【二等奖】施耐德电气M208PLC在桥梁检查车的应用

作者名称 – 余巍

摘  要：
本次产品试用于桥梁检查车控制系统，除完成检查车的基本功能外，还具有GPS定位、GPRS远程传输以及走行同步等功能，充分发挥M208控制器特点。
关键词：
   桥梁检查车  M208  GPS/GPRS  同步
一、应用简介
1. 应用简述：包含该应用的领域，其产生的相关背景和当前的市场动态
桥梁检查车作为检测人员在检测过程中的作业平台，装备有桥梁检测仪器，可以随时移动位置，能安全、快速、高效地让检测人员进入作业位置进行流动检测或维修作业。我国幅员辽阔，跨江、跨海大型桥梁很多，特别是杭州湾跨海大桥、港珠澳跨海大桥等超级桥梁工程，使我国桥梁建设迈向世界大跨度桥梁建设的先进行列。现今大桥梁多采用钢箱梁结构，其使用寿命长，对于桥梁的维护保养有很高的要求。
大型桥梁工程其检查车数量多，根据不同节段分布布置，分布范围广，分布范围上百公里。常规的车辆管理模式是随车管理，工作人员上车进行维护、补给动力、记录操作任务和维修记录，存在着工作量大、效率低、管理难度大等问题。因此需要建立一个集中式的信息化平台，通过通讯网络连接检查车终端，对其进行智能综合管理。
2. 公司介绍:
武桥重工集团股份有限公司，该公司主要从事桥梁工程装备的研发、设计、制造等相关工作，是国内设计和制造桥梁专用设备的龙头企业。产品包括特大型桥梁施工设备、特大型、异型桥梁钢梁、铁路客运专线施工设备、特种起重机、海工设备等。该公司“桥机”牌产品荣获武汉市和湖北省名牌产品称号，多项产品被列为国家级重大新产品及铁道部科技司计划发展项目，多次荣获国家、省部、中铁工程总公司的科学技术进步奖励。其中建议人作为该公司主要骨干技术人员，先后主持了架桥机、桥梁起重机、多类型检查车、特大型海上施工设备等多项框架总体设计工作，具有较丰富的设计经验和较高研发水平。

二、应用说明
1. 应用功能描述
图1 检查车结构图
1.1 检查车组成及功能
检查车主要由桁架系统、驱动系统、龙门架、拉索组件、升降平台系统等组成。检查车均为全自动控制，安全性好，具有直线行走、伸缩、跨越伸缩缝等功能，可对钢箱梁外侧进行全方位、全立体的检测和维护；
桁架梁与驱动机构通过龙门架连接在一起，在电机的驱动下运行。桁架主要承受自重、操作人员和维护检查器具物品等荷载。检查车桁架上设有升降小车，可在其配套轨道上沿桥横向移动。
1.2 检查车电气系统
电气系统由电源、控制系统、驱动系统、安全保护以及辅助装置组成，确保检查车安全、稳定运行，并具有较高的可靠性。
1）电源
采用磷酸铁锂电池提供动力电源，通过逆变器为各机构输送电源。锂电池配置电池管理系统BMS，通过RS485接口与PLC进行通讯，将电池运转状况、故障等信息传输给控制器进行监控。
2）控制系统
控制系统采用modicon m208控制器为控制核心，通过GPS/GPRS模块与远程监控室通讯，用于实现检查车的运动控制、运行状况和报警显示、位置检测以及与远程监控等功能。
3）驱动系统
驱动系统采用变频驱动采用无极调速，方便机构平稳运行。PLC与变频之间采用modbus通讯方式。
4）安全保护
接地保护：检查车电气设备均通过接地电缆与检查车结构相连，检查车通过走行轮与轨道连接，轨道通过接地电缆接地，确保用电安全。
风速报警：设有风速仪，当大于设计风速时，及时通知操作人员做好防护措施。
轨道检测：检查车在轨道上行走，走行轨道必须连续不断，在检查车的走行机构前端安装了探路传感器，如果检测到轨道有缺陷不适宜行车，则该传感器会自动给出信号，控制系统停车检查。特别是回转过墩时，可以防止因旋转轨道未到位而导致检测车坠落。
急停保护：设有急停保护开关，紧急情况切断电源。
电池警报：当电池低于设定值时，系统发出警报，提醒操作人员停止工作，尽快到达附近的充电点进行充电。
2. 工艺流程说明：
3. 系统需要分析：
本系统即作检查车的运行控制，又作为检查车远程监控的终端，因此需要控制器具有PLC基本的控制功能还需要有丰富的通讯功能，施耐德电气Modicon M208作为一款小型PLC，其IO点数及功能满足了检查车的基本控制需要，通过其RS485接口与GPS/GPRS模块、BMS通讯，又满足了作为终端的需要。此前本系统采用的是西门子S7-300方案，需配置IO模块、接口模块等，M208与之相比更经济，一个PLC就能满足所有需求，而且接线更方便，使用更灵活简便。

三、应用的设计与实现
1. 电气控制原理图说明
图3 PLC原理图

1) 测速：通过PLC的两个高速计数口，分别连接左右走行编码器，编码器采用增量型编码器。
2）I/O：输入连接按钮、选择开关、限位、变频器接点等；输出连接继电器、指示灯、报警器。
3）SL1：与走行变频器之间通过MODBUS协议进行通讯。
4）SL2: 与GPS/GPRS模块、BMS之间通过ASCII协议进行通讯。

2. I/O分配表（包含M208所有输入输出的地址以及功能说明，如下图）
表1 工作台输入输出信号表
端子号 说明 模块号-端子号 备注
24V 电源模块输入 本体 电源+
0V 电源模块输入 本体 电源-
I0 左走行编码器 本体
I1 右走行编码器 本体
I2 行车确认 本体
I3 变频器故障复位 本体
I4 手动/自动 本体
I5 左车前进 本体
I6 左车后退 本体
I7 右车前进 本体
I8 右车后退 本体
I9 左车前危险限位 本体
I10 左车后危险限位 本体
I11 右车前危险限位 本体
I12 右车后危险限位 本体
I13 前限位1 本体
I14 前限位2 本体
I15 后限位1 本体
I16 后限位2 本体
I17 左车制动 本体
I18 右车制动 本体
I19 左车变频故障 本体
I20 右车变频故障 本体
I21 风速报警 本体
Q0 左顶轨器打开 本体
Q1 右顶轨器打开 本体
Q2 变频故障复位 本体
Q3 备用 本体
Q4 危险指示 本体
Q5 变频故障指示 本体
Q6 限位指示 本体

3. M208 走行同步控制程序说明
检查车行走在钢梁轨道上，两侧走行驱动需速度同步，防止出现卡轨，影响检查车的正常运行。速度同步控制的方法为：通过安装在检查车走行电机上增量型编码器，将脉冲信号输入到PLC的高速计数端口，高速计数器500ms一个周期进行计数，通过计数值/时间得出的每秒的计数值，并通过换算得出两侧走行速度。以左车速度为主，右车速度跟随，当速度差值大于允许误差时，PLC对右车速度进行调整，以保持与左车速度一致。
M208有两路单相高速计数通道HSC0，HSC1，最高频率可达10KHZ。计数模式采用模数回路。
4. 应用设备图片展示
图5 检查车整体图
图6 检查车操作台
图7  PLC与GPS/GPRS模块连接试验

四、应用体会
1. Modicon M208在检查车这类型的小型机械产品上的应用，满足了检查车控制的需求。作为一款紧凑型PLC，其接线端子非常明确，还具有颜色区别，方便现场接线工作。M208的通讯功能也能满足小型机械的需求。由于初次接触Modicon最新产品，其资料和应用案例还不够多，对快速熟悉这个产品还是有一定的难度。
2. 以往用过施耐德TWIDO系列产品，就PLC本体而言，M208的编程口更加方便连接，其软件相比TWIDO编程界面更加丰富，指令和库更多，并具有良好的编程环境。
3. 目前系统已经完成了初步调试验收，运转正常。

参考文献
[1] Modicon M218培训教材
[2] Modicon M218试验教材
[3] M218SoMachine指令手册