高鐵1000 t/40 m梁昆侖號運架一體機電氣控制系統研制

杜小剛

(中鐵十一局集團漢江重工有限公司 湖北襄陽 441046)

1 引言

1000 t/40 m運架一體機用于高速鐵路、客運專線雙線整孔箱梁的提、運、架設，可以架設40 m、32 m、24 m、20 m等跨度的預應力混凝土整孔箱梁，并可在隧道口和隧道內架梁。

1000 t/40 m運架一體機研制為中國鐵建《高速鐵路40 m預應力混凝土簡支箱梁運架成套施工設備研制》課題中的子項。本文主要介紹電氣控制系統研制過程中控制方案確定過程、主要難點及解決措施。

2 控制系統方案確定

圖1為1000 t/40 m運架一體機結構總圖。研究內容主要包括控制對象研究、控制功能確定、環境和人為因素等。

圖1 1000 t/40 m運架一體機結構

2.1 控制對象

從設備控制對象組成來看，主要包括:(1)卷揚起升及前后小車縱橫移控制；(2)前后車驅動行走及制動控制；(3)主支腿、中支腿及后輔助支腿控制；(4)前后車懸掛控制；(5)司機室及遙控操控、人機界面控制；(6)整機海量傳感器采集及控制指令傳輸控制。

2.2 控制功能指標

設備各子系統功能指標見表1。

表1 各子系統功能參數

2.3 環境及人為要素

(1)工作場景

運架一體機作為特種設備，是一種露天工作的超大型高鐵橋梁施工機械，控制系統面臨室外雨水沖刷、塵土飛揚、設備振動(路面顛簸和發動機振動等)、沿海鹽霧、大風及雷電等問題。

(2)人為因素

設備使用者多為技校畢業或農民工，對設備工作原理缺乏系統了解，對控制系統有了解者少之又少。

方案設計中，對于人為因素，則需在系統操控及人機界面、安全互鎖與報警、人機功能學方面的系統邏輯功能上進行考慮。圖2為運架一體機電氣控制系統原理圖。

圖2 運架一體機電氣控制系統原理

3 主要子系統功能方案設計

3.1 動力及液壓系統

液壓傳動相較于其他傳動方式具有實現重載低速運動、平順調速和結構緊湊等優勢[1-2]。如卷揚機構由主泵、主閥、平衡閥、制動器控制閥及制動器、卷揚液壓馬達等組成[3]。

前車發動機為前車的轉向、懸掛、行走及制動系統等提供動力；后車發動機為后車的轉向、懸掛、行走及制動系統、卷揚起升、小車縱橫移以及中支腿頂升油缸提供動力。主支腿行走機構以及主支腿液壓系統由一臺發電機組提供動力。

整機控制系統采用分布式CAN總線方式將若干臺控制器和3個顯示屏以及所有轉向編碼器連成一體。控制系統以3臺司機室為中心實現對前后車動力系統、行走驅動系統、轉向系統、起升系統、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實現設備的控制功能及安全，見圖3。

圖3 運架一體機控制系統總線拓撲結構

總控制中心的4個CAN通道均支持如J1939、CAN2.0A/B等協議，可連接發動機、編碼器、傾角及測距等不同傳輸協議的設備和傳感器。前后車主數據通道采用指令和信息雙層網絡進行數據通訊，實現分布式控制[4-5]，布線連接簡潔的同時也將數據聯通的延時和總線負載率降低到合理范圍內[6]。

表2為單雙層網絡數據傳輸總線負載率對比，通過對比可知，采用雙層網絡數據傳輸的總線網絡結構，總線負載率下降50%左右，實測和現場應用過程中系統網絡穩定，效果非常好。

表2 單雙層網絡數據傳輸總線負載率對比

3.2 行走驅動控制系統

行走車速由3個變量共同協調控制。每個馬達安裝有霍爾轉速傳感器實現對驅動行走速度的監控，控制器采集馬達轉速信號實現對車速的監控和防打滑控制，見圖4。

圖4 行走驅動控制示意

由于前后車為前后獨立動力和液壓系統，前后車的行走控制需進行同步控制，圖5為前后車同步控制方案原理。前后車驅動行走控制采用速度環和壓力環雙閉環控制實現驅動行走同步。

圖5 行走驅動同步控制原理

3.3 轉向控制系統

轉向控制系統要實現八字、半八字、小八字轉向功能。轉向控制由方向盤轉向電位器發送轉角信號至車載控制器，控制器采集總線編碼器的轉角數值進行閉環計算，并輸出PWM電流信號控制轉向比例閥，實現高精度閉環轉向控制[7-8]，見圖6。

圖6 轉向閉環控制

3.4 支腿懸掛控制

運架一體機所有輪組均采用液壓獨立懸掛，前后車懸掛動力源為獨立的液壓系統，依據前后車懸掛壓力傳感器數據及主梁傾角來實時調整懸掛升降實現設備前后車適應縱坡喂梁及輪組受力均衡。同時還可根據壓力傳感器數據實時監測懸掛承載重量，出現超差情況發出報警信號，超過極限壓力時限制操作，以提高行駛過程安全性。

3.5 安全監控及信息化系統

遵循準確性、實用性和可維護性原則，以數據采集與傳輸層、數據處理層、數據儲存層和用戶交互層為核心層次，監控動態與靜態信息[9-11]。運架一體機安全監控及信息化系統組成原理見圖7。

信息化系統數據來源為各類傳感器采集的數據，以及控制系統處理后向上傳輸的設備狀態數據。

設備上布設400多個數據監控點，實時監控設備狀態，主要包括:(1)所有轉向輪組轉向角度；(2)發動機狀態(轉速、機油壓力、冷卻液溫度等)；(3)輪組轉向、行走、支腿、懸掛、卷揚液壓系統各測點壓力值，壓力異常報警提示等；(4)車體水平度及主支腿垂直度；(5)所有比例閥組、馬達、泵、制動閥組輸出電流數值。

3.6 幾個重點功能研究

結合設備實際使用工況，還需對以下功能進行研究:

(1)隧道防撞監測及自動駕駛

運架一體機及箱梁與隧道壁間距采用激光測距傳感器進行實時監測。如圖8所示，測距傳感器安裝于設備四角，當行走方向出現偏差時，在自動駕駛模式下，控制系統可自動控制方向盤進行左轉或右轉調整，使設備走行于隧道中心線上[12]。

(2)運架一體機主梁及主支腿傾斜監測

運架一體機主梁傾斜測點于主梁前中后三個截面進行布置，每個截面布置兩個傳感器，傳感器安裝在主梁側面頂部。主支腿傾斜測點布置在主支腿，每個支腿布置兩個測點(縱橫向)。各測點采集的數據接入數據處理工作站，根據計算分析結果進行分級預警，預警結果通過駕駛室屏幕直接展示，并播報預警信息，駕駛員可及時現場調整運架一體機操作。

(3)關鍵部位壓力監測

對運架一體機受壓關鍵部位，在運架梁階段進行壓力實時監測，根據壓力監測數值判斷設備安全狀態。

各測點壓力傳感器就近連接至控制器，根據計算分析結果，與各個測點控制值進行比較并進行分級預警，預警結果通過駕駛室屏幕直接展示給駕駛員，根據現場情況及時指揮運架一體機停止工作，并進行分析。

(4)起重吊點受力與支腿受力監測

在運架一體機各個吊點固定端及轉向滑輪位置安裝銷軸傳感器，主支腿每個斜撐兩端各安裝1個銷軸式傳感器，監測數據超出限值時進行預警，指導現場操作。吊點與支腿受力信息及預警信息可接入信息管理平臺。

4 重難點問題及解決措施

(1)系統龐大且控制復雜?？刂苾热荻嗲曳稚ⅰ⑾到y龐大、協調性要求高。

解決辦法:采用分布式控制模式，利用CAN現場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向角度同步。前后車為球鉸連接，實現兩個獨立運動體系的同步協調是一大難點，一方面要保證前后車行走速度同步，避免出現前后車的推拉效應，另一方面要保證前后車轉向協調同步，需要對后車轉向角度進行實時糾偏。

解決辦法:采用理論計算與試驗驗證方法，反復調試最終確定保證設備穩定運行的控制參數。

(3)過孔時主支腿與后車的同步控制。設備兩次過孔是非常關鍵且是風險性最大的工況，特別是第二次重載過孔。

解決辦法:保證主支腿托輪馬達和后車喂梁驅動行走的同步是最關鍵的一環，依靠多套安全測量裝置并采用同步控制策略，最終保障兩套機構速度同步和運行過程的安全。

(4)起升同步控制。通過四吊鉤同步控制，可減輕操作難度，減少調整梁片姿態時間，提高架梁效率。

解決辦法:為保證四吊鉤同步控制，在4套卷揚機卷筒輸出軸上安裝有測量吊鉤實時位置的傳感器，在卷揚液壓馬達上安裝測速傳感器，實時監測每個吊鉤的升降速度和下降深度。通過同步算法，實時調整卷揚比例閥電流實現吊鉤位置同步。

(5)轉向模式多樣，協調控制復雜。為適應設備使用過程的復雜工況，開發了八字、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°轉向等多種轉向模式。所有輪組均為獨立液壓轉向，依靠編碼器實時反饋轉向角度進行閉環PID控制，轉向精度及轉向同步協調性均達到使用要求。

5 結論及展望

(1)結論

機械、電氣控制、液壓系統共同協作和有效融合才能實現一體機功能和設備的安全穩定運行，在設備研制以及控制系統設計、調試過程中遇到很多難題并得以解決。該設備于2020年6月在福廈高鐵靈川制梁場調試成功，2021年7月11日福廈項目完工，設備轉場至杭衢項目繼續服役。

系統研制過程中，除研究設備使用工況及規范外，還對設備的使用安全、可靠性進行深入研究，如輪組轉向、吊鉤起升高度以及喂梁同步等問題。

(2)展望

后續將繼續關注設備應用情況，對系統進行升級優化，以提高系統性能和操控舒適性。

在信息化和新技術應用方面，將物聯網技術與設備維護相結合，將云監控技術與設備的遠程實時監控、實時故障診斷相結合，為設備的安全穩定使用保駕護航。