盾構機上管片起重機的控製方法

　　楊燦興 方線偉 韓明強
法蘭泰克重工股份有限公司 蘇州 215211

　　摘 要：管片起重機是盾構機的重要組成部分，擔負著在盾構機橋架部分運輸隧道管片的工作
，設備的可靠運轉保證了盾構機24 小時連續工作。管片起重機安裝在盾構機的雙軌梁下方
，一般由2 台或4 台環鏈葫蘆
、電dian動dong牽qian引yin小xiao車che和he連lian接jie件jian等deng構gou成cheng，由you於yu多duo台tai葫hu蘆lu的de聯lian動dong，因yin此ci對dui設she備bei的de電dian氣qi控kong製zhi有you更geng高gao的de要yao求qiu
，區qu別bie於yu傳chuan統tong繼ji電dian器qi控kong製zhi，文wen中zhong將jiang重zhong點dian探tan討tao一yi種zhong新xin的de盾dun構gou機ji上shang管guan片pian起qi重zhong機ji的de控kong製zhi方fang法fa。

　　關鍵詞：盾構機；管片起重機；同步；一鍵調平；控製方法

　　中圖分類號：U455.3+9 文獻標識碼：A 文章編號：1001-0785（2020）02-0063-04

　　bansuizhedazhongchengshiguidaojiaotongdegaosufazhan，dungoujidexuqiuriyijiada，congeryedailaileguanpianqizhongjidexunsufazhan。guanpianqizhongjizuoweidungoujibukehuoquedeyibufen，xuyaolianxugongzuo
，zheduiguanpianqizhongjikongzhidekekaoxingyoulegenggaodeyaoqiu，guxuanzegaokekaoxingdekongzhixitongyouweizhongyao。

　　1 管片起重機的係統及性能參數
管片起重機整體安裝在盾構機的雙軌梁下方，由4台固定式環鏈葫蘆、電動牽引小車
、連接件和電氣控製等部分構成。管片起重機係統圖如圖1 所示，管片起重機電動葫蘆型號為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），起升機構電動機功率為3.6 kW、轉速為3 000 r/min，小車機構電動機功率為2×7.5 kW、轉速為1 445 r/min，真空吸盤機構液壓站電動機功率為2×2.7 kW、轉速為1 420 r/min，真空吸盤機構旋轉電動機功率為2.2 kW
、轉速為3 000 r/min。

　　1. 小車軌道 2. 小車車輪組 3. 連接件4. 三合一小車驅動機構 5. 環鏈葫蘆 6. 電控箱
圖1 管片起重機係統圖

　　2 管片起重機傳統的控製方法及特點
本盾構機上管片起重機采用的是4 台固定式環鏈葫蘆同時起吊管片吊具，兩個固定式環鏈葫蘆組合起來固定在小車上，分別為小車1 和小車2，兩(liang)個(ge)小(xiao)車(che)之(zhi)間(jian)機(ji)械(xie)上(shang)無(wu)剛(gang)性(xing)連(lian)接(jie)
，相(xiang)互(hu)獨(du)立(li)。電(dian)氣(qi)控(kong)製(zhi)通(tong)過(guo)一(yi)發(fa)雙(shuang)收(shou)的(de)遙(yao)控(kong)器(qi)來(lai)達(da)到(dao)同(tong)時(shi)控(kong)製(zhi)雙(shuang)側(ce)小(xiao)車(che)的(de)起(qi)升(sheng)和(he)運(yun)行(xing)的(de)目(mu)的(de)
，真(zhen)空(kong)吸(xi)盤(pan)的(de)控(kong)製(zhi)不(bu)能(neng)集(ji)成(cheng)在(zai)管(guan)片(pian)起(qi)重(zhong)機(ji)遙(yao)控(kong)器(qi)上(shang)，也(ye)不(bu)能(neng)與(yu)管(guan)片(pian)起(qi)重(zhong)機(ji)進(jin)行(xing)連(lian)鎖(suo)，需(xu)選(xuan)擇(ze)獨(du)立(li)遙(yao)控(kong)器(qi)控(kong)製(zhi)。葫(hu)蘆(lu)間(jian)無(wu)累(lei)加(jia)超(chao)載(zai)功(gong)能(neng)
，不(bu)能(neng)有(you)效(xiao)地(di)控(kong)製(zhi)真(zhen)空(kong)吊(diao)具(ju)的(de)偏(pian)載(zai)。管(guan)片(pian)起(qi)重(zhong)機(ji)控(kong)製(zhi)簡(jian)圖(tu)如(ru)圖(tu)2 所示。

　　圖2 管片起重機控製簡圖

　　葫hu蘆lu的de起qi升sheng為wei常chang規gui繼ji電dian器qi控kong製zhi，其qi優you點dian是shi控kong製zhi電dian路lu簡jian單dan。缺que點dian是shi起qi升sheng和he運yun行xing同tong步bu性xing能neng差cha，運yun行xing期qi間jian同tong步bu不bu可ke控kong，如ru發fa現xian偏pian差cha隻zhi能neng通tong過guo切qie換huan到dao單dan動dong模mo式shi，人ren為wei調tiao節jie使shi起qi升sheng和he（或）運行在相對高度和（或）位置上。初始同步點的控製因人而異
，因此存在不可控

、安全隱患大等問題，同時需要兩套遙控器控製
，且要求控製管片起重機的遙控器需具有一發雙收功能，遙控器成本高，操作人員需攜帶2 隻遙控器，操作極不便捷。

　　3 管片起重機新的控製方法及特點
weilejiejuechuantongguanpianqizhongjidewenti，xinfanganzaikongzhifangfashangjinxinglegaijin。qishengjigoubuzaicaiyongshuangsudianjidetiaosufangshi，gaiyongbianpinkongzhi
，bingzaidianjidezhouduanjiazhuangbianmaqijinxingsudufankui。yunxingjigouyeyoukaihuangaiweibihuankongzhi。xinfangantiaosujingdugao，qidongzhuanjuda
，tingchegengpingwen。

　　每個小車采用SIEMENS S7-300 PLC 控製，起升、運行選用ABB ACS880 係列變頻器，PLC 與變頻器采用總線控製方式
，PLC 同時將編碼器的脈衝數折算成位移進行存儲。兩個小車的PLC 之(zhi)間(jian)通(tong)過(guo)無(wu)線(xian)通(tong)訊(xun)方(fang)式(shi)進(jin)行(xing)實(shi)時(shi)數(shu)據(ju)交(jiao)換(huan)
，時(shi)刻(ke)比(bi)較(jiao)起(qi)升(sheng)和(he)小(xiao)車(che)之(zhi)間(jian)的(de)數(shu)值(zhi)，進(jin)而(er)調(tiao)節(jie)變(bian)頻(pin)器(qi)實(shi)現(xian)各(ge)自(zi)的(de)運(yun)動(dong)相(xiang)對(dui)同(tong)步(bu)。初(chu)始(shi)狀(zhuang)態(tai)具(ju)有(you)一(yi)鍵(jian)調(tiao)平(ping)功(gong)能(neng)，自(zi)動(dong)將(jiang)兩(liang)機(ji)構(gou)對(dui)齊(qi)到(dao)同(tong)一(yi)水(shui)平(ping)高(gao)度(du)或(huo)同(tong)一(yi)垂(chui)直(zhi)截(jie)麵(mian)上(shang)。如(ru)兩(liang)吊(diao)鉤(gou)誤(wu)差(cha)超(chao)出(chu)預(yu)設(she)值(zhi)（根據工況自由設定）時停車，確保抬吊的重物不發生大的偏斜。2 個PLC 之間的無線通訊采用的是ORing 公司的IAP-420-EU 產品，通訊速率高
、距離遠
、抗幹擾能力強
，完全滿足2 個PLC 間的數據交換需求。管片起重機控製網絡圖如圖3 所示。

　　圖3 管片起重機控製網絡圖

　　通tong過guo一yi發fa一yi收shou的de遙yao控kong器qi來lai達da到dao同tong時shi控kong製zhi雙shuang側ce小xiao車che的de起qi升sheng和he運yun行xing的de目mu的de。此ci時shi的de遙yao控kong器qi隻zhi需xu最zui基ji本ben的de功gong能neng，遙yao控kong器qi功gong能neng簡jian單dan，成cheng本ben低di。真zhen空kong吸xi盤pan的de控kong製zhi集ji成cheng在zai管guan片pian起qi重zhong機ji遙yao控kong器qi上shang，實shi現xian與yu管guan片pian起qi重zhong機ji的de連lian鎖suo。管guan片pian起qi重zhong機ji遙yao控kong器qi控kong製zhi簡jian圖tu如ru圖tu4 所示。

　　圖4 管片起重機遙控器控製簡圖

　　控製箱內設置有必要的狀態指示燈，包括兩隻PLC通訊正常指示燈
，同步偏差報警指示燈，手電門控製激活指示燈及小車遙控器等指示信號。改進後的方案使操作人員操作更便捷、安全性更高。

　　3.1 兩組起升機構的同步起升
由於兩組起升機構在機械結構上是完全獨立的，沒有任何剛性連接，但在工作時
，兩組起升吊鉤下部會懸掛同一個吊具機構（真空吸盤），用於吸取盾構管片，可以同上同下
，也可以單獨上下動作。當在同步運行時
，要求其相對誤差不超過2 mm
，同步控製精度要求較高。方案中，隻能依靠電氣實現同步
，采用ACS880 係列變頻器D2D 主zhu從cong控kong製zhi的de負fu荷he分fen配pei功gong能neng。同tong時shi
，兩liang台tai起qi升sheng電dian機ji必bi須xu配pei置zhi編bian碼ma器qi

，編bian碼ma器qi一yi方fang麵mian用yong於yu變bian頻pin器qi的de閉bi環huan控kong製zhi，提ti高gao控kong製zhi精jing度du，改gai善shan動dong態tai響xiang應ying，優you化hua抱bao閘zha控kong製zhi邏luo輯ji；另一方麵，用於同步起升時位置計算。

　　D2D（Drive To Drive link）是工業傳動模塊
，用來完成變頻器之間的快速通訊功能。在多台電機傳動控製過程中
，各分部電機的負載率相同
，即δ=P/Pa 相同（P為電機所承擔的負載功率
，Pa 為電機額定功率）。在zai負fu荷he分fen配pei調tiao節jie過guo程cheng中zhong不bu能neng影ying響xiang本ben傳chuan動dong組zu以yi外wai各ge分fen部bu的de速su度du。負fu荷he分fen配pei中zhong，選xuan取qu一yi台tai電dian機ji作zuo為wei本ben組zu主zhu電dian機ji
，連lian接jie在zai速su度du鏈lian主zhu鏈lian上shang
，其qi它ta電dian機ji作zuo為wei子zi電dian機ji，形xing成cheng子zi鏈lian控kong製zhi結jie構gou。變bian頻pin器qi對dui變bian頻pin器qi連lian接jie是shi一yi種zhong菊ju花hua鏈lian式shiRS-485 傳輸線路，它允許與一個變頻器和多個變頻器進行基本的主從式通信，通信速率可達到8 Mbit/s。在變頻器對變頻器連接位於末端的變頻器終端電阻必須設置為ON，位於中間的變頻器上的終端電阻必須設置為OFF。接線時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 一鍵調平功能
兩台獨立的起升機構（包含各自的小車運行機構）在(zai)聯(lian)動(dong)運(yun)行(xing)時(shi)需(xu)要(yao)同(tong)步(bu)起(qi)升(sheng)，且(qie)需(xu)確(que)保(bao)其(qi)共(gong)同(tong)水(shui)平(ping)起(qi)吊(diao)一(yi)組(zu)管(guan)片(pian)，故(gu)需(xu)要(yao)確(que)保(bao)兩(liang)組(zu)吊(diao)鉤(gou)初(chu)始(shi)位(wei)置(zhi)處(chu)於(yu)水(shui)平(ping)
，傳(chuan)統(tong)方(fang)式(shi)是(shi)手(shou)動(dong)調(tiao)平(ping)

，效(xiao)率(lv)較(jiao)低(di)，精(jing)度(du)較(jiao)差(cha)。係(xi)統(tong)中(zhong)可(ke)以(yi)采(cai)用(yong)自(zi)動(dong)模(mo)式(shi)，兩(liang)組(zu)吊(diao)鉤(gou)可(ke)以(yi)在(zai)任(ren)意(yi)位(wei)置(zhi)自(zi)動(dong)對(dui)齊(qi)。其(qi)工(gong)作(zuo)原(yuan)理(li)為(wei)：在主站PLC 中，需要編寫程序，分別讀取兩組起升機構變頻器位置參數（編碼器脈衝計算），以上升停止限位為“零點”作為參考，讀取的瞬時位置值與零點值比較
，得到每組吊鉤的相對位置值
，兩組吊鉤（A 和B）的相對位置值相減得到兩組吊鉤間位置相對值δ=H (A)-H (B)。當δ=0 時，表示兩組吊鉤位置相同，無需調整
；當δ ＞ 0 時，表示A 組較B 組位置低，以A 組為參考點

，B 組調整向下運行，繼續比較，直到δ=0 時表示調平
；當δ ＜ 0 時，表示A 組較B 組位置高，以A 組為參考點，B 組調整向上運行，繼續比較
，直到δ=0 時表示調平。在實際調整過程中，當偏差值δ較大時
，可以先快速運行
，直到δ 較小時慢速運行調平到位。

　　3.3 兩台設備PLC 間無線通信數據交換
由於整體係統是由兩套獨立的設備組成
，每套設備都有完整的電控係統，包括PLC、變頻器等，兩套設備間即可組合聯動，也可單動。聯動時要確保所有機構運行同步
，限位
、故障等連鎖，涉及到兩套設備PLC 間的通訊、數據交換。由於每套設備都是移動的，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PLC 的基礎上針對遠程測控做了優化
，硬件上除具備傳統PLC 的輸入采集、繼電器控製、定時器和串口通信等功能外，增加了GPRS、短信和無線數傳電台等通信功能。在軟件上除具備傳統PLC 的讀輸入、執行程序
、處理通信請求
、執行CPU 自診斷和寫輸出這五個掃描周期過程外，增加了信道管理、驅動管理、采集管理和應用管理等遠程采集管理功能。在外觀上除具有與傳統PLC 相同的外觀基礎外，如接線端子、指示燈和串口接口（擴展接口）等，增加了無線通信有關的SIM 卡座和天線接口等部件。無線PLC 與傳統PLC 相比最大的優勢，是無需外接無線通信模塊和編寫接口驅動程序，即可直接構建遠程測量係統
、遠程控製係統和遠程報警係統等遠程測控方案。如圖6 所示為遠程通信無線PLC工作原理圖
，圖7 所示為無線PLC 信號傳遞過程
，圖8所示為係統結構配置圖。

　　圖6 遠程通信無線PLC 工作原理

　　圖7 無線PLC 信號傳遞過程

　　
圖8 係統結構配置圖

　　4 管片起重機新控製方案的應急措施
管guan片pian起qi重zhong機ji備bei有you應ying急ji用yong的de有you線xian手shou電dian門men，手shou電dian門men和he遙yao控kong器qi通tong過guo重zhong載zai接jie插cha件jian的de方fang式shi互hu換huan使shi用yong。每mei個ge小xiao車che的de控kong製zhi箱xiang均jun留liu有you同tong樣yang的de控kong製zhi接jie口kou，小xiao車che間jian的de控kong製zhi地di鎖suo定ding由youPLC的de內nei部bu程cheng序xu完wan成cheng。在zai管guan片pian起qi重zhong機ji的de聯lian動dong同tong步bu模mo式shi不bu能neng使shi用yong時shi，如ru檢jian修xiu或huo初chu期qi設she備bei安an裝zhuang等deng特te殊shu情qing況kuang時shi
，可ke切qie換huan到dao單dan動dong模mo式shi，即ji單dan小xiao車che運yun行xing模mo式shi。在zai單dan動dong模mo式shi下xia，PLC 間不再檢測兩者之間的通訊是否正常，也不再做同步運算

，彼此間完全獨立。此備用功能可增加係統的可靠性
，減少了停機時間。

　　5 管片起重機控製方案的輔助設備
管(guan)片(pian)起(qi)重(zhong)機(ji)具(ju)有(you)起(qi)重(zhong)量(liang)限(xian)製(zhi)功(gong)能(neng)，實(shi)時(shi)保(bao)護(hu)，確(que)保(bao)不(bu)超(chao)載(zai)。聯(lian)動(dong)時(shi)，累(lei)加(jia)超(chao)載(zai)。單(dan)動(dong)時(shi)，以(yi)各(ge)自(zi)額(e)定(ding)起(qi)重(zhong)量(liang)為(wei)準(zhun)。超(chao)載(zai)保(bao)護(hu)還(hai)具(ju)有(you)輕(qing)載(zai)信(xin)號(hao)輸(shu)出(chu)，輕(qing)載(zai)模(mo)式(shi)下(xia)，運(yun)行(xing)均(jun)按(an)200% deedingsuduyunxing
，jidadetigaoleshengchanxiaolv。guanpianqizhongjideqishengheyunxingfangxiangjunshezhiyouxingchengjixianbaohu，nengyouxiaodejiangguanpianqizhongjideyunxingxiandingzaisuoshejidexingchengfanweinei
，quebaoshebeiyunzhuandeanquanxing。

　　聯(lian)動(dong)時(shi)
，管(guan)片(pian)起(qi)重(zhong)機(ji)和(he)吊(diao)鉤(gou)下(xia)的(de)真(zhen)空(kong)吸(xi)盤(pan)吊(diao)具(ju)具(ju)有(you)聯(lian)鎖(suo)保(bao)護(hu)，真(zhen)空(kong)吸(xi)盤(pan)的(de)控(kong)製(zhi)集(ji)成(cheng)在(zai)遙(yao)控(kong)器(qi)上(shang)

，真(zhen)空(kong)吸(xi)盤(pan)的(de)反(fan)饋(kui)信(xin)號(hao)參(can)與(yu)控(kong)製(zhi)，真(zhen)空(kong)吸(xi)盤(pan)有(you)六(liu)個(ge)控(kong)製(zhi)信(xin)號(hao)和(he)兩(liang)個(ge)反(fan)饋(kui)信(xin)號(hao)
，其(qi)吸(xi)合(he)控(kong)製(zhi)采(cai)用(yong)一(yi)個(ge)按(an)鈕(niu)


，釋(shi)放(fang)控(kong)製(zhi)采(cai)用(yong)兩(liang)個(ge)按(an)鈕(niu)，減(jian)小(xiao)誤(wu)動(dong)作(zuo)。真(zhen)空(kong)吸(xi)盤(pan)不(bu)吸(xi)料(liao)或(huo)吸(xi)料(liao)中(zhong)且(qie)真(zhen)空(kong)度(du)正(zheng)常(chang)，管(guan)片(pian)起(qi)重(zhong)機(ji)運(yun)行(xing)能(neng)啟(qi)動(dong)。真(zhen)空(kong)吸(xi)盤(pan)在(zai)吸(xi)料(liao)的(de)過(guo)程(cheng)中(zhong)，管(guan)片(pian)起(qi)重(zhong)機(ji)運(yun)行(xing)不(bu)能(neng)啟(qi)動(dong)。真(zhen)空(kong)吸(xi)盤(pan)的(de)釋(shi)放(fang)取(qu)決(jue)於(yu)吊(diao)鉤(gou)是(shi)否(fou)處(chu)在(zai)輕(qing)載(zai)狀(zhuang)態(tai)（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範圍。真空吸盤吊具圖如圖9。

　　1、液壓泵 2
、旋轉電機 3、吸盤控製箱 4、動力及控製電纜
圖9 真空吸盤吊具

　　6 結論
caiyongxindekongzhifangfahou
，xitongdecaozuogengjiandan，xingnenggengkekao，xiaolvgenggao。gaixitongfanganyichenggongyunyongzaiguoneimougongchenggongsidedungoujishang
，qieyunxingzhuangkuanglianghao。jinhoujiangjixuwanshangaishebeidegongneng，manzubutongkehudexuqiu。

　　參考文獻
[1] GB3811—2008 起重機設計規範[S].
[2] 張質文，虞和謙，王金諾，等. 起重機設計手冊[M]. 北京：中國鐵道出版社，1998.
[3] GB6067—2010 起重機械安全規程[S].