計算機在大型鋼結構整體安裝中的控制技術及應用

李新元

摘要：近年來高、重、大、特殊鋼結構的不斷涌現，傳統的結構安裝施工工藝與設備往往難以勝任，將計算機、信息處理、自動控制、液壓控制等高新技術與結構吊裝技術相結合對大型鋼結構整體進行安裝成為一種必須。文章對其計算機控制系統進行了闡述。

關鍵詞：計算機；鋼結構；控制技術；整體安裝

中圖分類號：TV758 文獻標識碼：A

文章編號：1674-1145（2009）03-0111-02

一、技術原理

大型鋼結構整體安裝計算機控制技術的原理是：鋼鉸線承載、計算機控制、液壓千斤頂集群作業。

1．液壓千斤頂集群作業。以液壓千斤頂作為施工作業的動力設備。由于液壓千斤頂可以靈活布置與組合，可以根據大型結構的特點和施工現場的條件，構成受力合理、動力足夠的施工作業系統，因此可以用于各種大型、特殊、復雜的結構安裝工程。根據各作業點提升力的要求，將若干液壓千斤頂與液壓閥組、泵站等組合成液壓千斤頂集群，大型結構整體提升時稱為液壓提升器，大型結構整體移位時稱為液壓牽引器。一般是1個作業點配置1套液壓提升器或牽引器。液壓千斤頂集群在計算機控制下同步作業，使提升或移位過程中大型結構的姿態平穩、負荷均衡，從而順利安裝到位。

2．鋼絞線承載。液壓千斤頂通過集束的鋼絞線提升或牽引大型結構。

3．計算機控制。施工作業由計算機通過傳感器和信息傳輸電路進行智能化的閉環控制。計算機控制主要是3項作用，首先是控制液壓千斤頂集群的同步作業，其次是控制施工偏差，再次是對整個作業進行監控，實現信息化施工。計算機控制具有智能化功能，可以在施工過程中自動對施工系統進行自適應調整，進行故障的自動檢測

與診斷，并能模仿與代替操作人員的部分工作，提高施工的安全性和自動化程度。

二、控制系統

1．系統功能。系統的主要作用是以液壓作業方式進行大型結構的整體提升、整體移位等，并始終保持大型結構的合理姿態，使施工負載、穩定性、各項參數和偏差均符合設計要求。控制系統的主要功能有千斤頂集群控制、作業流程控制、施工偏差控制、負載均衡控制、操作臺實時監控，以及單點微調控制等。

2．系統構成。大型結構整體安裝計算機控制系統由控制和執行兩部分組成。

（1）控制部分。控制部分包括計算機子系統和電氣控制子系統。控制部分的核心是計算機控制，外層是電氣控制。計算機子系統通過電氣子系統驅動液壓執行系統，并通過電氣子系統采集液壓系統狀態和作業點工作數據，作為控制調節的依據。電氣子系統還要負責整個施工作業系統的啟動、停車、安全聯鎖，以及供配電管理。

計算機子系統由下列模塊組成：

1）順序控制：進行千斤頂集群動作控制和施工作業流程控制；

2）偏差控制：進行結構姿態(高度、水平度、垂直度)偏差控制和施工負載均衡控制；

3）操作臺控制：對施工作業進行操作和監控，并完成工作數據的采集、存儲、打印輸出等；

4）自適應控制：對施工作業系統進行自適應控制、故障診斷與檢測等；

電氣控制子系統由總控臺、電液控制臺、總電氣柜、作業點控制柜、泵站控制箱，以及傳感檢測電路、液壓驅動電路等組成。

（2）執行部分。執行部分包括液壓子系統和支承導向子系統。

液壓子系統由下列部分組成：

1）液壓千斤頂集群：布置在各作業點，根據作業點要求，由若干臺液壓千斤頂、液壓控制閥組構成。

2）液壓泵站：為液壓千斤頂提供動力，一般1個或幾個作業點配置1臺液壓泵站。

3）鋼鉸線：采用高強度低松馳鋼鉸線。

支承導向子系統用于大型結構整體安裝過程中的支承、導向或加固、穩定作用。

3．系統的性能

（1）作業能力：施工作業系統的規模根據工程需要確定，通過組合液壓千斤頂集群，作業能力可滿足超大型工程的需要。

（2）作業點數：標準配置的系統最多可控制30個作業點，超過30個作業點時可以增設額外的控制模塊來擴容。

（3）作業對象規模：原則上只受工程結構和施工現場條件限制。

（4）控制策略：可同時控制作業對象的姿態偏差、速度偏差、壓力(提升力或牽引力)偏差，并可根據各個工程的不同特點和要求，確定不同的多因素控制策略。

（5）控制精度：各作業點與基準點的高度或位移偏差可控制在2～3毫米以內。

（6）液壓系統工作方式：液壓千斤頂間歇伸缸和連續伸缸兩種方式。前者用于垂直提升；后者用于水平牽引。

（7）操作方式：具有自動、半自動、單點調整、手動作業等多種操作方式。

（8）可靠性、適應性：可以承受一般建筑施工現場的露天日曬、小雨、5級風、連續作業、電磁干擾、電網波動等工況。

三、控制系統技術的應用

1．總體布置。首先根據計算得到桁架的支撐反力，計算出摩擦力，配置爬行油缸的規格及數量，滿足爬行的動力要求；其次，根據桁架結構的受力分析，確定爬行油缸的工作位置，安裝泵站及傳感器裝置，增加系統的可靠性和利用率。

2．爬行軌道的選用與要求

（1）爬行軌道采用QU100型標準鋼軌；

（2）軌道上平面水平度應小于L/1000；

（3）軌道分段間預留溫度伸縮縫；

（4）軌道分段接頭處高差控制在1mm之內；

（5）軌道采用鋼壓板與爬行梁上預埋鋼板連接，壓板間距800mm；

（6）軌道間距根據胎架支柱中心位置定位；

（7）軌道下使用鋼板找平墊實或者采取二次灌漿方式墊實。

3．控制方案及控制策略

根據施工的特點，可采用分段逐次爬行的控制方案，即先拼裝第一段之后，向前爬行一定距離，拼裝連接第二段之后繼續向前爬行，通過逐次拼裝爬行，最終到達規定位置?？刂撇呗匀缦拢?/p>

（1）位置同步控制策略：以控制各牽引點的空間位置同步為目標，采取位置同步控制策略，同時對各牽引點的負載進行監控。

（2）負載分配控制策略：以控制各牽引點的負載分配為目標，使各點的實際負載與理論負載基本一致，采取負載同步控制策略，同時對各牽引點的空間位置進行監控。

（3）位置同步與負載分配相結合的控制策略：根據系統的實際情況，在整套系統中，對某些點采取位置同步控制策略，對某些點采取負載分配控制策略，使兩種控制模式同時存在于系統中，以實現控制目標。

4．爬行設備

（1）爬行油缸。計算機控制液壓爬行油缸，一端與鋼結構連接，另一端通過夾軌器（帶自鎖功能）安裝與軌道上面，通過爬行油缸的伸縮，來實現大型構件的平移或上升。安裝兩套液壓爬行油缸，爬行油缸1升缸推動結構平移，同時爬行油缸2縮缸到位隨結構運動，當爬行油缸1升缸到位之后，爬行油缸2開始升缸推動結構繼續平移，此時爬行油缸1縮缸到位隨結構運動；通過兩個爬行油缸的交替動作，可實現連續（無間斷）運動。

（2）爬行泵站。通過先進的電液比例控制技術，實現液壓爬升中的同步控制，控制精度高，響應速度快。具有雙泵、雙主回路和雙比例閥系統，實現連續爬升和大流量驅動。模塊化設計可實現遠程/就地，有線/無線的操作。

（3）計算機控制器。采用標準的嵌入式控制器作為主控系統，應用CAN-BUS總線技術組成現場實時控制網絡。

（4）傳感器裝置。為了保證控制參數的準確可靠，可采用一系列的高精度傳感器進行監測：1）通過超長距離傳感器監測各指定點的絕對位移；2）通過油缸行程傳感器監測爬行油缸的位置信息；通過壓力傳感器監測爬行油缸的推力。

5．爬行過程中的安全措施

（1）計算機控制系統實時監控各牽引點的絕對位移以及油缸的相對位移，動態實時的調整各個油缸的爬行速度，保證結構平穩滑移；

（2）計算機實時監控各牽引點油缸的載荷，根據預先計算的推力設定爬行油缸的最大工作推力，如果超出允許范圍則自動溢流，防止對鋼結構產生破壞；

（3）泵站液壓系統具有壓力鎖定裝置，再加上油缸夾軌器具有機械自鎖裝置，能夠長時間把結構鎖定在軌道上，確保結構的安全；

（4）泵站控制器在2 秒內收不到指令信號會自動停止所有動作且報警，防止控制線在被破壞或者被干擾的情況下出現誤動作；

（5）關鍵的動作實行軟件和硬件雙重互鎖，防止誤操作。

參考文獻

[1]魏明鐘編．鋼結構（第二版）[M]．武漢理工大學出版社，2005．

[2]白中英．計算機組成原理（第三版）[M]．科學出版社，2002.