預(yù)制墩臺(tái)吊裝工藝，但墩臺(tái)吊裝后，會(huì)和設(shè)計(jì)點(diǎn)出現(xiàn)偏差，需要調(diào)位扶正，如果采用人工扶正，不僅會(huì)增加施工風(fēng)險(xiǎn)，而且大大提高了勞務(wù)工人的工作強(qiáng)度，更有甚者，會(huì)導(dǎo)致預(yù)制好的墩臺(tái)未經(jīng)使用就出現(xiàn)損傷現(xiàn)象，影響到橋梁整體的使用壽命。墩臺(tái)吊具調(diào)位控制系統(tǒng)取代人工作業(yè)，使用高精度的拉伸傳感器與壓力傳感器作為調(diào)位動(dòng)作判斷依據(jù)，更加科學(xué)、安全。整個(gè)設(shè)備的工作原理與頂推施工[1－3]設(shè)備相似，利用多臺(tái)三向千斤頂同方向動(dòng)作，依靠位移傳感器作為同步動(dòng)作判斷依據(jù)，控制PLC 輸出不同的模擬量電流信號(hào)，進(jìn)而控制比例方向閥開口大小，最終控制設(shè)備運(yùn)動(dòng)速率，來確保各個(gè)設(shè)備之間的運(yùn)動(dòng)位移距離相近或相同，最終實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)調(diào)位動(dòng)作。

海上橋墩墩臺(tái)施工一直是國(guó)內(nèi)外關(guān)注的重點(diǎn)，橋墩施工的好壞不僅影響后續(xù)施工工期，而且有可能會(huì)影響橋梁的使用壽命。墩臺(tái)吊具調(diào)位系統(tǒng)的出現(xiàn)，改變了傳統(tǒng)橋墩施工工藝，降低了整體施工風(fēng)險(xiǎn)與勞工的工作強(qiáng)度，提高了橋墩施工功效。采用高精度傳感器作為施工依據(jù)，減少人為干預(yù)，提升了調(diào)位精準(zhǔn)度與橋梁施工的自動(dòng)化程度。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

墩臺(tái)調(diào)位控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。整個(gè)墩臺(tái)吊具調(diào)位系統(tǒng)可由上吊具連接、調(diào)位操作平臺(tái)、三向千斤頂支撐墩臺(tái)、墩臺(tái)連接4部分構(gòu)成。上吊具連接部分由位于調(diào)位操作平臺(tái)上的4個(gè)吊耳通過鋼絞線與上部浮吊相連，作為初始定位使用；調(diào)位操作平臺(tái)上放置控制箱與發(fā)電機(jī)、比例閥、液壓回路及其他結(jié)構(gòu)的檢修走道；三向千斤頂支撐墩臺(tái)放置調(diào)位使用的三向千斤頂及位移、壓力傳感器，最后部分作用連接調(diào)位的下墩臺(tái)結(jié)構(gòu)。

圖1 墩臺(tái)調(diào)位控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

墩臺(tái)調(diào)位系統(tǒng)工作流程如圖2 所示。整個(gè)設(shè)備的工作流程為：浮吊通過上部吊具、鋼絞線與墩臺(tái)調(diào)位吊具相連接，通過4 000 t 浮吊運(yùn)輸?shù)降跹b工作目標(biāo)區(qū)域，下放鋼絞線使千斤頂調(diào)位平臺(tái)與下部鋼護(hù)筒相連接，完成吊具初步定位，隨后繼續(xù)緩慢下放浮吊吊鉤，在調(diào)位操作平臺(tái)下底面與千斤頂上表面相距10 cm 處，停止下落，此時(shí)墩臺(tái)吊具操作人員，操作控制箱內(nèi)的上位機(jī)，使三向千斤頂向豎直方向運(yùn)動(dòng)，主動(dòng)接觸吊具底面，通過壓力傳感器反饋的設(shè)備支反力數(shù)據(jù)，調(diào)節(jié)4臺(tái)千斤頂均衡受力，使4個(gè)點(diǎn)均勻到達(dá)400 t 左右時(shí)，再次下放浮吊吊鉤，使調(diào)位工作平臺(tái)緩慢放置在位于定位完成的千斤頂上，完成墩臺(tái)初定位，后期通過三向千斤頂調(diào)位動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)精調(diào)工作。

圖2 墩臺(tái)調(diào)位系統(tǒng)工作流程

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 液壓回路

液壓回路局部如圖3 所示，墩臺(tái)吊裝調(diào)位裝置液壓控制部分由1 個(gè)液壓泵站與12 個(gè)工作油缸組成，每個(gè)頂升油路中安裝有壓力傳感器與保壓裝置——平衡閥，同時(shí)由于頂升油缸需要承載墩臺(tái)與吊具的重量，故在頂升油缸上部安裝機(jī)械鎖緊裝置，作為雙重保護(hù)。每個(gè)方向的油缸都安裝有米朗的拉伸傳感器，用于控制調(diào)位距離。墩臺(tái)吊具調(diào)位控制系統(tǒng)所使用的流量控制開關(guān)是VTOZ三位四通比例方向閥，工作電流是4～20 mA，其開口大小由PLC 輸出的模擬量電流信號(hào)控制，閉合狀態(tài)下，PLC輸出12 mA電流信號(hào)，調(diào)位工作時(shí)，個(gè)點(diǎn)設(shè)備同步運(yùn)動(dòng)，PLC 依據(jù)個(gè)點(diǎn)位移傳感器數(shù)值，不斷調(diào)節(jié)模擬量輸出信號(hào)，從而調(diào)節(jié)比例方向閥開口值，進(jìn)一步控制液壓管路流量，最終實(shí)現(xiàn)整個(gè)裝置平穩(wěn)調(diào)位。

圖3 液壓回路局部

整個(gè)液壓回路的工作壓力由液壓泵站內(nèi)部柱塞泵與VTOZ電磁溢流閥控制，在裝置工作之前設(shè)置完畢。

2.2 電氣控制系統(tǒng)

2.2.1 硬件選型

墩臺(tái)吊裝調(diào)位裝置中電氣控制元件數(shù)量眾多，大體有12個(gè)比例方向閥、4個(gè)位移傳感器、5個(gè)壓力傳感器與一些功能按鈕、指示燈。考慮到元器件成本與功效，同時(shí)確保工作準(zhǔn)確、安全、可靠，采用PLC 作為總控制器，控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)行，處理傳感器信號(hào)[4]。在PLC系統(tǒng)的硬件方面，對(duì)于PLC技術(shù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，排在第一位需要考慮的是所選PLC 設(shè)備的型號(hào)。在對(duì)型號(hào)進(jìn)行選擇時(shí)，最關(guān)鍵的是需要考慮兩個(gè)問題，一是硬件型號(hào)是否滿足要求；二是所選硬件結(jié)構(gòu)是否合適[5]。本裝置選用西門子CPU1214C作為控制單元，S7－1200系列可編程邏輯控制器結(jié)構(gòu)緊湊、組態(tài)靈活、功能全面，可在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)保證可靠安全[6]。控制中心的人機(jī)交互界面，選用MT8103IE 型號(hào)的威綸通觸摸屏，通過PROFINET 網(wǎng)絡(luò)接口與西門子PLC 組態(tài)在同一網(wǎng)絡(luò)，上位機(jī)監(jiān)控畫面上顯示各個(gè)設(shè)備的拉伸與壓力傳感器，便于對(duì)各個(gè)設(shè)備的工作狀態(tài)監(jiān)控與實(shí)時(shí)調(diào)控。該工作模塊具有14個(gè)高速輸入量、10個(gè)高速輸出量和2個(gè)模擬量輸入口。墩臺(tái)吊具調(diào)位控制系統(tǒng)總共控制點(diǎn)為數(shù)字量輸入、輸出分別為30個(gè)與10個(gè)，模擬量輸入、輸出分別為21 與12 個(gè)控制點(diǎn)，西門子1214C 模塊自身控制數(shù)量有限，需要額外增加擴(kuò)展模塊sm1221（DI16×24VDC）、sm1232（AI4/AQ2）、sm1234（AQ4）組成電氣控制核心模塊組，如圖4所示，主要用于實(shí)現(xiàn)信號(hào)甄別、解析、數(shù)值處理、輸出信號(hào)和控制油缸動(dòng)作等功能；位于模塊組中的模擬量輸入、輸出口與傳感器和比例方向閥相連，通過電流信號(hào)，采集數(shù)值，控制開口。本裝置采用米朗拉伸傳感器，工作電壓為24 V，工作量程為0～500 mm，輸出信號(hào)為4～20 mA。比例閥采用的是VTOZ 比例方向閥，工作電壓為24 V，輸入信號(hào)為4～20 mA。整個(gè)控制系統(tǒng)供電采用明緯的DPR－480－24 開關(guān)電源，輸入220 V，輸出24 V，功率480 W，確保了整個(gè)控制回路元器件的正常工作。

圖4 電氣控制核心模塊

2.2.2 電氣控制回路設(shè)計(jì)

整個(gè)設(shè)備的電氣控制回路分為動(dòng)力回路和PLC 控制回路兩大部分。

（1）動(dòng)力回路。設(shè)備需要同時(shí)控制4 臺(tái)三向千斤頂動(dòng)作，采用37 kW 柱塞泵供壓，啟動(dòng)工作時(shí)工作電流可以達(dá)到120～140 A。為了保證整個(gè)電路平穩(wěn)工作，采用星－三角降壓?jiǎn)?dòng)方式，如圖5所示。啟停泵控制信號(hào)由如圖6所示的PLC控制回路發(fā)出，確保整個(gè)設(shè)備啟泵過程平穩(wěn)。

圖5 部分動(dòng)力回路

圖6 部分PLC控制回路

（2）控制回路。依據(jù)墩臺(tái)調(diào)位控制系統(tǒng)的控制要求，選擇威綸通觸摸屏作為人機(jī)界面，西門子1214C 作為控制核心模塊，計(jì)算需要使用的開關(guān)量與模擬量數(shù)量，并在計(jì)算機(jī)上使用博圖TIA 軟件編寫軟件控制程序，通過以太網(wǎng)下載到S7－1214CPLC 中，威綸通觸摸屏也通過以太網(wǎng)連接與PLC 實(shí)現(xiàn)組態(tài)通信。由于所使用的1214CPLC只有1個(gè)網(wǎng)線接口，為了避免操作人員使用PC電腦遠(yuǎn)程控制，故采用路由器作為信號(hào)中轉(zhuǎn)點(diǎn)和數(shù)據(jù)發(fā)射端。系統(tǒng)連接關(guān)系如圖7所示。

圖7 控制系統(tǒng)硬件框架

2.2.3 軟件設(shè)計(jì)

可編輯邏輯控制器（PLC）是一種數(shù)字運(yùn)算操作電子系統(tǒng)，專門為工業(yè)環(huán)境的應(yīng)用而設(shè)計(jì)，是工業(yè)控制設(shè)備，具有通用性[7]。其工作流程包括信號(hào)采集輸入、程序內(nèi)部掃描、信號(hào)輸出。CUP1214C 依次讀取數(shù)字量、模擬量接口輸入信號(hào)，經(jīng)過內(nèi)部程序掃描運(yùn)算后[8]，通過Q區(qū)輸出命令信號(hào)，命令信號(hào)通過控制回路傳送到對(duì)應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的整個(gè)控制過程。

在硬件方面的工作完成之后，就需要根據(jù)PLC 系統(tǒng)實(shí)際需要達(dá)到的控制功能來對(duì)其軟件部分進(jìn)行相應(yīng)地程序設(shè)計(jì)[9－10]。墩臺(tái)吊具調(diào)位控制系統(tǒng)由分段模塊化思路構(gòu)成，借助西門子博圖V16.0軟件完成設(shè)計(jì)，依據(jù)功能、要求的不同，系統(tǒng)分為故障識(shí)別處理模塊、壓力與位移采集模塊、數(shù)據(jù)運(yùn)算模塊、動(dòng)作輸出模塊。各個(gè)功能模塊在設(shè)計(jì)之初需要確認(rèn)相對(duì)應(yīng)的I/O接口的數(shù)量及數(shù)據(jù)類型，在滿足功能要求的基礎(chǔ)上完成程序設(shè)計(jì)及編譯。整個(gè)設(shè)備的工作流程如圖8所示。系統(tǒng)自檢包括西門子模塊I/O 端口、液壓泵站是否存在異常現(xiàn)象。確認(rèn)沒有異常報(bào)警信號(hào)后，即可啟停泵完成相應(yīng)動(dòng)作要求。

圖8 程序工作流程

在內(nèi)部程序設(shè)計(jì)方面，采用梯形圖與SCL 高級(jí)語(yǔ)言相結(jié)合的方式編寫程序，梯形圖編程方式主要是對(duì)繼電器、開關(guān)量信號(hào)進(jìn)行控制，因其便捷、直觀的特點(diǎn)，加上不需要編譯人員額外掌握其他高級(jí)語(yǔ)言，因此被廣大電氣設(shè)計(jì)工作人員所使用。在本裝置中，比如啟停泵、建壓、各類報(bào)警信號(hào)（相序反饋、油溫報(bào)警、液位報(bào)警、高壓報(bào)警、過載報(bào)警等信號(hào)）都采用梯形圖設(shè)計(jì)，在實(shí)際使用過程中，出現(xiàn)相應(yīng)的問題，操作者只需要查找對(duì)應(yīng)的梯形圖程序段，即可找到報(bào)警問題的發(fā)生點(diǎn)。在針對(duì)模擬量輸入、輸出方面，比如：拉伸與壓力傳感器模擬量輸入信號(hào)，VTOZ比例方向閥輸出信號(hào)都采用SCL 語(yǔ)言編程。SCL 語(yǔ)言與C 語(yǔ)言類似，具有相同的FOR、While 循環(huán)結(jié)構(gòu)與IF、Case 判斷條件，對(duì)于從未接觸C語(yǔ)言的電氣設(shè)計(jì)人員而言，理解起來具有一定難度，但SCL語(yǔ)言的使用有利于處理復(fù)雜程序與繁瑣的數(shù)據(jù)。本裝置采用FOR 循環(huán)結(jié)構(gòu)與NORM_X、SCALE_X 語(yǔ)句相結(jié)合的方式采集傳感器信號(hào)，顯示在觸摸屏上，同時(shí)利用IF/ELSE判斷語(yǔ)句與設(shè)備運(yùn)動(dòng)動(dòng)作的邏輯關(guān)系作為比例方向閥信號(hào)的輸出條件，控制雙向液壓油缸推拉動(dòng)作。采用SCL 語(yǔ)句處理程序，使相似內(nèi)容的程序段得以壓縮，使整個(gè)程序更加精煉、簡(jiǎn)單。

3 應(yīng)用效果

以西門子PLC 控制器為核心的墩臺(tái)吊具調(diào)位控制系統(tǒng)改變了傳統(tǒng)的海上橋墩制造方式，降低了施工成本、施工風(fēng)險(xiǎn)的同時(shí)，提高了施工功效。本裝置采用比較可靠的電氣與液壓元器件，使整個(gè)橋墩調(diào)位過程平穩(wěn)、安全。在操作控制方面，采用了面板與遙控器相互獨(dú)立控制模式，提高操作便捷性的同時(shí)，又可兼顧檢查設(shè)備的工作狀態(tài)，大大降低施工風(fēng)險(xiǎn)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)現(xiàn)存的海上墩臺(tái)施工模式的弊端，設(shè)計(jì)了一種新型的施工裝備。該裝備以西門子PLC 控制器為核心，以比例方向閥與雙向動(dòng)作油缸為一個(gè)執(zhí)行構(gòu)建，分區(qū)分段實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制，同時(shí)充分利用精準(zhǔn)度較高的壓力與位移傳感器，作為數(shù)據(jù)采集反饋監(jiān)控單元。設(shè)備與PC、觸摸屏之間采用Profi?net通訊方式，大大降低了數(shù)據(jù)傳輸?shù)难舆t速率，設(shè)計(jì)了采集信號(hào)到輸出控制的閉環(huán)控制，大大提升了調(diào)位的精準(zhǔn)度與功效，有效降低施工風(fēng)險(xiǎn)與時(shí)間損耗。可為同類施工設(shè)備進(jìn)一步提升與改造提供一定的參考價(jià)值。