橋纜索吊裝系統自動化控制技術探究

韓洪舉 郭吉平 張基進

（1.貴州交通建設集團有限公司，貴州 貴陽 550000；2.貴州路橋集團有限公司，貴州 貴陽 550000）

一、基于北斗精準定位的跑車監測技術的開發

（一）北斗精準定位系統組成

精準定位系統主要由基準站服務中心、差分服務系統、車載設備(吊纜小車設備)和位置服務輸出端組成。系統結構拓撲圖如圖1所示。

圖1 基站服務中心

1.基站服務中心

精準定位系統基準站主要由北斗天線、電纜線、北斗主機、基站數據管理、差分服務軟件構成。基站安裝示意圖如圖2所示。

圖2 基站安裝示意圖

北斗基準站用以長期連續跟蹤觀測北斗衛星信號，通過通訊系統（如網絡）實時傳輸衛星信息，為安裝在小車上的機載設備提供實時高精度載波相位差分數據。由于差分信息播發連續性和可靠性與車載移動站定位精度密切相關，它所提供的差分修正信息是保障移動站定位精度的基礎。

2.定位終端

北斗定位終端安裝在跑車上，用于實時采集跑車的位置信息。每臺跑車安裝一個，通過4G網絡和電腦實時通訊，電腦端實時獲取定位終端上傳的信息，通過軟件分析，分別得到兩臺小車三維位置和速度。自動化控制系統接收到速度信息后，調節卷揚機的速度，實現與跑車速度的同步；顯示系統收到位置信息后，可以對跑車的三維位置進行同步顯示。

3.電源保障

跑車端移動定位終端的供電電源使用12V直流供電。一般正常環境下使用5V/2A的移動充電寶作為供電電源，但河閃渡現場施工工況為高空，電源更換難，所以設置太陽能板供電方式，保障定位終端的穩定供電。

（二）跑車定位計算方法

在河閃渡大橋兩岸湄潭岸和石阡岸用北斗移動模塊定下4個坐標點。湄潭岸是橋的小里程，石阡岸為大里程。河閃渡大橋的湄潭岸索鞍的上游和下游定了兩個坐標點，上游部分為跑車1起點坐標，下游為跑車2起點坐標。石阡岸同樣也在上游和下游定了兩個坐標點，上游部分為跑車1終點坐標，下游為跑車2終點坐標。4個點坐標使用高斯投影坐標，每個坐標是一個三維坐標系，格式為(X,Y,Z)。

4個點定好后，就確定了跑車1和跑車2的起點和終點，它們大致兩點一線的運動軌跡，通過終點坐標減去起點坐標，分別對應相減可以得到兩個跑車模向量。

跑車偏移量的計算，模擬坐標系以Y軸作為小里程向大里程順橋方向，X軸作為順橋水平方向左右偏移量，Z軸作為垂直方向。以跑車1為例，跑車1在上游，跑車1在兩岸定起點和終點坐標點可以算出跑車上游的基準向量模。跑車1在實時運動中可以獲取到當前實時的高斯坐標。實時坐標與湄潭岸起點坐標形成一個實時的變化的向量模，通過這一實時向量模與上游基準向量模的數積，可以求出跑車1在上游基準向量模上的投影，這一投影長度是跑車對應于橋長（起點、到終點的距離）的直線運動長度。順橋方向的偏移量通過跑車1實時向量模長度與投影長度根據勾股定理可以求出。偏移量的左右符號，以右為正，左為負，使用實時坐標系x軸和y軸坐標，通過y=kx+b可以求出實時位置處于順橋方向左邊還是右邊，如果y>kx+b，就說明點在直線左邊，反之在右邊。

（三）北斗測量精度試驗

1.試驗目的

由于首次將北斗精準定位技術應用于跑車監測中，因此需試驗北斗測量精度，驗證北斗精準定位跑車監測技術可行性。

2.試驗方法

該次北斗測量精度試驗主要采用卷尺校核法和全站儀校核法校核北斗測量精度。

（1）卷尺校核法

采用卷尺校核法先后在柳州黔橋公司操場、河閃渡烏江特大橋施工現場開展兩次校核試驗，其中在柳州黔橋公司操場水平檢測和高程檢測，在河閃渡烏江特大橋橋面水平檢測。試驗步驟如下：

水平檢測：在平整水平面上直線固定布置10m卷尺，在卷尺上設定基準點，將北斗定位終端放置于該點，分別記錄基準點卷尺刻度和北斗定位終端座標，然后以步長為5mm移動北斗定位終端沿卷尺，以卷尺讀數與基準點刻度值之差來校核北斗定位終端水平位移數值。

海拔高度檢測：垂直布置2m卷尺，在卷尺上設定基準點，將北斗定位終端放置于該點，分別記錄基準點卷尺刻度和北斗定位終端坐標，然后移動北斗定位終端沿卷尺，以卷尺讀數與基準點刻度值之差來校核北斗定位終端高度位移數值。

校核結果：北斗測量和卷尺測量誤差≤2cm。圖5、圖6為在柳州黔橋公司內檢測水平數據，圖7、圖8為在施工現場檢測水平數據，圖9、圖10為高度檢測數據。

圖3 公司內部水平檢測數據對比

圖4 公司內部水平檢測數據誤差

圖5 施工現場水平檢測數據對比

圖6 施工現場水平檢測數據誤差

圖7 高度檢測數據對比

圖8 高度檢測數據誤差

（2）全站儀校核法

采用全站儀校核法在河閃渡烏江特大橋施工現場校核北斗測量數據，首先分段移動跑車，從系統讀取各停放點坐標并計算位移，同時采用全站儀測定各停放點坐標并計算位移，比較兩種方法得出的位移值，以校核北斗測量精度。

校核結果：北斗測量和全站儀測量誤差2cm，表1所示為全站儀校核北斗測量數據。

表1 全站儀校核北斗測量數據表

二、基于PLC技術的智能吊裝控制系統開發

（一）總控中心

總控中心主要由電控柜、觸摸屏、大小里程牽引和起重動作按鈕及旋鈕、狀態指示燈及相關控制線纜組成。電控柜內安裝PLC控制單元，通訊模塊，根據各個網絡傳輸的信息加以運算處理，實現對大小里程起重牽引卷揚機手動、聯動、自動控制。

總控中心承擔小車當前狀態顯示、參數設置、控制操作、報警、數據傳輸云平臺實時顯示、存儲、展示及共享等功能。

（二）分控系統

分控系統分為大小里程分控系統，分別安裝在湄潭岸和石阡岸收繩桶附近，控制同一岸兩臺起重卷揚機和兩臺牽引卷揚機。

分控系統主要由電控柜、觸摸屏、牽引和起重動作按鈕及旋鈕、狀態指示燈，以及相關控制線纜組成，電控柜內安裝PLC控制單元、高數計數器模塊、模擬量模塊、通訊模塊，根據網絡傳輸的信息及采集的加以運算處理，實現起重牽引卷揚機手動控制。分控系統完成起重、牽引卷揚機當前狀態顯示、數據采集、控制操作、報警等功能。

（三）智能纜索吊裝系統的操作控制

1.總控中心操作控制

以起重卷揚機聯動操作為例，對其操作控制過程進行詳細介紹，具體操作步驟如下：一是將“聯動旋鈕”旋轉到聯動狀態，聯動指示燈亮綠燈；二是按“變頻器啟動按鈕”，變頻器電源接通，指示燈亮綠燈；三是在確保能夠安全啟動系統操作條件下按“系統啟動”按鈕，系統啟動完成，指示燈亮綠燈，同時絞車低速制動打開，主電機風機、風機1、風機2啟動；四是旋轉對應檔位開關，兩臺起重卷揚機同步收繩或放繩，收繩或放繩指示燈通（收繩亮紅燈，放繩亮綠燈），絞車高速制動器打開，卷揚機一檔同步低速運行；五是操作員根據現場情況，旋轉檔位開關選擇運行速度；六是當提升接近安裝位置，減檔低速運行，到達位置后減檔停機，同時高速制動閉合，若后續還需要操作，系統可以不進行停止，如沒有其他操作可按“系統停止”按鈕，低速制動閉合，主電機風機、風機1、風機2停止。

2.分控系統操作控制

以起重卷揚機聯動操作為例，對其操作控制過程進行詳細介紹，具體操作步驟如下：

一是將“聯動旋鈕開關”旋轉到聯動狀態，聯動指示燈亮綠燈；二是按“變頻器啟動按鈕”，變頻器電源接通，指示燈亮綠燈；三是在確保能夠安全啟動系統操作條件下按“系統啟動”按鈕，系統啟動完成，指示燈亮綠燈，同時絞車低速制動打開，主電機風機、風機1、風機2啟動；四是旋轉對應檔位開關，兩臺起重卷揚機同步收繩或放繩，收繩或放繩指示燈通（收繩亮紅燈，放繩亮綠燈），絞車高速制動器打開，卷揚機一檔同步低速運行；五是操作人員根據現場情況旋轉檔位開關選擇所需速度；六是當提升接近安裝位置，減檔低速運行，到達位置后減檔停機，同時高速制動閉合，若后續還需要操作，系統可以不停止，如沒有其他操作可按“系統停止”按鈕，低速制動閉合，主電機風機、風機1、風機2停止。

三、結語

本文依托湄潭至石阡高速公路河閃渡烏江特大橋建設工程，開展大跨度懸索橋纜索吊裝系統自動化控制技術研究，開發一種新的纜索吊裝監測控制技術，實現纜索吊裝系統索力實時監測、跑車運行狀態自動監控，確保施工安全、提高施工效率。