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(shè)，可以架設(shè)40 m、32 m、24 m、20 m等跨度的預(yù)應(yīng)力混凝土整孔箱梁，并可在隧道口和隧道內(nèi)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(yù)應(yīng)力混凝土簡支箱梁運架成套施工設(shè)備研制》課題中的子項。本文主要介紹電氣控制系統(tǒng)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(tǒng)方案確定

圖1為1000 t/40 m運架一體機結(jié)構(gòu)總圖。研究內(nèi)容主要包括控制對象研究、控制功能確定、環(huán)境和人為因素等。

圖1 1000 t/40 m運架一體機結(jié)構(gòu)

2.1 控制對象

從設(shè)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(qū)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(biāo)

設(shè)備各子系統(tǒng)功能指標(biāo)見表1。

表1 各子系統(tǒng)功能參數(shù)

2.3 環(huán)境及人為要素

(1)工作場景

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

(2)人為因素

設(shè)備使用者多為技校畢業(yè)或農(nóng)民工，對設(shè)備工作原理缺乏系統(tǒng)了解，對控制系統(tǒng)有了解者少之又少。

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

圖2 運架一體機電氣控制系統(tǒng)原理

3 主要子系統(tǒng)功能方案設(shè)計

3.1 動力及液壓系統(tǒng)

液壓傳動相較于其他傳動方式具有實現(xiàn)重載低速運動、平順調(diào)速和結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)勢[1-2]。如卷揚機構(gòu)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(fā)動機為前車的轉(zhuǎn)向、懸掛、行走及制動系統(tǒng)等提供動力；后車發(fā)動機為后車的轉(zhuǎn)向、懸掛、行走及制動系統(tǒng)、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(gòu)以及主支腿液壓系統(tǒng)由一臺發(fā)電機組提供動力。

整機控制系統(tǒng)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(zhuǎn)向編碼器連成一體。控制系統(tǒng)以3臺司機室為中心實現(xiàn)對前后車動力系統(tǒng)、行走驅(qū)動系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、起升系統(tǒng)、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?qū)崿F(xiàn)設(shè)備的控制功能及安全，見圖3。

圖3 運架一體機控制系統(tǒng)總線拓撲結(jié)構(gòu)

總控制中心的4個CAN通道均支持如J1939、CAN2.0A/B等協(xié)議，可連接發(fā)動機、編碼器、傾角及測距等不同傳輸協(xié)議的設(shè)備和傳感器。前后車主數(shù)據(jù)通道采用指令和信息雙層網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)通訊，實現(xiàn)分布式控制[4-5]，布線連接簡潔的同時也將數(shù)據(jù)聯(lián)通的延時和總線負載率降低到合理范圍內(nèi)[6]。

表2為單雙層網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸總線負載率對比，通過對比可知，采用雙層網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目偩€網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，總線負載率下降50%左右，實測和現(xiàn)場應(yīng)用過程中系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定，效果非常好。

表2 單雙層網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸總線負載率對比

3.2 行走驅(qū)動控制系統(tǒng)

行走車速由3個變量共同協(xié)調(diào)控制。每個馬達安裝有霍爾轉(zhuǎn)速傳感器實現(xiàn)對驅(qū)動行走速度的監(jiān)控，控制器采集馬達轉(zhuǎn)速信號實現(xiàn)對車速的監(jiān)控和防打滑控制，見圖4。

圖4 行走驅(qū)動控制示意

由于前后車為前后獨立動力和液壓系統(tǒng)，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(qū)動行走控制采用速度環(huán)和壓力環(huán)雙閉環(huán)控制實現(xiàn)驅(qū)動行走同步。

圖5 行走驅(qū)動同步控制原理

3.3 轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)

轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)要實現(xiàn)八字、半八字、小八字轉(zhuǎn)向功能。轉(zhuǎn)向控制由方向盤轉(zhuǎn)向電位器發(fā)送轉(zhuǎn)角信號至車載控制器，控制器采集總線編碼器的轉(zhuǎn)角數(shù)值進行閉環(huán)計算，并輸出PWM電流信號控制轉(zhuǎn)向比例閥，實現(xiàn)高精度閉環(huán)轉(zhuǎn)向控制[7-8]，見圖6。

圖6 轉(zhuǎn)向閉環(huán)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(tǒng)，依據(jù)前后車懸掛壓力傳感器數(shù)據(jù)及主梁傾角來實時調(diào)整懸掛升降實現(xiàn)設(shè)備前后車適應(yīng)縱坡喂梁及輪組受力均衡。同時還可根據(jù)壓力傳感器數(shù)據(jù)實時監(jiān)測懸掛承載重量，出現(xiàn)超差情況發(fā)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(jiān)控及信息化系統(tǒng)

遵循準(zhǔn)確性、實用性和可維護性原則，以數(shù)據(jù)采集與傳輸層、數(shù)據(jù)處理層、數(shù)據(jù)儲存層和用戶交互層為核心層次，監(jiān)控動態(tài)與靜態(tài)信息[9-11]。運架一體機安全監(jiān)控及信息化系統(tǒng)組成原理見圖7。

信息化系統(tǒng)數(shù)據(jù)來源為各類傳感器采集的數(shù)據(jù)，以及控制系統(tǒng)處理后向上傳輸?shù)脑O(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)。

設(shè)備上布設(shè)400多個數(shù)據(jù)監(jiān)控點，實時監(jiān)控設(shè)備狀態(tài)，主要包括:(1)所有轉(zhuǎn)向輪組轉(zhuǎn)向角度；(2)發(fā)動機狀態(tài)(轉(zhuǎn)速、機油壓力、冷卻液溫度等)；(3)輪組轉(zhuǎn)向、行走、支腿、懸掛、卷揚液壓系統(tǒng)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(shù)值。

3.6 幾個重點功能研究

結(jié)合設(shè)備實際使用工況，還需對以下功能進行研究:

(1)隧道防撞監(jiān)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(jiān)測。如圖8所示，測距傳感器安裝于設(shè)備四角，當(dāng)行走方向出現(xiàn)偏差時，在自動駕駛模式下，控制系統(tǒng)可自動控制方向盤進行左轉(zhuǎn)或右轉(zhuǎn)調(diào)整，使設(shè)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(jiān)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(cè)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(shù)據(jù)接入數(shù)據(jù)處理工作站，根據(jù)計算分析結(jié)果進行分級預(yù)警，預(yù)警結(jié)果通過駕駛室屏幕直接展示，并播報預(yù)警信息，駕駛員可及時現(xiàn)場調(diào)整運架一體機操作。

(3)關(guān)鍵部位壓力監(jiān)測

對運架一體機受壓關(guān)鍵部位，在運架梁階段進行壓力實時監(jiān)測，根據(jù)壓力監(jiān)測數(shù)值判斷設(shè)備安全狀態(tài)。

各測點壓力傳感器就近連接至控制器，根據(jù)計算分析結(jié)果，與各個測點控制值進行比較并進行分級預(yù)警，預(yù)警結(jié)果通過駕駛室屏幕直接展示給駕駛員，根據(jù)現(xiàn)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(jiān)測

在運架一體機各個吊點固定端及轉(zhuǎn)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(jiān)測數(shù)據(jù)超出限值時進行預(yù)警，指導(dǎo)現(xiàn)場操作。吊點與支腿受力信息及預(yù)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(tǒng)龐大且控制復(fù)雜?？刂苾?nèi)容多且分散、系統(tǒng)龐大、協(xié)調(diào)性要求高。

解決辦法:采用分布式控制模式，利用CAN現(xiàn)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(zhuǎn)向角度同步。前后車為球鉸連接，實現(xiàn)兩個獨立運動體系的同步協(xié)調(diào)是一大難點，一方面要保證前后車行走速度同步，避免出現(xiàn)前后車的推拉效應(yīng)，另一方面要保證前后車轉(zhuǎn)向協(xié)調(diào)同步，需要對后車轉(zhuǎn)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(fù)調(diào)試最終確定保證設(shè)備穩(wěn)定運行的控制參數(shù)。

(3)過孔時主支腿與后車的同步控制。設(shè)備兩次過孔是非常關(guān)鍵且是風(fēng)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(qū)動行走的同步是最關(guān)鍵的一環(huán)，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(gòu)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(diào)整梁片姿態(tài)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(jiān)測每個吊鉤的升降速度和下降深度。通過同步算法，實時調(diào)整卷揚比例閥電流實現(xiàn)吊鉤位置同步。

(5)轉(zhuǎn)向模式多樣，協(xié)調(diào)控制復(fù)雜。為適應(yīng)設(shè)備使用過程的復(fù)雜工況，開發(fā)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(zhuǎn)向等多種轉(zhuǎn)向模式。所有輪組均為獨立液壓轉(zhuǎn)向，依靠編碼器實時反饋轉(zhuǎn)向角度進行閉環(huán)PID控制，轉(zhuǎn)向精度及轉(zhuǎn)向同步協(xié)調(diào)性均達到使用要求。

5 結(jié)論及展望

(1)結(jié)論

機械、電氣控制、液壓系統(tǒng)共同協(xié)作和有效融合才能實現(xiàn)一體機功能和設(shè)備的安全穩(wěn)定運行，在設(shè)備研制以及控制系統(tǒng)設(shè)計、調(diào)試過程中遇到很多難題并得以解決。該設(shè)備于2020年6月在福廈高鐵靈川制梁場調(diào)試成功，2021年7月11日福廈項目完工，設(shè)備轉(zhuǎn)場至杭衢項目繼續(xù)服役。

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

(2)展望

后續(xù)將繼續(xù)關(guān)注設(shè)備應(yīng)用情況，對系統(tǒng)進行升級優(yōu)化，以提高系統(tǒng)性能和操控舒適性。

在信息化和新技術(shù)應(yīng)用方面，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與設(shè)備維護相結(jié)合，將云監(jiān)控技術(shù)與設(shè)備的遠程實時監(jiān)控、實時故障診斷相結(jié)合，為設(shè)備的安全穩(wěn)定使用保駕護航。