桥梁检查车电控系统的模块化设计及实现研究_高健.pdf

南方论坛342023 年 5 月下South Forum桥梁检查车电控系统的模块化设计及实现研究*高健（武昌工学院智能制造学院，湖北 武汉 430065）摘要：【目的】为了解决“一桥一车型”的市场需求下，采用“一车一方案”的传统设计模式容易造成设计周期长、生产成本高等不利影响的问题。【方法】笔者利用模块化设计的生产理念，根据桥梁检查车的操控运行特点，将桥梁检查车电气系统划分为电源、控制、驱动、柜体、安全保护等模块分别进行设计。【结果】仿真结果表明，桥梁检查车电气设备采用模块化设计有利于提高桥梁检查车电气设备安装和设计工作的效率，有利于桥梁检查车内部部件与部件之间接口的统一，有利于缩短标准化生产的生产周期，保证设备安全、稳定、高效运行。【结论】桥梁检查车是桥梁维修保养的重要机具装备，随着我国桥梁建设的发展，桥梁检查车市场需求越来越大。关键词：桥梁检查车；模块设计；设计效率；电控系统中图分类号：U446.2 文献标志码：A DOI：10.3969/j.issn.1672-3872.2023.10.010近年来，我国桥梁事业发展迅猛。据不完全统计，我国桥梁总数超过100万座，公路桥梁91.28万座，6 628.55万延米，其中特大桥梁6 444座，1 162.97万延米，另有铁路桥梁总数近10万座。铁路桥梁累积长度超过30 000 km。桥梁的日常维修保养是维护桥梁安全的重要手段，桥梁检查车是一种为桥梁维护检修人员在桥梁检修过程中提供作业平台、能够在工作人员操作下用于流动检测或维修作业的专用特种设备，是桥梁维护的重要装备。面对桥梁检查车的需求和市场，使用传统的设计模式时，每承接一座桥梁的桥梁检查车生产，就需要因桥型不同而重新设计，极大地浪费了设计资源，同时，生产企业在材料、零配件互换等生产投入过程中也提升了成本，而采用模块化设计可以解决上述设计生产中的问题。1 模块化设计发展现状模块化设计（Modular Design）是欧美国家在20世纪50年代提出的一种新型设计理念和方法1。它在传统设计流程的基础上，以系统工程原理为导向，以标准化为宗旨，将产品或对象先归纳总结，后抽象综合，形成能快速完成一类产品或对象的设计生产的工作方法和思维方法。模块化设计已经在工业产品设计中得到广泛应用，简单表述为：新产品=基础模块+专用模块。在模块化设计过程中可以根据客户的功能需求单独对某些模块进行设计，原来的基础功能设计经过检验，性能可靠，厂家可以仅对客户提出的特殊功能需求进行整体性的方案评估、设计。这样可以解决产品品种、规格与设计制造周期、成本之间的矛盾。现阶段在国际知名工程机械公司中均可见到模块化设计的“身影”，如利勃海尔构建了利勃海尔模块化系统，使其生产的塔机作为标准配置，可以采用多种方式进行组合和扩展；卡特（CAT）公司推出平地机械模块化设计后，在推土机、挖掘机等设备上使用；还有如宝峨集团、德马格、马尼托瓦克等公司，其中马尼托瓦克起重集团的所有产品在设计时均采用了模块化设计方法，通过新单元的增加快速扩展其产品功能，扩大其市场占有率。我国的模块化设计虽然起步较晚，但已经在振华港机、三一重工、中联重科等国内知名企业中深入开展。2 检查车电控系统模块化设计划分因应用在不同桥梁上，或检修同座桥梁的不同部位，一座大桥的桥梁检查车特别是固定式检查车设计基本是一桥多车，一车多型。以沪通长江大桥钢箱梁检查车为例，该桥共有14台固定式检查车，其中主航道桥段设1台上弦、2台下弦检查车；专用航道桥段设1台上弦、1台下弦检查车；112 m简支钢桁梁桥段共设3台上弦、6台下弦检查车。该桥上弦检查车车体纵向布置，具备纵向行走检查、横向行走检查、车体伸缩、升降或翻转平台、同步控制、跨越伸缩缝的功能；下弦检查车具备直线同步行走、伸缩过墩、跨越伸缩缝、横向平移的功能2。根据这一特点，检查车基金项目：2022 年度湖北省教育科学规划课题“高校优势特色学科群建设背景下基于 一线三融合 实践教学体系研究”（2022GB156）；武昌工学院校级教研立项课题“工程设备模型在智能装备制造产业中的应用研究”（2022KY01）作者简介：高健（1979），男，黑龙江绥化人，硕士研究生，高级工程师，研究方向为工程设备设计研究。2023 年 5 月下南方论坛35South Forum机械结构部分可以根据不同桥梁外形及检修要求进行定制设计，且检查车电控系统部分可采用模块化设计并生产实施。常规电控系统模块设计一般可以按照原理模块化设计、结构模块化设计、布线模块化设计三个方面展开。电气模块化设计具体拓扑结构如图1所示。检查车电控系统模块设计可采用原理模块化设计与布线模块化设计相结合的办法。检查车电气控制系统按原理功能划分主要由电源模块、控制系统模块、驱动系统模块、安全保护模块、其他辅助装置模块组成。这些模块按功能及规模可单独成柜，根据整机结构合理布置，彼此之间采用统一接口，布设线缆通道，使用快速连接器连接。电气模块化设计原理模块化设计结构模块化设计布线模块化设计按子系统功能划分按各结构功能划分按空间定位设计图1电气模块化设计拓扑图3 检查车电控系统模块化设计实现3.1 供电模块设计根据桥梁设计形制，桥梁检查车主要有汽、柴油发电机机组供电，滑触线市电接入供电，蓄电池储能供电三种供电形式。3.1.1汽油或柴油发电机机组供电汽、柴油发电机机组主要由发动机和发电机组成，以汽油或柴油为燃料，通过燃料在气缸内的燃烧产生动能，推动气缸内的活塞往复运动，驱动发动机曲柄围绕曲轴中心做往复的圆周运动输出动力，发动机将化学能转化为机械能，再由发动机带动发电机，使发电机转子在定子中旋转做切割磁力线的运动，从而产生感应电势向外供电。当桥梁检查车采用发电机供电模式时，电控箱的总电源线接在发电机的母线端子上，接通点火开关，当外供电源电压和频率正常后，方可合上发电机外供空气开关，桥梁检查车得电。因桥梁检查车力求轻便简洁，工作时功耗较小，发电机机组常用功率为3 kW15 kW。汽油机与柴油机相比更加小巧，但功率上限较低，整车功率在8 kW以上时一般采用柴油机供电。汽油或柴油发电机机组工作稳定、操作简单、保养维护简单，被广泛使用，但汽、柴油发电机机组由于油箱储油有限，工作时长较短，对于只能在固定地点进出工作的检查车车型，要严格控制工作时长，保证安全往返。而且若供电质量不稳定，将影响精密检查设备的使用，使用、养护时还会产生废气、废烟、废油而污染环境，该供电模式使用量正在逐步减少。现阶段常用的发电机机组品牌有雅马哈、道依茨、潍柴。3.1.2滑触线市电接入供电供电安全滑触线装置主要由护套导管、导轨、受电器及一些辅助组件构成。供电安全滑触线护套由高绝缘性能的工程塑料制成，根据安装区域要求，能防护雨、雪、霜、冰冻的侵袭以及各种原因引起的异物接触，防护等级可根据需要达到IP55级，绝缘性能良好，检修人员触及外部表面无任何伤害。内部导轨主要材质是铜，其常用的截面积有10 mm2、16 mm2、25 mm2，根据需要嵌设若干裸体导轨作为供电导线，轨间相互绝缘并与外壳绝缘，通过绝缘固定夹固定在供电安全滑触线护套内。受电器是在护套导管内运行的一组电刷壳架，通过滑动接触向桥梁检查车供电。滑触线市电接入供电方式的供电电源质量稳定，但前期安装施工复杂，特别是对改造加装的桥梁检查车项目，滑触供电安装方案还需设计单位专项审核。在以往的实际使用中，由于运行、振动等原因导致在导电装置上电刷与电线导电不良；滑触线本身受结构膨胀或收缩的影响也经常出现断电的现象。3.1.3锂电池储能供电前期的检查车供电设计以汽、柴油发电机模式为主，但随着国家对工程环保的要求愈发严格，特别是锂电池储能技术的发展，蓄电池储能供电模式成为新型检查车项目中的主流应用。蓄电池供电装置主要由电池组、逆变器、电池管理系统等组成。锂离子电池具有安全性高、单体一致性好、自放电率低、比能量高、寿命长、无记忆效应等特点，是电池组的核心。现阶段的电池组主要采用磷酸铁锂电池电芯，根据供电需求串并成组，组合成任意电压等级和容量的电池组，封装在电池箱内。检查车需要动力供电时，电池管理系统（BMS）控制电池组传输的直流电通过逆变器的微处理控制和SPWM正弦脉宽调制技术处理后，输出工频50 Hz，线电压380 V，相电压220 V的交流电源为检查车各机构输送电源动力。电池管理系统（BMS）同时实时监控电池组内部集成电压、电流、温度、剩余电量等参数，可通过现场总线与检查南方论坛362023 年 5 月下South Forum车控制系统进行数据交换，保证检查车用电安全。锂电池供电模式相比发电机模式，具有节能、环保、无噪声等特点，但前期投入成本较大，锂电池需要特殊维护。目前锂电池技术已经取得了长足进步，使用寿命能达到10年以上，总体经济和环保效益还是很可观的。锂电池储能供电虽解决了以往汽、柴油发电机机组供电模式下燃油运输麻烦的问题，但是需设置充电位置，以便检查车后续使用时有方便的电源接口充电。一般在每个桥墩处设有电源供电箱，采用快速接插件形式与检查车对接。随着智能技术的引入，检查车能够在归位后自动连接充电，目前已在舟山跨海大桥梁底检查车项目中应用实施3。三种供电方案各有优劣，对比如表1所示。随着技术发展，“以锂电池储能供电为基础+检查车归位后自动充电”方案逐步成为主流模式。表1供电方案对比对比项目发电机供电锂电池供电安全滑触线成本前期投入低，运行成本低前期投入高，运行成本低前期投入高，运行成本低安装难度容易容易困难操作性简单简单复杂可靠性相对较高高低安全性相对较低高高环保性有污染无污染无污染保养难度困难简单困难3.2 控制模块设计在前期的检查车控制系统的设计选型中，西门子S7-200系列、三菱FX-2N系列PLC模块选型使用占比较大。随着近年新技术、新产品的出现，检查车控制系统主控模块采用西门子S7-1200系列PLC较多。西门子S7-1200系列控制器实现了模块化和紧凑型设计，功能强大，使用安全稳定。以S7-1215C主模块为例，该模块具有14点数字量输入、10点集成数字量输出、2点010 V模拟量输入、2点020 mA模拟量输出、4点PTO/PWM输出、6个高速计数器、2个集成以太网卡，接口丰富，功能完善。内置的卡扣可简单方便地安装在标准的35 mmDIN导轨上。针对检查车控制系统，选择主控模块后，根据控制规模，规划控制点数，仅需扩展少量I/O模块、模拟量模块即可。标准化的以太网接口和扩展的串行通信模块可以方便地和人机界面触摸屏、变频器、电池管理系统、检查车安全监控系统组网控制。在检查车控制系统中，对同步控制要求较高，当检查车在轨道上行驶时，若两侧的走行驱动速度不一致，极易出现卡轨、跳轨现象，这种情况十分危险，会影响检查车的正常运行。为解决速度同步控制问题，需在检查车走行电机上安装增量型编码器，将脉冲信号或通信信号输入到PLC的高速计数端口或通信口中，实时采样走行脉冲数量，以检测车一端走行速度为基准值，另一端速度为跟随值。一般以500 ms1 000 ms为周期进行高速计数，换算得出两侧走行速度，当速度差值大于允许误差时，进行跟随侧走行速度调整，以保持两侧速度一致。使用PLC控制技术进行逻辑处理，减少操作开关数量和内部硬件线路的线束；外部电气元件的连接全部采用防水、耐腐蚀连接插件与主控台进行电气连接，方便调试、安装和维护。同步控制模式如图2所示。同步控制基准侧编码器控制模块跟随侧编码器基准侧电机速度给定1速度给定2跟随侧电机图2同步控制模式图3.3 驱动模块设计桥梁检查车驱动系统一般采用变频器作为核心驱动模块，变频器是一种将固定电压、固定频率的交流电变换为可调电压、可调频率的交流电的装置。变频器驱动系统具有调速精度高、动态响应快、运行效率高、节约能源、调速范围广、外围接口丰富的特点，便于和PLC控制连接。变频器的节能、平滑调速、平稳换向等特性非常适合桥梁检查车的供电工况。特别是在锂电池供电模式下，变频器在减小启动电流冲击、延长供电工作时间和电池使用寿命等方面表现突出。同时也减小了电机启动过程中对检查车机械结构和桥