桥梁施工挂篮智能化控制系统研究

吴明威，刘冬冬，周雷，李耀宗

（中交二航局第五工程分公司，湖北 武汉 430000）

0 引言

虽然挂篮施工工艺已经十分成熟，然而挂篮设备自身自动化程度低，挂篮的提升、下放、行走等动作仍然需要大量的工人来配合，没有实现集中监控，总体来说有以下缺点：

1）挂篮施工现场需要大量工人配合，挂篮动作的位移、支撑点反力完全依靠肉眼判断，安全性无法保障。

2）没有精密的传感技术配合，挂篮施工质量稳定性无法控制。

3）人工逐点操作耗时长，浪费大量的施工时间。

以加快淘汰落后工艺技术和设备，推广应用自动化、数字化、网络化、智能化等先进制造系统、智能制造设备及大型成套技术装备为目标，势必要对传统挂篮控制系统进行革新。

1 前支点挂篮自动化控制系统概况

挂篮自动化控制系统是一套集机械、电气、液压以及自动化技术于一体的特种施工控制系统。本系统提高了传统挂篮施工过程中大型挂篮各执行机构的动作效率，并添加了远程操作、监控等功能。相对于传统的挂篮机构动作方式，其具有自动化程度高、远程操作及监控方便、挂篮机构动作效率高等优点。

1.1 组成

1套挂篮自动化控制系统主要由以下几个部分组成，如图1所示[1-2]。

图1 挂篮自动化液压控制系统组成Fig.1 Automatic hydraulic control system of hanging basket

挂腿油缸4台、顶升油缸2台、拱架油缸4台、挂篮行走油缸2台、摆动油缸2台；液压泵站1台；控制系统1套。

1.2 工作原理

液压动力站通过驱动液压油缸实现挂篮的同步提升和下放、拱架提升和下放、挂篮行走及反滚轮翻转动作。挂篮的上升和下降动作由4个150 t挂腿油缸和2个150 t顶升油缸协同完成；拱架的提升和下放动作由4个10 t的双级油缸协同完成；挂篮的行走动作由2个50 t行走油缸完成；挂篮反滚轮的翻转动作由2个摆动油缸完成。

2 液压系统

液压泵站是整个系统中十分关键的组成部分，它为系统执行元件运行提供了可靠的动力，以此驱动液压缸各种动作。此液压泵站是专为挂篮自动化控制系统设计的液压系统，每台挂篮的动作执行由1个液压泵站提供动力，一共14个液压油缸动作。

每台泵站主要包括：控制柜、电机、高压柱塞泵、比例阀、平衡阀、液压锁、油箱等，液压泵站到顶推设备通过胶管连接，胶管两端采用快插接头的形式，安装与拆卸十分方便。

本液压系统为恒压力系统，液压原理图见图2。

图2 液压原理图Fig.2 Hydraulic principle diagram

采用节流调速的形式，回路由柱塞泵、电磁溢流阀、以及多台比例换向阀组成，能够无级调节每个油缸执行动作的运行速度；系统的液压泵采用定量柱塞泵，其性能稳定，可靠性高，能够适应系统由于节流调速而长时间处于高负荷运转的状态。在重力方向工作的液压油缸上安装有平衡阀、液压锁，能够有效防止系统超载、带负载坠落等危险情况发生。控制油缸速度的每个电磁比例阀均装有压力补偿器，可以实现与负载无关的速度精准调节。

3 控制系统

3.1 控制系统概述

挂篮自动化控制系统为典型的主从分布式控制系统，采用PLC+工控机的组合[3]。主控与各个分控之间通过通讯线连接，主要接收来自各个泵站分控传递回来的信息并显示到上位机，以及发送操作人员指令；分控与泵站集成在一起，负责所对应设备液压泵与阀的控制信号的发送，以及各个执行液压缸状态传感器信号的收集；两者配合，以闭环控制的方式实现挂篮升降、拱架升降、挂篮行走的精确同步。

挂篮自动化控制系统主要包括主控台、泵站分控柜、执行油缸传感器接线盒、传感器、信号电缆、电源电缆、通讯电缆等。

控制系统具有以下特点：

1）分布式控制方式，实现设备远程操控，充分保证人员安全。

2）硬件上，采用屏蔽、隔离等抗干扰措施，对电源系统的过电流保护，系统具有较强的可靠性能力。

3）用多路传感器检测技术，以采集系统的实时数据，并有效反馈，使系统处于全监控状态，安全稳定的运行。

4）PLC和工控机组合控制方式，点对点传输，在工控机上监视，减少冗余件，提高系统可靠性，减少故障率。

5）紧急情况下能实现一键（急停）断开所有输出点，确保安全。

6）采用PID控制比例阀技术，实现无级调速。

3.2 控制系统各部件

1）主控台

主控台是整个系统的控制中枢，所有分控的位置信号、压力信号、反馈信号等均传递到主控，在主控PLC中按照一定的算法程序进行判断处理，并将计算得到的指令返回给分控，以此实现各个动作的同步。同时系统的操作主要在主控台进行，按照功能主控台可以分为监控区和操作区。监控区为1台21寸的电脑液晶显示屏，显示各个设备的状态信息，如：位移、压力、动作方向等，同时显示屏上还设置了一些虚拟按钮与数字输入框，可以实现设备的选择、比例阀开口值设置等，监控界面见下图3；操作区为操作按钮。

图3 主控台监控界面Fig.3 Console monitor interface

2）泵站分控柜

分控PLC主要实现泵站电机的启动、液压阀控制信号的发送、以及各个传感器信号的采集并与主控PLC通讯等作用，另外分控可以独立于主控之外控制其所对应的设备动作，其控制的电机功率11 kW，直接启动。

3）传感器

设备传感器接线盒主要用于传感器接线汇集作用，从而可以方便油缸与泵站之间通过1根控制电缆连接，接线盒接头均为防水接头，接线盒用螺钉固定于油缸法兰盘上。

位移传感器用于测量挂篮设备3个动作上的位移，挂篮升降、拱架升降、挂篮行走，量程分别为2 000 mm、2 500 mm、1 500 mm，精度为0.3%FS，24 V DC输入，4～20 mA输出。

压力传感器用于测量支撑顶工作状态下的实时压力值，量程40 MPa，精度为0.5%FS，24 V DC输入，4～20 mA输出。

3.3 系统连接

整套系统接线图如图4所示，主要有通讯线和控制线，通讯线为紫色两芯屏蔽线；控制线为黑色四芯屏蔽线，控制线连接油缸接线盒到泵站，通讯线则将2台挂篮依次串联起来由1台主控控制。

图4 系统连接示意图Fig.4 Schematic diagram of system connection

4 操作流程

设备安装到位，电源线、通讯线、与控制线连接好以后，设备即可以开始运行，具体操作流程与步骤如下：

1）检查工作

待系统连接检查准确无误，所有准备工作就绪后，给各分控泵站通上电源（注意相序），合上箱内的所有空开，进行设备检查：先将分控柜操作面板上旋钮打到“手动”、油缸“保持”状态，按下“启动电机”按钮，电机正常运行，待电机空转5 min以后，按下“建压”按钮，然后分别依次选择1～6阀，根据手动截止阀的标牌选择不同的油缸进行伸缸/缩缸动作，确认无误后按下“停止建压”按钮、“停泵”按钮，然后将“自动/手动”旋钮打到“自动”，每个分控都需要这样操作1次。

2）主控开机

给主控台接上电源（220 V），合上内部空气开关，将主控台面板上的电源开关旋钮拨向右边，电源指示灯亮，此时系统电源接通，面板上的“手动/自动”旋钮可以根据需要拨动：自动状态下选中的设备将自动保持速度一致，同步动作；手动状态下设备将不同步，一般带负载同步动作时选择同步，空载时不同步。

3）系统登陆

电源开启后可启动电脑，双击桌面上的图标，进入程序界面，选择要运行的程序“乌江大桥挂篮自动化控制系统”，左键单击“运行”，即可进入监控程序界面。

4）监控界面介绍

监控画面可以划分为4个区：按钮区、监视区、标题区以及菜单栏。

标题区显示了公司名称、系统名称、和日期时间。

按钮区为操作控制区，从上到下分为系统指示、同步控制、手动控制。

5）主控操作

进入监控界面后，点击“参数设置”，此界面主要是对各台比例阀参数、以及反馈比例系数进行设置，可以调节设备运行的速度，比例阀参数的输入范围为15 000～32 000，默认情况设置为25 000，“比例系数”为多点同步运行时的反馈系数，输入范围为0～2 500，参数值需要在实际运行时调试确定，默认值2 000。

6）挂篮同步顶升/下降操作

进行挂篮同步顶升/下降操作前，应首先硬件上切换各个油缸对应的球阀，4个挂腿油缸，以及2个顶升油缸球阀应处于打开状态，其它油缸对应球阀应处于闭合状态

然后进行功能选择，将主控台“行走/升降/拱架”3档旋钮开关旋至“升降”档，表明此时将进行的是挂篮顶升与下放操作，然后进行“启泵”——“建压”操作。

7）拱架同步提升/下降操作

进行拱架同步提升/下降操作前，应首先硬件上切换各个油缸对应的球阀，4个拱架提升油缸球阀应处于打开状态，其它油缸对应球阀应处于闭合状态。

然后进行功能选择，将主控台“行走/升降/拱架”3档旋钮开关旋至“拱架”档，表明此时将进行的是挂篮顶升与下放操作，然后进行“启泵”——“建压”操作。

8）挂篮行走操作

进行拱架行走操作前，应首先硬件上切换各个油缸对应的球阀，2个行走油缸球阀应处于打开状态，其它油缸对应球阀应处于闭合状态。

然后进行功能选择，将主控台“行走/升降/拱架”3档旋钮开关旋至“行走”档，表明此时将进行的是挂篮行走操作，然后进行“启泵”——“建压”操作。

5 应用效果

5.1 操作效率

对比公司施工的不同时期的类似项目，鄂黄长江大桥、赤石大桥[4]、淮安大桥[5]、荣乌黄河大桥[6]均采用传统的单点操作进行挂篮提升下放行走，单个循环（挂篮下放、行走、提升锚固调整标高）所需时间均在20 h左右，自动化控制系统在乌江大桥应用后单个循环时间缩短至10 h，节约了工期。

5.2 同步性

传统操作方法多点之间同步性较差，手动量取每个千斤顶行程，手动调控多点之间进程，无科学的压力位移控制调节系统。乌江特大桥采用液压自动化系统，实现了挂篮操作实施控制，利用反馈控制闭环系统，将同步精度控制在3 mm内，挂篮操作同步性、协调性实现了质的飞跃。

5.3 减少劳动力

完全释放了劳动力，只用1个主控制柜操作人员就可实现主边跨挂篮同时精准动作。无论是时间效益、人工成本都得到极大节约。完全颠覆传统挂篮操作方式，可以说是前支点挂篮操作领域革命性的改进。

6 结语

挂篮自动化控制系统在乌江大桥前支点挂篮施工中得到研发应用，提高了效率，降低了劳动力，目前此类控制系统已应用在桥梁顶推、前支点挂篮中，通过适当的改造该系统也可适用于各种形式的挂篮液压系统中，对助推桥梁施工装备的自动化、智能化、网络化、集约化起到了促进作用。

[1]中交武汉港湾工程设计研究院有限公司.乌江大桥挂篮自动化控制系统操作及维护说明手册[Z].2016.CCCC Wuhan Harbour Engineering Design&Research Co.,Ltd.Wujiang Bridge hanging basket automatic control system operation and maintenancemanual[Z].2016.

[2]中交二航局乌江大桥项目部.乌江大桥上部结构施工方案[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.自动控制系统[M].北京：高等教育出版社，2003.LI Xian-yun.Automatic control system[M].Beijing:Higher Education Press,2003.

[4]中交二航局赤石大桥项目部.赤石大桥上部结构施工方案[R].2013.Chishi Bridge Project Department of CCCCSecond Harbour Engineering Co.,Ltd.Construction scheme of superstructure of Chishi Bridge[R].2013.

[5]中交二航局淮安大桥项目部.淮安大桥上部结构施工方案[R].2003.Huaian Bridge Project Department of CCCCSecond Harbour Engineering Co.,Ltd.Construction scheme of superstructure of Huaian Bridge[R].2003.

[6]中交二航局荣乌大桥项目部.荣乌大桥上部结构施工方案[R].2013.Rongwu Bridge Project Department of CCCC Second Harbour Engineering Co.,Ltd.Construction scheme of superstructure of Rongwu Bridge[R].2013.