大型超重構(gòu)件整體同步吊裝新技術(shù)研究

喬紅兵，蔡秀蘋，周常東，龔 斌

QIAO Hong-bing, CAI Xiu-ping, ZHOU Chang-dong, GONG Bin

（中國礦業(yè)大學（北京） 機電與信息工程學院， 北京 100083）

0 引言

近年來，隨著工業(yè)化和現(xiàn)代化進程的加快，各種大型公用設施建設蓬勃發(fā)展，例如體育館、會展中心、飛機庫、劇院等各種大跨度大空間鋼結(jié)構(gòu)在全國各大城市大量興建，在這些工程中，由于大型鋼結(jié)構(gòu)超重構(gòu)件的重量重、體積大、跨度大、安裝高度高、安裝精度要求高，無疑對施工技術(shù)提出了更高更嚴格的要求。尤其是大型鋼結(jié)構(gòu)超重構(gòu)件的高空提升問題，使得傳統(tǒng)的工藝方法存在著很大的局限性，不僅浪費大量的物力財力、影響施工周期，還會對施工人員的安全造成威脅，因此，研究和應用大型鋼結(jié)構(gòu)超重構(gòu)件的提升新技術(shù)，對工程的安全性、可靠性具有十分重要的現(xiàn)實意義。

目前傳統(tǒng)的整體提升方法是采用液壓同步提升技術(shù)[1]，該液壓整體同步提升系統(tǒng)是一個龐大復雜的物理系統(tǒng)，但在工程實踐中該系統(tǒng)存在許多的弊端，如現(xiàn)場油管布置復雜、發(fā)現(xiàn)故障檢修困難等問題，且該提升對錨點的角度過于敏感，上下錨必須垂直。由于液壓控制中液體本身的性質(zhì)使得液壓系統(tǒng)響應延遲嚴重，不夠靈敏。

相對液壓整體同步提升機技術(shù)，本文提出的卷揚機滑輪組整體提升技術(shù),能有效克服以上弊端，提高工作效率和提升安全，減少施工人員工作量，對加快現(xiàn)代化建設將會起到極大的推動作用。

1 整體同步吊裝總體方案

1.1 總體方案

圖1 課題總體設計示意圖

本文提出的吊裝方法是一種新型的吊裝技術(shù)。其整體吊裝系統(tǒng)主要由牽引系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、檢測系統(tǒng)和人機交互系統(tǒng)組成。卷揚機滑輪組機構(gòu)通過鋼絲繩與構(gòu)件連接，提供牽引動力，提升過程中檢測系統(tǒng)實時監(jiān)測數(shù)據(jù)并傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)，控制系統(tǒng)分析數(shù)據(jù)得出提升現(xiàn)狀并發(fā)出調(diào)整信號，人機交互系統(tǒng)完成整體吊裝過程的顯示與操作。圖1為課題總體設計示意圖，其中A1-A10為吊點，在實際工程中，吊點數(shù)與布置要經(jīng)過詳細計算。

1.2 技術(shù)路線

在整體同步吊裝過程中，構(gòu)件提升的同步性是保證工程安全進行最重要的因素。圖2為整體同步吊裝技術(shù)路線圖。

圖2 課題總體技術(shù)路線圖

1.2.1 技術(shù)路線一

本文所設計的系統(tǒng)是針對大型超重構(gòu)件的整體同步吊裝，由于構(gòu)件本身的結(jié)構(gòu)特性，其重量大，寬度大，保證提升過程的同步平穩(wěn)尤為重要，一旦發(fā)生嚴重傾斜或墜落，將對生命和財產(chǎn)造成巨大損失。使起吊各點以緩慢的速度同步提升是本文設計的吊裝系統(tǒng)的重點。

整體同步吊裝系統(tǒng)是多臺卷揚機共同提供提升動力，要實現(xiàn)目標必須實現(xiàn)對卷揚機群的同步控制，第一種技術(shù)路線的控制簡易流程如圖3所示，以其中一個吊點為主令點，其余吊點為跟隨點，在提升過程中，使主令點以一定的速度向上提升。PLC通過比較主令點同每個跟隨點的高度得出它們的高度差，若某卷揚機與它的高度差超過設定值時，通過變頻控制調(diào)整卷揚機速度，直到高度差趨于0，從而實現(xiàn)每一跟隨點與主令點的同步，保證系統(tǒng)的同步精度。同時系統(tǒng)還需設置自動報警停機功能，一旦某跟隨點同主令點的同步差超過某一設定值，系統(tǒng)將自動報警停機，直到構(gòu)件達到指定位置。在提升過程中得到的實時數(shù)據(jù)應用準備過程一系列相關(guān)驗算數(shù)據(jù)比較核對，以免超出設備的承受能力，造成墜落、傾斜等嚴重后果。

圖3 控制流程圖

1.2.2 技術(shù)路線二

引入基準提升和層的概念，基準提升就是在程序設計時，以一固定位移為基準，系統(tǒng)啟動之后，將構(gòu)件提升至一個基準后暫停，這時相當于將構(gòu)件提升了一層，檢測各吊點位移差進行調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)之后重新啟動再運行一個基準到達第二層，最后上升至預定高度安裝就位。同步精度轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)的平層精度。基準提升等相關(guān)數(shù)據(jù)存入?yún)?shù)數(shù)據(jù)庫，能夠?qū)崟r調(diào)用。流程如圖4所示。

無論采用以上哪種路線，都要求系統(tǒng)保證必要的精準度、可靠度，這就需要設置一定的安全參數(shù)存入數(shù)據(jù)庫，安全參數(shù)的確定要根據(jù)具體工程狀況和工程經(jīng)驗。

1.2.3 軟硬件初步選型方案

根據(jù)本文對整體吊裝系統(tǒng)的設計，對其中部分重要部件進行初步選擇，具體能否滿足要求還要參照實驗數(shù)據(jù)。

目前卷揚機的種類繁多，根據(jù)不同的工程實際可以靈活選擇卷揚機的型號，也可與廠家溝通，定制卷揚機以達到特定的要求。滑輪組的組合也是多種多樣，可以根據(jù)計算靈活選擇滑輪組數(shù)和組合方式?？刂葡到y(tǒng)的硬件選型方案如圖5所示。

圖4 控制流程圖

圖5 控制系統(tǒng)硬件選擇與原理圖

其中變頻器、PLC等硬件的的選擇應依據(jù)具體施工情況靈活選擇。這兩處也決定整個系統(tǒng)可靠性。PLC其面向工業(yè)控制的設計，具有優(yōu)異的抗干擾性能，電源電壓范圍ACll0 ～ 240V，適應能力甚強，避免了施工現(xiàn)場電壓波動對電路的影響。引入PLC，可用軟件代替?zhèn)鹘y(tǒng)邏輯控制電路的硬件，使控制系統(tǒng)電路極大地簡化，可靠性得到很大提高。PLC是控制系統(tǒng)的核心，運行中PLC通過檢測各種數(shù)據(jù)、狀態(tài)與內(nèi)存設定值比較，由軟件驅(qū)動接口電路和執(zhí)行電路，使系統(tǒng)自動完成“起動一加速一高速運行一減速一平層”全過程。本課題選用日本SANKEN電氣株式會社生產(chǎn)的SAMCO-MF75K變頻器，它采用了最新技術(shù)絕緣柵型晶體管IGBT逆變器和單片機控制的SPWM正弦波脈寬調(diào)制系統(tǒng)。PLC選用S7-200進行實驗，在復雜施工環(huán)境下可選用S7-400。系統(tǒng)所研究整體提升的構(gòu)件時大型且超重的，即需要多臺卷揚機，要完成卷揚機群、多錨點數(shù)據(jù)的采集，具體數(shù)目依照提升構(gòu)件結(jié)構(gòu)重量而定，以需15個卷揚機滑輪組機構(gòu)為例，選用16路8位A/D轉(zhuǎn)換器ADC0816。HD7279為LED顯示和鍵盤接口驅(qū)動芯片，AT93C46為EEPROM可編程只讀存儲器。

位移傳感器檢測元件有自整角機、磁容和激光測距等多種形式。在使用中各有特點，視現(xiàn)場條件不同而靈活運用。本文建議選用激光測距傳感器，其具有結(jié)構(gòu)簡單、靈敏度高、不受油污介質(zhì)影響、適應環(huán)境溫度范圍寬、抗干擾能力強等優(yōu)點，考慮到實際工作環(huán)境，具有粉塵多、溫度和濕度變化大等特點，本系統(tǒng)選用型號LDS15的國產(chǎn)傳感器，價格低且能保證測量精度。MAX485實現(xiàn)TTL電平與RS485 標準電平相互轉(zhuǎn)化，485TA是波士公司的RS-232/RS-485轉(zhuǎn)換器。

軟件分觸摸屏程序和PLC程序兩部分。觸摸屏程序主要是設置觸摸屏的功能設置、頁面設置和參數(shù)設置等功能，使觸摸屏能完成正常的人機對話，使人能通過觸摸屏完成對系統(tǒng)的設置，系統(tǒng)也能通過觸摸屏向人反映吊點的高度位置、卷揚機的運行速度和系統(tǒng)的工作狀態(tài)，遇到故障能及時顯示報警畫面，使維修人員能及時、快速地處理故障。PLC程序設計根據(jù)吊裝同步控制算法的不同而不同。

2 軟件開發(fā)

2.1 下位機軟件設計

PLC S7-200是整個下位機的核心，對采集數(shù)據(jù)進行運算、判斷。以第二種技術(shù)路線為例，在提升過程中，以其中一個吊點為主令點， PLC通過比較主令點同其余吊點的高度得出它們的高度差，若超過設定值時，通過變頻控制調(diào)整卷揚機速度，直到高度趨于0，從而實現(xiàn)每一吊點與主令點的同步。同時系統(tǒng)還需設置自動報警停機功能，高度差超過預定值并且系統(tǒng)沒有自動調(diào)節(jié)成功，系統(tǒng)將自動報警停機，并通過LED進行顯示。利用鍵盤在下位機實現(xiàn)報警預定值設定等人機交互工作。

2.2 數(shù)據(jù)處理

上位機完成數(shù)據(jù)處理和人機交互界面系統(tǒng)。數(shù)據(jù)處理包括兩個方面：1）建立VC++ +SQL server模式數(shù)據(jù)庫體系，存儲循環(huán)比較各吊點與主吊點高度差值及卷揚機速度值；2）利用SQL server數(shù)據(jù)庫對存儲的大量歷史數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計、分析，分析結(jié)果（需緊急制動的報警指示等）顯示在人機交互界面。

2.3 人機交互界面的設計

人機交互界面是提升過程安全實時監(jiān)測系統(tǒng)功能的最終表現(xiàn)。本系統(tǒng)突出“以人為本”的原則，利用VC++建立便于工作人員對本文設計的提升系統(tǒng)進行維護、管理的人性化界面系統(tǒng)，為工作人員提供全面、直觀的信息，以保證提升過程安全平穩(wěn)。界面功能包括：顯示各吊點卷揚機速度、各吊點提升高度及與主吊點高度差，并以紅、黃、綠三種顏色指示其安全程度 。并在通過大量總結(jié)歷史數(shù)據(jù)的基礎上，指示卷揚機速度隨吊點提升高度變化等相關(guān)情況。能夠?qū)頁P機速度、高度差、同步穩(wěn)定狀況的報警預設值進行調(diào)整。提升系統(tǒng)安全監(jiān)測人機交互界面示意圖如圖6所示。

圖6 提升系統(tǒng)安全監(jiān)測人機交互界面示意圖

3 結(jié)束語

本文研究的基于plc和變頻器的調(diào)速系統(tǒng)和卷揚機滑輪組的提升系統(tǒng)具有很強的經(jīng)濟性和實用性，卷揚機滑輪組系統(tǒng)體積小、重量輕，移動、操作簡單，變頻器實現(xiàn)卷揚機的無級調(diào)速，plc控制技術(shù)成熟，并且有很強的靈活性、準確性和可靠性。我國可持續(xù)發(fā)展的新型工業(yè)化道路，對科技發(fā)展提出了更高的要求。而科技發(fā)展的方向是要用高新技術(shù)實現(xiàn)工業(yè)進程的安全、高效、潔凈。本文所提出的大型鋼結(jié)構(gòu)新型吊裝技術(shù)具有重大的現(xiàn)實意義。

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