多點液壓同步提升自動化控制系統設計與實現

孫 燦，李立威

（1.中交武漢港灣工程設計研究院有限公司，武漢 430040；2.海工結構新材料及維護加固技術湖北省重點實驗室，武漢 430040；3.交通運輸行業交通基礎設施智能制造技術研發中心，武漢 430040）

0 引言

液壓提升系統是集機械、電氣、液壓與自動化控制技術為一體的多學科交叉系統，已經在許多重大工程建設中得到成功應用[1－2]。其傳統工藝是將千斤頂安裝底板固定在提升平臺上作為鋼箱梁的提升機具，高強度、低松弛的鋼絞線作為承重索具，鋼絞線帶著錨頭座與重物構件一起吊裝[3]。目前，大部分液壓提升控制系統存在自動化程度低、同步性較差、無鋼絞線卷繞裝置或鋼絞線卷繞散亂等問題，需要過多的人工干預。

針對上述問題，本文以東江南支流港灣大橋鋼箱梁安裝項目為依托，以無人化值守的設計理念，對提升設備的自動化控制系統進行了開發。首先對提升系統的組成進行了設計，并將液壓馬達主動卷繞鋼絞線應用于提升系統中。然后，從提升系統的工作原理出發，對提升頂和液壓馬達的工作特性進行了分析。最后，對各設備進行通訊組網，并對控制策略進行了研究，基于TIA Portal、CX－Programmer、EB?PRO 等多種軟件平臺，構建了一套多點液壓同步提升自動化控制系統，并依據提升設備工作特性，開發完善的報警與安全防護程序。

1 工程概況

東江南支流港灣大橋主橋為主跨320 m的自錨式懸索橋，主跨主纜垂跨比為1∶5，主纜坡度較大，又因提前架設了主纜，纜載吊機與浮吊等常規吊裝方式難以滿足施工要求。經過方案研究，基于液壓提升施工工藝，施工方創新性提出采用倒提升工藝對主梁進行吊裝施工。與傳統工藝相比，倒提升工藝是以懸索橋的主纜為依托，錨頭座固定于臨時索夾處，千斤頂倒置安裝在重物構件上，與重物構件沿著鋼絞線一同向上爬升，吊裝過程中液壓泵站也一同放置于重物構件上，解決了作業場地的問題。

2 提升系統組成

本套液壓提升系統主要包括1臺主控制柜、4臺提升液壓泵站、4 臺提升千斤頂、2 臺卷繞液壓泵站、4 臺液壓馬達卷線盤及其他附件。在進行吊裝時，千斤頂倒置安裝在重物構件上，如圖1所示，帶著構件沿著鋼絞線向上爬升。系統的動力由液壓泵站提供，泵站輸出的液壓油驅動千斤頂與液壓馬達的相關動作。控制系統根據各傳感裝置反饋的數據對油路進行協調，精確調節千斤頂的動作快慢與液壓馬達的間歇性卷繞，實現構件的提升作業。

圖1 設備安裝

現有的鋼絞線卷繞裝置多為被動卷繞，依靠鋼絞線的推力驅動卷線盤的轉動，使得卷繞速度難以匹配千斤頂的速度，導致鋼絞線卷繞經常性出現卡頓、錯層、亂層等現象，需要進行人為疏導[4]。本系統中，鋼絞線采用主動卷繞方式，利用液壓馬達張緊鋼絞線，通過控制系統的協調，保證卷繞速度與提升速度的匹配，卷繞馬達卷線盤與油缸支架通過框架固定在一起整體吊裝。

3 提升設備

3.1 提升千斤頂

千斤頂結構如圖2 所示。提升千斤頂主要由主頂、上夾持頂、下夾持頂及其他附屬部件組成，上夾持頂設置在主頂活塞端與活塞一起運動，下夾持頂固定在安裝底板上。夾持頂工作時鎖緊鋼絞線，不工作時放松鋼絞線。液壓泵站向千斤頂供油，推動主頂活塞伸缸或縮缸運動。伸缸時，上夾持頂鎖緊鋼絞線帶著提升重物一同向上移動；縮缸時，下夾持頂鎖緊鋼絞線，活塞回程，準備下一行程的提升[5－6]。

圖2 千斤頂結構

3.2 液壓卷繞馬達

液壓馬達是液壓系統中非常常見的能量轉換裝置，廣泛應用于工程機械中，其功能是將液壓能轉換為機械能，輸出轉矩和轉速[7]。在本系統中，使用外控式馬達減速機，帶有單獨的輔助泵控制剎車油路，如圖3 所示，具有耐沖擊和慣性小的特點，與電動機相比，傳動軸瞬間即可反向。液壓馬達帶動滾筒上的鋼絞線，從而實現提升過程中的慢速收卷和快速下放鋼絞線的動作[8]。利用傳感器測量數據的反饋，閉環控制。配置恒張力閥，保障收卷和放卷的均勻控制[9]。

圖3 液壓馬達原理

4 自動化控制系統設計

4.1 控制系統組成

系統中每個液壓泵站為一個分控[10]，控制系統為典型的主從分布式控制系統。其通訊組網如圖4所示，系統通過Con?troller Link、以太網、Profinet DP 等多種方式組網，實現各種不同設備間的數據傳輸以及主控的集中控制。

圖4 系統拓撲圖

PLC 可靠性高，具有強大的自我檢測能力，是整個控制系統的核心[11]。提升系統控制模塊選用的是歐姆龍CJ 系列的PLC，基于CX－Programmer對其控制程序進行設計；卷繞系統控制模塊選用的是西門子S7－1200 系列PLC，基于TIA Portal對其控制程序進行設計。控制模塊具體結構如圖5所示。

圖5 控制模塊結構

千斤頂和卷繞馬達設置有多種傳感裝置，主要采集信號有千斤頂的位移與壓力、卷繞馬達的卷繞壓力與制動壓力等。每個千斤頂還配置有8個接近開關，用于獲取主頂與上下夾持頂的位置信息，分別為主頂#1～#4 位、上夾持緊、上夾持松、下夾持緊、下夾持松。

主控PLC 與HMI 集成在一起，對各傳感器采集到的信號進行處理，根據動作要求編寫相應程序，控制電磁閥的開合，以閉環的方式實現提升千斤頂伸缸、縮缸、緊上錨、松上錨、緊下錨、松下錨以及卷繞馬達正轉、反轉等基本動作的精確控制。

4.2 自動化同步提升卷繞算法

由于鋼箱梁安裝是一個長時間的吊裝過程，操作人員需要時刻保持注意力，為了減少操作人員負擔，避免出現誤操作現象，根據提升工況與千斤頂動作流程，系統中編寫有自動提升程序，提升過程自動循環，無需干預。其動作流程如圖6所示。

圖6 自動程序流程

系統中每個千斤頂為一個吊點，為了保證構件吊裝姿態以及各吊點受載均勻，需要實現各千斤頂的集群同步控制。通過對千斤頂的位移差進行判斷，計算各頂比例閥開口大小，對千斤頂速度進行調節，保證各吊點的同步，同步控制原理如圖7所示。同時，程序中設置有等待，保證所有千斤頂的同一動作流程完成后，再同時進行下一流程的動作，盡可能減小誤差。

圖7 同步控制原理

卷繞系統的可控性與穩定性可有效減少人員需求，避免人員隨構件一起吊裝。在本系統中，提升主控與卷繞主控兩種不同型號的PLC，通過物理接線的方式組合在一起。提升系統PLC 的輸出端接入至卷繞系統PLC 的輸入端，提升系統的狀態信息可實時傳送至卷繞系統，使得卷繞系統可自動識別提升千斤頂的工作行程與空行程，實現間歇性卷繞。操作人員可通過實際卷繞情況對卷繞參數進行一定的調整，如卷繞行程設置、卷繞開啟延時、卷繞關閉延時等，保證卷繞與千斤頂提升的同步性。程序中也設置有壓力保護系統，壓力達到設定值時指令先導式溢流閥動作，實現卷繞馬達的停轉，避免出現鋼絞線拉扯現象。

4.3 人機界面設計

工業觸摸屏在工控領域非常常見，其內部端口可以直接通過網絡和PLC 通訊，大大方便了數據的處理與傳輸，并且觸摸屏具有良好的電磁兼容性和高抗干擾能力，運行穩定可靠[12]。系統主控制柜采用的是威綸通MT8150iE 工業觸摸屏，人機界面（HMI）對提升過程進行控制與監測，實時地響應分控各種參數的變化，當參數出現偏差或故障時，能及時地進行報警和處理。圖8～10所示為主控制臺部分操作界面，操作界面還具有歷史數據保存功能，為控制系統后續的數據分析和改進提供有價值的參考。

圖8 提升主界面

圖9 卷繞操作界面

4.4 安全保護措施

為了實現無人化值守的目的，在設備端還設置有多組高清網絡攝像頭，便于操作人員了解上下夾持頂以及鋼絞線情況，根據設備實際運行情況調整相關參數，如預松錨時間、卷繞行程設置與卷繞延時等。同時，程序中還設置有大量保護措施，保障提升過程安全穩定。關鍵安全性保護措施如下。

（1）自鎖功能。控制系統在自動或手動操作過程中，若某臺受控頂的上下夾持頂均不處于夾緊狀態時，蜂鳴器報警。在自動控制過程中則所有千斤頂的伸缸、縮缸、松上錨、松下錨等動作停止。

圖10 卷繞隨動參數設置界面

（2）噸位保護。各吊點設置噸位上限，當吊點實際噸位超過噸位上限時，觸發保護程序，上下夾持頂同時鎖緊。

（3）位移差保護。設置位移差上限值，當實際位移差超過剛上限值時，觸發報警程序，設備停止動作。

（4）防拉窩保護。為了避免鋼絞線出現窩缸或拉扯現象，以下情況會觸發防窩保護程序：千斤頂上下夾持錨同緊狀態下，對其主油缸進行伸縮缸操作；上夾持頂緊、下夾持頂預松狀態下，對其主油缸進行縮缸操作或長時間進行伸缸操作；下夾持頂緊、上夾持頂預松狀態下，對其主油缸進行伸缸操作或長時間進行縮缸操作。

（5）卷繞壓力保護。設置卷繞壓力上限，避免鋼絞線拉扯而出現鋼絞線損傷的現象。

（6）通訊異常保護。若某臺分控與主控出現通訊故障，立刻停止該分控所有動作。

5 結束語

本文針對東江南支流港灣大橋倒提升施工的需要，對液壓提升系統控制策略進行研究，構建了一套同步提升與卷繞匹配控制系統。目前，該控制系統已經成功應用于港灣大橋的建設中，系統能實現全自動同步動作、保持負載均衡、卷繞速度匹配，具備過程狀態顯示及故障預警等多種功能，整體運行穩定、人工干預少、安全可靠，達到了預期的效果。該系統具有如下技術特點。

（1）系統運用液壓傳動和PLC 控制技術實現了對設備的自動化控制，施工效率得到了提升，速度由之前的12 m/h 提高到18 m/h。同時，自動化控制也大大減少了主控人員的工作強度。

（2）通過多種通訊技術實現了控制系統的集中化，并設計UI 進行數據可視化，增加了設備的可控性，僅需1 名主控人員與1名觀察人員即可完成吊裝過程。

（3）控制系統通過對位移量與負載的實時測量，快速識別各吊點的不平衡量，自動調節液壓系統的執行參數，來達到控制各吊點的同步性，確保受力的均勻，同步精度可達到3 mm。

（4）針對被動卷繞現有缺陷，設計實現了一套卷繞速度完全匹配提升千斤頂的鋼絞線主動卷繞裝置，減少了人為疏導，至少節省了4名操作人員。

（5）完善的報警信息與安全保護功能，多達143 條報警信息全方位保證系統安全可靠運行，最大限度避免人員誤操作造成的失誤。