桂漢杰，李立威

（1.中交武漢港灣工程設(shè)計研究院，武漢 430040；2.海工結(jié)構(gòu)新材料及維護加固技術(shù)湖北省重點實驗室，武漢 430040；3.交通運輸行業(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輸施工人員，進一步加大整個工程的施工成本。綜合考慮，廈門第二東通道采用預(yù)制墩臺吊裝工藝，但墩臺吊裝后，會和設(shè)計點出現(xiàn)偏差，需要調(diào)位扶正，如果采用人工扶正，不僅會增加施工風(fēng)險，而且大大提高了勞務(wù)工人的工作強度，更有甚者，會導(dǎo)致預(yù)制好的墩臺未經(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)位動作判斷依據(jù)，更加科學(xué)、安全。整個設(shè)備的工作原理與頂推施工[1－3]設(shè)備相似，利用多臺三向千斤頂同方向動作，依靠位移傳感器作為同步動作判斷依據(jù)，控制PLC 輸出不同的模擬量電流信號，進而控制比例方向閥開口大小，最終控制設(shè)備運動速率，來確保各個設(shè)備之間的運動位移距離相近或相同，最終實現(xiàn)精準調(diào)位動作。

海上橋墩墩臺施工一直是國內(nèi)外關(guān)注的重點，橋墩施工的好壞不僅影響后續(xù)施工工期，而且有可能會影響橋梁的使用壽命。墩臺吊具調(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)險與勞工的工作強度，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)位精準度與橋梁施工的自動化程度。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

墩臺調(diào)位控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。整個墩臺吊具調(diào)位系統(tǒng)可由上吊具連接、調(diào)位操作平臺、三向千斤頂支撐墩臺、墩臺連接4部分構(gòu)成。上吊具連接部分由位于調(diào)位操作平臺上的4個吊耳通過鋼絞線與上部浮吊相連，作為初始定位使用；調(diào)位操作平臺上放置控制箱與發(fā)電機、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)位的下墩臺結(jié)構(gòu)。

圖1 墩臺調(diào)位控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

墩臺調(diào)位系統(tǒng)工作流程如圖2 所示。整個設(shè)備的工作流程為：浮吊通過上部吊具、鋼絞線與墩臺調(diào)位吊具相連接，通過4 000 t 浮吊運輸?shù)降跹b工作目標區(qū)域，下放鋼絞線使千斤頂調(diào)位平臺與下部鋼護筒相連接，完成吊具初步定位，隨后繼續(xù)緩慢下放浮吊吊鉤，在調(diào)位操作平臺下底面與千斤頂上表面相距10 cm 處，停止下落，此時墩臺吊具操作人員，操作控制箱內(nèi)的上位機，使三向千斤頂向豎直方向運動，主動接觸吊具底面，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臺千斤頂均衡受力，使4個點均勻到達400 t 左右時，再次下放浮吊吊鉤，使調(diào)位工作平臺緩慢放置在位于定位完成的千斤頂上，完成墩臺初定位，后期通過三向千斤頂調(diào)位動作，實現(xiàn)精調(diào)工作。

圖2 墩臺調(diào)位系統(tǒng)工作流程

2 控制系統(tǒng)設(shè)計

2.1 液壓回路

液壓回路局部如圖3 所示，墩臺吊裝調(diào)位裝置液壓控制部分由1 個液壓泵站與12 個工作油缸組成，每個頂升油路中安裝有壓力傳感器與保壓裝置——平衡閥，同時由于頂升油缸需要承載墩臺與吊具的重量，故在頂升油缸上部安裝機械鎖緊裝置，作為雙重保護。每個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控制，閉合狀態(tài)下，PLC輸出12 mA電流信號，調(diào)位工作時，個點設(shè)備同步運動，PLC 依據(jù)個點位移傳感器數(shù)值，不斷調(diào)節(jié)模擬量輸出信號，從而調(diào)節(jié)比例方向閥開口值，進一步控制液壓管路流量，最終實現(xiàn)整個裝置平穩(wěn)調(diào)位。

圖3 液壓回路局部

整個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

墩臺吊裝調(diào)位裝置中電氣控制元件數(shù)量眾多，大體有12個比例方向閥、4個位移傳感器、5個壓力傳感器與一些功能按鈕、指示燈?？紤]到元器件成本與功效，同時確保工作準確、安全、可靠，采用PLC 作為總控制器，控制執(zhí)行機構(gòu)運行，處理傳感器信號[4]。在PLC系統(tǒng)的硬件方面，對于PLC技術(shù)系統(tǒng)的設(shè)計，排在第一位需要考慮的是所選PLC 設(shè)備的型號。在對型號進行選擇時，最關(guān)鍵的是需要考慮兩個問題，一是硬件型號是否滿足要求；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，可在較長時間內(nèi)保證可靠安全[6]。控制中心的人機交互界面，選用MT8103IE 型號的威綸通觸摸屏，通過PROFINET 網(wǎng)絡(luò)接口與西門子PLC 組態(tài)在同一網(wǎng)絡(luò)，上位機監(jiān)控畫面上顯示各個設(shè)備的拉伸與壓力傳感器，便于對各個設(shè)備的工作狀態(tài)監(jiān)控與實時調(diào)控。該工作模塊具有14個高速輸入量、10個高速輸出量和2個模擬量輸入口。墩臺吊具調(diào)位控制系統(tǒng)總共控制點為數(shù)字量輸入、輸出分別為30個與10個，模擬量輸入、輸出分別為21 與12 個控制點，西門子1214C 模塊自身控制數(shù)量有限，需要額外增加擴展模塊sm1221（DI16×24VDC）、sm1232（AI4/AQ2）、sm1234（AQ4）組成電氣控制核心模塊組，如圖4所示，主要用于實現(xiàn)信號甄別、解析、數(shù)值處理、輸出信號和控制油缸動作等功能；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，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，輸入信號為4～20 mA。整個控制系統(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

整個設(shè)備的電氣控制回路分為動力回路和PLC 控制回路兩大部分。

（1）動力回路。設(shè)備需要同時控制4 臺三向千斤頂動作，采用37 kW 柱塞泵供壓，啟動工作時工作電流可以達到120～140 A。為了保證整個電路平穩(wěn)工作，采用星－三角降壓啟動方式，如圖5所示。啟停泵控制信號由如圖6所示的PLC控制回路發(fā)出，確保整個設(shè)備啟泵過程平穩(wěn)。

圖5 部分動力回路

圖6 部分PLC控制回路

（2）控制回路。依據(jù)墩臺調(diào)位控制系統(tǒng)的控制要求，選擇威綸通觸摸屏作為人機界面，西門子1214C 作為控制核心模塊，計算需要使用的開關(guān)量與模擬量數(shù)量，并在計算機上使用博圖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 實現(xiàn)組態(tài)通信。由于所使用的1214CPLC只有1個網(wǎng)線接口，為了避免操作人員使用PC電腦遠程控制，故采用路由器作為信號中轉(zhuǎn)點和數(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

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

在硬件方面的工作完成之后，就需要根據(jù)PLC 系統(tǒng)實際需要達到的控制功能來對其軟件部分進行相應(yīng)地程序設(shè)計[9－10]。墩臺吊具調(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，依據(jù)功能、要求的不同，系統(tǒng)分為故障識別處理模塊、壓力與位移采集模塊、數(shù)據(jù)運算模塊、動作輸出模塊。各個功能模塊在設(shè)計之初需要確認相對應(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)計及編譯。整個設(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?，F(xiàn)象。確認沒有異常報警信號后，即可啟停泵完成相應(yīng)動作要求。

圖8 程序工作流程

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

3 應(yīng)用效果

以西門子PLC 控制器為核心的墩臺吊具調(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)險的同時，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立控制模式，提高操作便捷性的同時，又可兼顧檢查設(shè)備的工作狀態(tài)，大大降低施工風(fēng)險。

4 結(jié)束語

本文針對現(xiàn)存的海上墩臺施工模式的弊端，設(shè)計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作油缸為一個執(zhí)行構(gòu)建，分區(qū)分段實現(xiàn)精準控制，同時充分利用精準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)計了采集信號到輸出控制的閉環(huán)控制，大大提升了調(diào)位的精準度與功效，有效降低施工風(fēng)險與時間損耗。可為同類施工設(shè)備進一步提升與改造提供一定的參考價值。