一種上弦自鋪軌橋梁檢查車控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

張傳濤 冷志堅(jiān)

摘要 本文從橋梁檢查車的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)出發(fā)，根據(jù)其具體原理需求設(shè)計(jì)了該系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)采用西門子伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)，以兩個(gè)西門子SIMOTION D4x5-2作為主控制器，通過集成驅(qū)動(dòng)控制功能實(shí)現(xiàn)了檢查車的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)控制，使其能夠?qū)θ到y(tǒng)伺服電機(jī)進(jìn)行協(xié)調(diào)動(dòng)作，并可以做部分邏輯控制。該系統(tǒng)的投入運(yùn)營(yíng)，實(shí)現(xiàn)了橋梁檢查車全方位管理，提高了橋梁維護(hù)效率和橋梁檢測(cè)的技術(shù)，對(duì)橋梁的安全和使用壽命有極大的促進(jìn)作用。

【關(guān)鍵詞】橋梁檢查車 伺服驅(qū)動(dòng) 集成驅(qū)動(dòng)控制 橋梁檢測(cè)

1 引言

橋梁檢查車是一種為橋梁檢查維修人員在橋梁維護(hù)過程中提供作業(yè)平臺(tái)，可裝備橋梁檢查設(shè)備和維修機(jī)具，用于流動(dòng)檢查檢測(cè)或維修養(yǎng)護(hù)作業(yè)的工程設(shè)備。它可以隨時(shí)移動(dòng)位置，讓橋梁檢查維修人員安全、快速、高效地進(jìn)入作業(yè)位置進(jìn)行作業(yè)。目前橋梁檢查車己成為大型橋梁尤其是鋼結(jié)構(gòu)橋梁進(jìn)行日常養(yǎng)護(hù)維修不可缺少的設(shè)備。

本橋梁檢查車主要由升降立柱、上方人行走廊、中部吊籃、內(nèi)外桁架吊籃、桁架頂部連接節(jié)、尾節(jié)、行走機(jī)構(gòu)等部分組成，中部吊籃可通過上方人行走廊在豎直空間上下升降和沿上方人行走廊橫向移動(dòng)，內(nèi)外桁架吊籃通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)分別沿升降立柱內(nèi)外桁架上下移動(dòng)，走行機(jī)構(gòu)采用齒輪齒條傳動(dòng)進(jìn)行走行。結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

2 檢查車系統(tǒng)行走基本原理

本檢查車系統(tǒng)行走基本原理如下：系統(tǒng)在行走時(shí)主要分為小車行走和走行靴行走，其行走動(dòng)力都是主行走電機(jī)。

2.1 小車行走

走行靴位置固定（落于橋梁附加件并鎖緊），行走電機(jī)正轉(zhuǎn)/反轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)小車前進(jìn)/后退。

2.2 走行靴行走

主支撐固定（支撐下落撐上橋梁附加件）并頂起走行靴（提前松開鎖緊勾）使其離開橋梁面，此時(shí)主行走電機(jī)正轉(zhuǎn)/反轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)走行靴后退/前進(jìn)。走行靴行走時(shí)還跟隨著前、后導(dǎo)向、角度調(diào)節(jié)電機(jī)的同步聯(lián)動(dòng)，當(dāng)移到下一附加件時(shí)落上橋梁面并鎖緊前后鎖鉤。以上兩步循環(huán)執(zhí)行實(shí)現(xiàn)檢查車的前進(jìn)/后退。動(dòng)作步序如圖2所示。

3 檢查車電氣系統(tǒng)功能構(gòu)成

系統(tǒng)按功能分為中控室、行走系統(tǒng)、伸縮系統(tǒng)、內(nèi)外桁架吊籃、中間吊籃和發(fā)電系統(tǒng)六大部分。電氣系統(tǒng)圖如圖3所示。

（1）中控室為檢查車的控制中心，設(shè)有操控臺(tái)、人機(jī)界面、監(jiān)控顯示器等。操作監(jiān)控站系統(tǒng)由WinCC人機(jī)界面軟件和工控機(jī)組成。其主要功能包括隨時(shí)可調(diào)出當(dāng)前各種可能操作的幫助文件、可調(diào)出全部操作使用說(shuō)明書和故障判斷檢查方法、具備自動(dòng)彈窗功能，提示用戶按期保養(yǎng)。

（2）行走系統(tǒng)由左右行走系統(tǒng)組成，包括主行走電機(jī)、主支撐電機(jī)、導(dǎo)向電機(jī)、角度調(diào)節(jié)電機(jī)和鎖緊電機(jī)，全部采用單軸電機(jī)模塊驅(qū)動(dòng)，PROFINET總線通訊。

（3）伸縮系統(tǒng)由左右伸縮系統(tǒng)組成，包括伸縮電機(jī)、桁架防擺電機(jī)、伸縮架防擺電機(jī)組成，伸縮電機(jī)采用單軸電機(jī)模塊驅(qū)動(dòng)，防擺電機(jī)采用雙軸電機(jī)模塊驅(qū)動(dòng)。

（4）內(nèi)外桁架吊籃為外側(cè)檢修平臺(tái)，包括內(nèi)桁架吊籃電機(jī)和外桁架吊籃電機(jī)，全部采用雙軸電機(jī)模塊驅(qū)動(dòng)。

（5）中間吊籃為內(nèi)部檢修平臺(tái)，包括升降電機(jī)和平移電機(jī)。

（6）檢查車電源由發(fā)電機(jī)提供，其控制和報(bào)警信號(hào)接入控制系統(tǒng)。

4 檢查車控制系統(tǒng)組成

4.1 SIMOTION D驅(qū)動(dòng)平臺(tái)

檢查車電氣系統(tǒng)以西門子SIMOTION D驅(qū)動(dòng)平臺(tái)，對(duì)檢查車各個(gè)動(dòng)作進(jìn)行協(xié)調(diào)控制。SIMOTION D平臺(tái)中的SIMOTION D4x5系列能夠用于多軸應(yīng)用的控制單元，可根據(jù)需要對(duì)多達(dá)64個(gè)軸進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制。驅(qū)動(dòng)控制功能支持伺服控制（高動(dòng)態(tài)響應(yīng)）、矢量控制（最高轉(zhuǎn)矩精度）和V/F控制。適用于苛刻環(huán)境條件下的對(duì)運(yùn)動(dòng)控制和高速I/O以及高性能等時(shí)同步等有特殊要求的場(chǎng)合。

4.2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

檢查車主控制系統(tǒng)的主要任務(wù)有：主走行電機(jī)的速度控制、力矩控制、位置控制，導(dǎo)向電機(jī)的位置控制，鎖鉤電機(jī)的力矩控制、位置控制，主支撐電機(jī)的位置控制等。

整個(gè)控制系統(tǒng)是檢查車的管理中心，系統(tǒng)采用兩個(gè)西門子SIMOTION D445-2DP/PN作為主控制器，配置電源模塊、通信模塊CP340、模擬量輸入輸出模塊、數(shù)字量輸入輸出模塊等，通過集成驅(qū)動(dòng)控制功能，完成檢查車復(fù)雜運(yùn)動(dòng)控制功能。

驅(qū)動(dòng)控制器采用5個(gè)CU320 2PN，每個(gè)控制器最多控制6個(gè)軸，與主控制器之間采用PROFrNET通訊，在發(fā)電機(jī)旁、頂部走道電氣柜內(nèi)、中控室設(shè)有ET200M現(xiàn)場(chǎng)I/O。

5 控制系統(tǒng)的特點(diǎn)

5.1 主走行的控制

雙側(cè)主走行電機(jī)分別采用2臺(tái)高可靠的伺服電機(jī)，為了控制檢查車的走行速度和電機(jī)力矩，設(shè)置其中一臺(tái)工作在主速度模式，另一側(cè)其中一臺(tái)工作在與主速度等速速度模式，其余兩臺(tái)工作在與速度電機(jī)等扭矩狀態(tài)。

5.2 控制系統(tǒng)的通信

所有的模塊之間都是通過共享的DRIVE-CLIQ數(shù)據(jù)接口來(lái)實(shí)現(xiàn)通信，采用帶DRIVE-CLIQ接口的預(yù)裝電纜。中央控制器顯著減少了PROFIBUS的電纜接線，同時(shí)也降低了通信的故障率。所有的模塊都有一個(gè)電子標(biāo)牌，它包含了特殊組件的相關(guān)技術(shù)數(shù)據(jù)，控制單元能夠通過DRIVE-CLIQ接口自動(dòng)記錄這些數(shù)據(jù)，所以在調(diào)試過程中或設(shè)備更換時(shí)不需要手動(dòng)輸入數(shù)據(jù)，控制單元會(huì)自動(dòng)識(shí)別DRIVE-CLIQ連接的設(shè)備。

考慮到協(xié)調(diào)各部位驅(qū)動(dòng)電機(jī)距離比較遠(yuǎn)，通訊系統(tǒng)采用PROFIN ET總線，帶等時(shí)同步功能（IRT）。通過具有IRT ERETEC芯片的交換機(jī)可以對(duì)帶寬實(shí)現(xiàn)預(yù)留，IRT的數(shù)據(jù)只能在預(yù)留的帶寬內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，這時(shí)沒有任何的其它數(shù)據(jù)在這個(gè)預(yù)留的帶寬內(nèi)通訊，從而保證IRT的數(shù)據(jù)的抖動(dòng)時(shí)間非常短。

6 結(jié)語(yǔ)

西門子驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在本檢查車的應(yīng)用，滿足了現(xiàn)場(chǎng)使用工況要求多個(gè)機(jī)構(gòu)協(xié)同工作的需求。主要體現(xiàn)在：硬件上模塊化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，用戶可以靈活選擇應(yīng)用，安裝、維護(hù)簡(jiǎn)單易行;強(qiáng)大的軟件功能，使其能夠適用于各種復(fù)雜應(yīng)用的場(chǎng)合;通信網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸方便、快捷可靠;產(chǎn)品具有最優(yōu)的性價(jià)比。

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