基于PLC控制的墩台吊具调位控制系统设计

桂汉杰，李立威

（1.中交武汉港湾工程设计研究院，武汉 430040；2.海工结构新材料及维护加固技术湖北省重点实验室，武汉 430040；3.交通运输行业交通基础设施智能制造技术研发中心，武汉 430040）

0 引言

海上墩台通常采用钢板桩围堰施工制造，耗材损耗大，且施工工期易受天气与浪潮影响，加上工作界面位于海上，每次工作都需要船只来回运输施工人员，进一步加大整个工程的施工成本。综合考虑，厦门第二东通道采用预制墩台吊装工艺，但墩台吊装后，会和设计点出现偏差，需要调位扶正，如果采用人工扶正，不仅会增加施工风险，而且大大提高了劳务工人的工作强度，更有甚者，会导致预制好的墩台未经使用就出现损伤现象，影响到桥梁整体的使用寿命。墩台吊具调位控制系统取代人工作业，使用高精度的拉伸传感器与压力传感器作为调位动作判断依据，更加科学、安全。整个设备的工作原理与顶推施工[1－3]设备相似，利用多台三向千斤顶同方向动作，依靠位移传感器作为同步动作判断依据，控制PLC 输出不同的模拟量电流信号，进而控制比例方向阀开口大小，最终控制设备运动速率，来确保各个设备之间的运动位移距离相近或相同，最终实现精准调位动作。

海上桥墩墩台施工一直是国内外关注的重点，桥墩施工的好坏不仅影响后续施工工期，而且有可能会影响桥梁的使用寿命。墩台吊具调位系统的出现，改变了传统桥墩施工工艺，降低了整体施工风险与劳工的工作强度，提高了桥墩施工功效。采用高精度传感器作为施工依据，减少人为干预，提升了调位精准度与桥梁施工的自动化程度。

1 系统总体设计

墩台调位控制系统整体结构如图1所示。整个墩台吊具调位系统可由上吊具连接、调位操作平台、三向千斤顶支撑墩台、墩台连接4部分构成。上吊具连接部分由位于调位操作平台上的4个吊耳通过钢绞线与上部浮吊相连，作为初始定位使用；调位操作平台上放置控制箱与发电机、比例阀、液压回路及其他结构的检修走道；三向千斤顶支撑墩台放置调位使用的三向千斤顶及位移、压力传感器，最后部分作用连接调位的下墩台结构。

图1 墩台调位控制系统整体结构

墩台调位系统工作流程如图2 所示。整个设备的工作流程为：浮吊通过上部吊具、钢绞线与墩台调位吊具相连接，通过4 000 t 浮吊运输到吊装工作目标区域，下放钢绞线使千斤顶调位平台与下部钢护筒相连接，完成吊具初步定位，随后继续缓慢下放浮吊吊钩，在调位操作平台下底面与千斤顶上表面相距10 cm 处，停止下落，此时墩台吊具操作人员，操作控制箱内的上位机，使三向千斤顶向竖直方向运动，主动接触吊具底面，通过压力传感器反馈的设备支反力数据，调节4台千斤顶均衡受力，使4个点均匀到达400 t 左右时，再次下放浮吊吊钩，使调位工作平台缓慢放置在位于定位完成的千斤顶上，完成墩台初定位，后期通过三向千斤顶调位动作，实现精调工作。

图2 墩台调位系统工作流程

2 控制系统设计

2.1 液压回路

液压回路局部如图3 所示，墩台吊装调位装置液压控制部分由1 个液压泵站与12 个工作油缸组成，每个顶升油路中安装有压力传感器与保压装置——平衡阀，同时由于顶升油缸需要承载墩台与吊具的重量，故在顶升油缸上部安装机械锁紧装置，作为双重保护。每个方向的油缸都安装有米朗的拉伸传感器，用于控制调位距离。墩台吊具调位控制系统所使用的流量控制开关是VTOZ三位四通比例方向阀，工作电流是4～20 mA，其开口大小由PLC 输出的模拟量电流信号控制，闭合状态下，PLC输出12 mA电流信号，调位工作时，个点设备同步运动，PLC 依据个点位移传感器数值，不断调节模拟量输出信号，从而调节比例方向阀开口值，进一步控制液压管路流量，最终实现整个装置平稳调位。

图3 液压回路局部

整个液压回路的工作压力由液压泵站内部柱塞泵与VTOZ电磁溢流阀控制，在装置工作之前设置完毕。

2.2 电气控制系统

2.2.1 硬件选型

墩台吊装调位装置中电气控制元件数量众多，大体有12个比例方向阀、4个位移传感器、5个压力传感器与一些功能按钮、指示灯。考虑到元器件成本与功效，同时确保工作准确、安全、可靠，采用PLC 作为总控制器，控制执行机构运行，处理传感器信号[4]。在PLC系统的硬件方面，对于PLC技术系统的设计，排在第一位需要考虑的是所选PLC 设备的型号。在对型号进行选择时，最关键的是需要考虑两个问题，一是硬件型号是否满足要求；二是所选硬件结构是否合适[5]。本装置选用西门子CPU1214C作为控制单元，S7－1200系列可编程逻辑控制器结构紧凑、组态灵活、功能全面，可在较长时间内保证可靠安全[6]。控制中心的人机交互界面，选用MT8103IE 型号的威纶通触摸屏，通过PROFINET 网络接口与西门子PLC 组态在同一网络，上位机监控画面上显示各个设备的拉伸与压力传感器，便于对各个设备的工作状态监控与实时调控。该工作模块具有14个高速输入量、10个高速输出量和2个模拟量输入口。墩台吊具调位控制系统总共控制点为数字量输入、输出分别为30个与10个，模拟量输入、输出分别为21 与12 个控制点，西门子1214C 模块自身控制数量有限，需要额外增加扩展模块sm1221（DI16×24VDC）、sm1232（AI4/AQ2）、sm1234（AQ4）组成电气控制核心模块组，如图4所示，主要用于实现信号甄别、解析、数值处理、输出信号和控制油缸动作等功能；位于模块组中的模拟量输入、输出口与传感器和比例方向阀相连，通过电流信号，采集数值，控制开口。本装置采用米朗拉伸传感器，工作电压为24 V，工作量程为0～500 mm，输出信号为4～20 mA。比例阀采用的是VTOZ 比例方向阀，工作电压为24 V，输入信号为4～20 mA。整个控制系统供电采用明纬的DPR－480－24 开关电源，输入220 V，输出24 V，功率480 W，确保了整个控制回路元器件的正常工作。

图4 电气控制核心模块

2.2.2 电气控制回路设计

整个设备的电气控制回路分为动力回路和PLC 控制回路两大部分。

（1）动力回路。设备需要同时控制4 台三向千斤顶动作，采用37 kW 柱塞泵供压，启动工作时工作电流可以达到120～140 A。为了保证整个电路平稳工作，采用星－三角降压启动方式，如图5所示。启停泵控制信号由如图6所示的PLC控制回路发出，确保整个设备启泵过程平稳。

图5 部分动力回路

图6 部分PLC控制回路

（2）控制回路。依据墩台调位控制系统的控制要求，选择威纶通触摸屏作为人机界面，西门子1214C 作为控制核心模块，计算需要使用的开关量与模拟量数量，并在计算机上使用博图TIA 软件编写软件控制程序，通过以太网下载到S7－1214CPLC 中，威纶通触摸屏也通过以太网连接与PLC 实现组态通信。由于所使用的1214CPLC只有1个网线接口，为了避免操作人员使用PC电脑远程控制，故采用路由器作为信号中转点和数据发射端。系统连接关系如图7所示。

图7 控制系统硬件框架

2.2.3 软件设计

可编辑逻辑控制器（PLC）是一种数字运算操作电子系统，专门为工业环境的应用而设计，是工业控制设备，具有通用性[7]。其工作流程包括信号采集输入、程序内部扫描、信号输出。CUP1214C 依次读取数字量、模拟量接口输入信号，经过内部程序扫描运算后[8]，通过Q区输出命令信号，命令信号通过控制回路传送到对应的执行机构，从而实现系统的整个控制过程。

在硬件方面的工作完成之后，就需要根据PLC 系统实际需要达到的控制功能来对其软件部分进行相应地程序设计[9－10]。墩台吊具调位控制系统由分段模块化思路构成，借助西门子博图V16.0软件完成设计，依据功能、要求的不同，系统分为故障识别处理模块、压力与位移采集模块、数据运算模块、动作输出模块。各个功能模块在设计之初需要确认相对应的I/O接口的数量及数据类型，在满足功能要求的基础上完成程序设计及编译。整个设备的工作流程如图8所示。系统自检包括西门子模块I/O 端口、液压泵站是否存在异常现象。确认没有异常报警信号后，即可启停泵完成相应动作要求。

图8 程序工作流程

在内部程序设计方面，采用梯形图与SCL 高级语言相结合的方式编写程序，梯形图编程方式主要是对继电器、开关量信号进行控制，因其便捷、直观的特点，加上不需要编译人员额外掌握其他高级语言，因此被广大电气设计工作人员所使用。在本装置中，比如启停泵、建压、各类报警信号（相序反馈、油温报警、液位报警、高压报警、过载报警等信号）都采用梯形图设计，在实际使用过程中，出现相应的问题，操作者只需要查找对应的梯形图程序段，即可找到报警问题的发生点。在针对模拟量输入、输出方面，比如：拉伸与压力传感器模拟量输入信号，VTOZ比例方向阀输出信号都采用SCL 语言编程。SCL 语言与C 语言类似，具有相同的FOR、While 循环结构与IF、Case 判断条件，对于从未接触C语言的电气设计人员而言，理解起来具有一定难度，但SCL语言的使用有利于处理复杂程序与繁琐的数据。本装置采用FOR 循环结构与NORM_X、SCALE_X 语句相结合的方式采集传感器信号，显示在触摸屏上，同时利用IF/ELSE判断语句与设备运动动作的逻辑关系作为比例方向阀信号的输出条件，控制双向液压油缸推拉动作。采用SCL 语句处理程序，使相似内容的程序段得以压缩，使整个程序更加精炼、简单。

3 应用效果

以西门子PLC 控制器为核心的墩台吊具调位控制系统改变了传统的海上桥墩制造方式，降低了施工成本、施工风险的同时，提高了施工功效。本装置采用比较可靠的电气与液压元器件，使整个桥墩调位过程平稳、安全。在操作控制方面，采用了面板与遥控器相互独立控制模式，提高操作便捷性的同时，又可兼顾检查设备的工作状态，大大降低施工风险。

4 结束语

本文针对现存的海上墩台施工模式的弊端，设计了一种新型的施工装备。该装备以西门子PLC 控制器为核心，以比例方向阀与双向动作油缸为一个执行构建，分区分段实现精准控制，同时充分利用精准度较高的压力与位移传感器，作为数据采集反馈监控单元。设备与PC、触摸屏之间采用Profi⁃net通讯方式，大大降低了数据传输的延迟速率，设计了采集信号到输出控制的闭环控制，大大提升了调位的精准度与功效，有效降低施工风险与时间损耗。可为同类施工设备进一步提升与改造提供一定的参考价值。