楊燦興 方線偉 韓明強(qiáng)
法蘭泰克重工股份有限公司 蘇州 215211

　　摘 要：管片起重機(jī)是盾構(gòu)機(jī)的重要組成部分，擔(dān)負(fù)著在盾構(gòu)機(jī)橋架部分運(yùn)輸隧道管片的工作，設(shè)備的可靠運(yùn)轉(zhuǎn)保證了盾構(gòu)機(jī)24 小時(shí)連續(xù)工作。管片起重機(jī)安裝在盾構(gòu)機(jī)的雙軌梁下方，一般由2 臺(tái)或4 臺(tái)環(huán)鏈葫蘆、電動(dòng)牽引小車和連接件等構(gòu)成，由于多臺(tái)葫蘆的聯(lián)動(dòng)，因此對(duì)設(shè)備的電氣控制有更高的要求，區(qū)別于傳統(tǒng)繼電器控制，文中將重點(diǎn)探討一種新的盾構(gòu)機(jī)上管片起重機(jī)的控制方法。

　　關(guān)鍵詞：盾構(gòu)機(jī)；管片起重機(jī)；同步；一鍵調(diào)平；控制方法

　　中圖分類號(hào)：U455.3+9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1001-0785（2020）02-0063-04

　　伴隨著大中城市軌道交通的高速發(fā)展，盾構(gòu)機(jī)的需求日益加大，從而也帶來了管片起重機(jī)的迅速發(fā)展。管片起重機(jī)作為盾構(gòu)機(jī)不可或缺的一部分，需要連續(xù)工作，這對(duì)管片起重機(jī)控制的可靠性有了更高的要求，故選擇高可靠性的控制系統(tǒng)尤為重要。

　　1 管片起重機(jī)的系統(tǒng)及性能參數(shù)
管片起重機(jī)整體安裝在盾構(gòu)機(jī)的雙軌梁下方，由4臺(tái)固定式環(huán)鏈葫蘆、電動(dòng)牽引小車、連接件和電氣控制等部分構(gòu)成。管片起重機(jī)系統(tǒng)圖如圖1 所示，管片起重機(jī)電動(dòng)葫蘆型號(hào)為VR25 5004b2，起重量為20 t，小車軌距為2 060 mm，軌道傾角tanα 為0.05，起升高度為3.2m，工作級(jí)別為M5，起升速度為0.4~4 m/min（變頻），小車速度為0.2~20 m/min（變頻，滿載）、0.2~40 m/min（變頻，輕載），起升機(jī)構(gòu)電動(dòng)機(jī)功率為3.6 kW、轉(zhuǎn)速為3 000 r/min，小車機(jī)構(gòu)電動(dòng)機(jī)功率為2×7.5 kW、轉(zhuǎn)速為1 445 r/min，真空吸盤機(jī)構(gòu)液壓站電動(dòng)機(jī)功率為2×2.7 kW、轉(zhuǎn)速為1 420 r/min，真空吸盤機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)功率為2.2 kW、轉(zhuǎn)速為3 000 r/min。

　　1. 小車軌道 2. 小車車輪組 3. 連接件4. 三合一小車驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu) 5. 環(huán)鏈葫蘆 6. 電控箱
圖1 管片起重機(jī)系統(tǒng)圖

　　2 管片起重機(jī)傳統(tǒng)的控制方法及特點(diǎn)
本盾構(gòu)機(jī)上管片起重機(jī)采用的是4 臺(tái)固定式環(huán)鏈葫蘆同時(shí)起吊管片吊具，兩個(gè)固定式環(huán)鏈葫蘆組合起來固定在小車上，分別為小車1 和小車2，兩個(gè)小車之間機(jī)械上無剛性連接，相互獨(dú)立。電氣控制通過一發(fā)雙收的遙控器來達(dá)到同時(shí)控制雙側(cè)小車的起升和運(yùn)行的目的，真空吸盤的控制不能集成在管片起重機(jī)遙控器上，也不能與管片起重機(jī)進(jìn)行連鎖，需選擇獨(dú)立遙控器控制。葫蘆間無累加超載功能，不能有效地控制真空吊具的偏載。管片起重機(jī)控制簡圖如圖2 所示。

　　圖2 管片起重機(jī)控制簡圖

　　葫蘆的起升為常規(guī)繼電器控制，其優(yōu)點(diǎn)是控制電路簡單。缺點(diǎn)是起升和運(yùn)行同步性能差，運(yùn)行期間同步不可控，如發(fā)現(xiàn)偏差只能通過切換到單動(dòng)模式，人為調(diào)節(jié)使起升和（或）運(yùn)行在相對(duì)高度和（或）位置上。初始同步點(diǎn)的控制因人而異，因此存在不可控、安全隱患大等問題，同時(shí)需要兩套遙控器控制，且要求控制管片起重機(jī)的遙控器需具有一發(fā)雙收功能，遙控器成本高，操作人員需攜帶2 只遙控器，操作極不便捷。

　　3 管片起重機(jī)新的控制方法及特點(diǎn)
為了解決傳統(tǒng)管片起重機(jī)的問題，新方案在控制方法上進(jìn)行了改進(jìn)。起升機(jī)構(gòu)不再采用雙速電機(jī)的調(diào)速方式，改用變頻控制，并在電機(jī)的軸端加裝編碼器進(jìn)行速度反饋。運(yùn)行機(jī)構(gòu)也由開環(huán)改為閉環(huán)控制。新方案調(diào)速精度高，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，停車更平穩(wěn)。

　　每個(gè)小車采用SIEMENS S7-300 PLC 控制，起升、運(yùn)行選用ABB ACS880 系列變頻器，PLC 與變頻器采用總線控制方式，PLC 同時(shí)將編碼器的脈沖數(shù)折算成位移進(jìn)行存儲(chǔ)。兩個(gè)小車的PLC 之間通過無線通訊方式進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換，時(shí)刻比較起升和小車之間的數(shù)值，進(jìn)而調(diào)節(jié)變頻器實(shí)現(xiàn)各自的運(yùn)動(dòng)相對(duì)同步。初始狀態(tài)具有一鍵調(diào)平功能，自動(dòng)將兩機(jī)構(gòu)對(duì)齊到同一水平高度或同一垂直截面上。如兩吊鉤誤差超出預(yù)設(shè)值（根據(jù)工況自由設(shè)定）時(shí)停車，確保抬吊的重物不發(fā)生大的偏斜。2 個(gè)PLC 之間的無線通訊采用的是ORing 公司的IAP-420-EU 產(chǎn)品，通訊速率高、距離遠(yuǎn)、抗干擾能力強(qiáng)，完全滿足2 個(gè)PLC 間的數(shù)據(jù)交換需求。管片起重機(jī)控制網(wǎng)絡(luò)圖如圖3 所示。

　　圖3 管片起重機(jī)控制網(wǎng)絡(luò)圖

　　通過一發(fā)一收的遙控器來達(dá)到同時(shí)控制雙側(cè)小車的起升和運(yùn)行的目的。此時(shí)的遙控器只需最基本的功能，遙控器功能簡單，成本低。真空吸盤的控制集成在管片起重機(jī)遙控器上，實(shí)現(xiàn)與管片起重機(jī)的連鎖。管片起重機(jī)遙控器控制簡圖如圖4 所示。

　　圖4 管片起重機(jī)遙控器控制簡圖

　　控制箱內(nèi)設(shè)置有必要的狀態(tài)指示燈，包括兩只PLC通訊正常指示燈，同步偏差報(bào)警指示燈，手電門控制激活指示燈及小車遙控器等指示信號(hào)。改進(jìn)后的方案使操作人員操作更便捷、安全性更高。

　　3.1 兩組起升機(jī)構(gòu)的同步起升
由于兩組起升機(jī)構(gòu)在機(jī)械結(jié)構(gòu)上是完全獨(dú)立的，沒有任何剛性連接，但在工作時(shí)，兩組起升吊鉤下部會(huì)懸掛同一個(gè)吊具機(jī)構(gòu)（真空吸盤），用于吸取盾構(gòu)管片，可以同上同下，也可以單獨(dú)上下動(dòng)作。當(dāng)在同步運(yùn)行時(shí)，要求其相對(duì)誤差不超過2 mm，同步控制精度要求較高。方案中，只能依靠電氣實(shí)現(xiàn)同步，采用ACS880 系列變頻器D2D 主從控制的負(fù)荷分配功能。同時(shí)，兩臺(tái)起升電機(jī)必須配置編碼器，編碼器一方面用于變頻器的閉環(huán)控制，提高控制精度，改善動(dòng)態(tài)響應(yīng)，優(yōu)化抱閘控制邏輯；另一方面，用于同步起升時(shí)位置計(jì)算。

　　D2D（Drive To Drive link）是工業(yè)傳動(dòng)模塊，用來完成變頻器之間的快速通訊功能。在多臺(tái)電機(jī)傳動(dòng)控制過程中，各分部電機(jī)的負(fù)載率相同，即δ=P/Pa 相同（P為電機(jī)所承擔(dān)的負(fù)載功率，Pa 為電機(jī)額定功率）。在負(fù)荷分配調(diào)節(jié)過程中不能影響本傳動(dòng)組以外各分部的速度。負(fù)荷分配中，選取一臺(tái)電機(jī)作為本組主電機(jī)，連接在速度鏈主鏈上，其它電機(jī)作為子電機(jī)，形成子鏈控制結(jié)構(gòu)。變頻器對(duì)變頻器連接是一種菊花鏈?zhǔn)絉S-485 傳輸線路，它允許與一個(gè)變頻器和多個(gè)變頻器進(jìn)行基本的主從式通信，通信速率可達(dá)到8 Mbit/s。在變頻器對(duì)變頻器連接位于末端的變頻器終端電阻必須設(shè)置為ON，位于中間的變頻器上的終端電阻必須設(shè)置為OFF。接線時(shí)必須使用雙絞屏蔽電纜。電纜最大長度為50 m，如圖5 所示為主從接線圖。

　　圖5 主從接線圖

　　3.2 一鍵調(diào)平功能
兩臺(tái)獨(dú)立的起升機(jī)構(gòu)（包含各自的小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)）在聯(lián)動(dòng)運(yùn)行時(shí)需要同步起升，且需確保其共同水平起吊一組管片，故需要確保兩組吊鉤初始位置處于水平，傳統(tǒng)方式是手動(dòng)調(diào)平，效率較低，精度較差。系統(tǒng)中可以采用自動(dòng)模式，兩組吊鉤可以在任意位置自動(dòng)對(duì)齊。其工作原理為：在主站PLC 中，需要編寫程序，分別讀取兩組起升機(jī)構(gòu)變頻器位置參數(shù)（編碼器脈沖計(jì)算），以上升停止限位為“零點(diǎn)”作為參考，讀取的瞬時(shí)位置值與零點(diǎn)值比較，得到每組吊鉤的相對(duì)位置值，兩組吊鉤（A 和B）的相對(duì)位置值相減得到兩組吊鉤間位置相對(duì)值δ=H (A)-H (B)。當(dāng)δ=0 時(shí)，表示兩組吊鉤位置相同，無需調(diào)整；當(dāng)δ ＞ 0 時(shí)，表示A 組較B 組位置低，以A 組為參考點(diǎn)，B 組調(diào)整向下運(yùn)行，繼續(xù)比較，直到δ=0 時(shí)表示調(diào)平；當(dāng)δ ＜ 0 時(shí)，表示A 組較B 組位置高，以A 組為參考點(diǎn)，B 組調(diào)整向上運(yùn)行，繼續(xù)比較，直到δ=0 時(shí)表示調(diào)平。在實(shí)際調(diào)整過程中，當(dāng)偏差值δ較大時(shí)，可以先快速運(yùn)行，直到δ 較小時(shí)慢速運(yùn)行調(diào)平到位。

　　3.3 兩臺(tái)設(shè)備PLC 間無線通信數(shù)據(jù)交換
由于整體系統(tǒng)是由兩套獨(dú)立的設(shè)備組成，每套設(shè)備都有完整的電控系統(tǒng)，包括PLC、變頻器等，兩套設(shè)備間即可組合聯(lián)動(dòng)，也可單動(dòng)。聯(lián)動(dòng)時(shí)要確保所有機(jī)構(gòu)運(yùn)行同步，限位、故障等連鎖，涉及到兩套設(shè)備PLC 間的通訊、數(shù)據(jù)交換。由于每套設(shè)備都是移動(dòng)的，因此為PLC 增加無線通信是更便捷，可靠的方案。

　　無線PLC 是具有無線通信功能的PLC。它在傳統(tǒng)PLC 的基礎(chǔ)上針對(duì)遠(yuǎn)程測控做了優(yōu)化，硬件上除具備傳統(tǒng)PLC 的輸入采集、繼電器控制、定時(shí)器和串口通信等功能外，增加了GPRS、短信和無線數(shù)傳電臺(tái)等通信功能。在軟件上除具備傳統(tǒng)PLC 的讀輸入、執(zhí)行程序、處理通信請(qǐng)求、執(zhí)行CPU 自診斷和寫輸出這五個(gè)掃描周期過程外，增加了信道管理、驅(qū)動(dòng)管理、采集管理和應(yīng)用管理等遠(yuǎn)程采集管理功能。在外觀上除具有與傳統(tǒng)PLC 相同的外觀基礎(chǔ)外，如接線端子、指示燈和串口接口（擴(kuò)展接口）等，增加了無線通信有關(guān)的SIM 卡座和天線接口等部件。無線PLC 與傳統(tǒng)PLC 相比最大的優(yōu)勢，是無需外接無線通信模塊和編寫接口驅(qū)動(dòng)程序，即可直接構(gòu)建遠(yuǎn)程測量系統(tǒng)、遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)和遠(yuǎn)程報(bào)警系統(tǒng)等遠(yuǎn)程測控方案。如圖6 所示為遠(yuǎn)程通信無線PLC工作原理圖，圖7 所示為無線PLC 信號(hào)傳遞過程，圖8所示為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)配置圖。

　　圖6 遠(yuǎn)程通信無線PLC 工作原理

　　圖7 無線PLC 信號(hào)傳遞過程

　　
圖8 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)配置圖

　　4 管片起重機(jī)新控制方案的應(yīng)急措施
管片起重機(jī)備有應(yīng)急用的有線手電門，手電門和遙控器通過重載接插件的方式互換使用。每個(gè)小車的控制箱均留有同樣的控制接口，小車間的控制地鎖定由PLC的內(nèi)部程序完成。在管片起重機(jī)的聯(lián)動(dòng)同步模式不能使用時(shí)，如檢修或初期設(shè)備安裝等特殊情況時(shí)，可切換到單動(dòng)模式，即單小車運(yùn)行模式。在單動(dòng)模式下，PLC 間不再檢測兩者之間的通訊是否正常，也不再做同步運(yùn)算，彼此間完全獨(dú)立。此備用功能可增加系統(tǒng)的可靠性，減少了停機(jī)時(shí)間。

　　5 管片起重機(jī)控制方案的輔助設(shè)備
管片起重機(jī)具有起重量限制功能，實(shí)時(shí)保護(hù)，確保不超載。聯(lián)動(dòng)時(shí)，累加超載。單動(dòng)時(shí)，以各自額定起重量為準(zhǔn)。超載保護(hù)還具有輕載信號(hào)輸出，輕載模式下，運(yùn)行均按200% 的額定速度運(yùn)行，極大的提高了生產(chǎn)效率。管片起重機(jī)的起升和運(yùn)行方向均設(shè)置有行程極限保護(hù)，能有效的將管片起重機(jī)的運(yùn)行限定在所設(shè)計(jì)的行程范圍內(nèi)，確保設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)的安全性。

　　聯(lián)動(dòng)時(shí)，管片起重機(jī)和吊鉤下的真空吸盤吊具具有聯(lián)鎖保護(hù)，真空吸盤的控制集成在遙控器上，真空吸盤的反饋信號(hào)參與控制，真空吸盤有六個(gè)控制信號(hào)和兩個(gè)反饋信號(hào)，其吸合控制采用一個(gè)按鈕，釋放控制采用兩個(gè)按鈕，減小誤動(dòng)作。真空吸盤不吸料或吸料中且真空度正常，管片起重機(jī)運(yùn)行能啟動(dòng)。真空吸盤在吸料的過程中，管片起重機(jī)運(yùn)行不能啟動(dòng)。真空吸盤的釋放取決于吊鉤是否處在輕載狀態(tài)（即真空吊具無吸料或吸料已著地）或者吊鉤是否處在下降減速行程范圍。真空吸盤吊具圖如圖9。

　　1、液壓泵 2、旋轉(zhuǎn)電機(jī) 3、吸盤控制箱 4、動(dòng)力及控制電纜
圖9 真空吸盤吊具

　　6 結(jié)論
采用新的控制方法后，系統(tǒng)的操作更簡單，性能更可靠，效率更高。該系統(tǒng)方案已成功運(yùn)用在國內(nèi)某工程公司的盾構(gòu)機(jī)上，且運(yùn)行狀況良好。今后將繼續(xù)完善該設(shè)備的功能，滿足不同客戶的需求。

　　參考文獻(xiàn)
[1] GB3811—2008 起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].
[2] 張質(zhì)文，虞和謙，王金諾，等. 起重機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)[M]. 北京：中國鐵道出版社，1998.
[3] GB6067—2010 起重機(jī)械安全規(guī)程[S].