電液比例同步系統(tǒng)在整體鋼平臺爬升中的應(yīng)用

張龍龍

上海建工集團(tuán)工程研究總院 上海 201114

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，建筑業(yè)施工裝備不斷朝著模塊化、工業(yè)化、智能化方向發(fā)展，整體鋼平臺裝備作為超高層建筑建造施工的關(guān)鍵載體，為施工人員高空作業(yè)提供了安全、方便、舒適的環(huán)境[1-2]。液壓同步頂升技術(shù)因其具有控制系統(tǒng)模塊化、通用化、承載力大、平衡好、施工簡便等諸多優(yōu)點(diǎn)，在整體鋼平臺爬升過程中起到了關(guān)鍵作用[3-5]。

整體鋼平臺液壓頂升技術(shù)已有多年的發(fā)展歷史，上海中心大廈、上海白玉蘭廣場、上海東方明珠廣播電視塔、廣州新電視塔等重大工程中均采用了整體鋼平臺施工模架裝備，但其爬升同步控制策略采用傳統(tǒng)電磁開關(guān)閥＋傳感器反饋的控制技術(shù)，采用電磁閥控制液壓油缸油液進(jìn)出，通過壓力傳感器、位移傳感器監(jiān)測油缸數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)整體鋼平臺同步爬升[6-8]。

目前，國內(nèi)外液壓同步技術(shù)發(fā)展迅速，實(shí)現(xiàn)油缸同步控制的方式有很多，例如：電磁比例閥能夠?qū)崿F(xiàn)閥門進(jìn)油口大小連續(xù)調(diào)整，同步效果比較好[9]；伺服閥作為同步控制的高端產(chǎn)品，靈敏度高、速度快，但是對使用環(huán)境要求很高，制造成本昂貴[10]。

因此，本文研究以電磁比例閥控制為重點(diǎn)，詳細(xì)介紹了一種整體鋼平臺同步爬升控制技術(shù)。

1 工程概況

背景項目位于深圳市中軸線中心區(qū)北，是由研發(fā)用房以及其配套商業(yè)和車庫組成的超高層建筑，總建筑面積約32萬 m2。建筑結(jié)構(gòu)74層，高356 m。

綜合考慮工程建設(shè)質(zhì)量、安全、成本、工期等目標(biāo)，經(jīng)過多個施工方案討論，確定了“整體鋼平臺爬升模架”施工方案，并將電液比例同步控制作為此次整體鋼平臺液壓同步頂升的關(guān)鍵技術(shù)。

2 電液同步系統(tǒng)設(shè)計

2.1 液壓基本回路

圖1為整體鋼平臺頂升控制系統(tǒng)的液壓基本回路，通過電機(jī)旋轉(zhuǎn)聯(lián)動柱塞泵工作向油缸供油，單向閥用來保證油液單方向流動避免回灌，泵站出口連接溢流閥組調(diào)節(jié)泵站工作壓力，也稱為泵站系統(tǒng)的安全閥。三位四通換向閥控制油液流通方向，通過電磁比例閥可連續(xù)調(diào)整油缸進(jìn)油量大小，保證油缸運(yùn)行同步。雙向液壓鎖可保證整體鋼平臺懸停時不會下滑，雙向平衡閥提高整體鋼平臺上升或者下降的穩(wěn)定性。整體鋼平臺頂升過程中，油缸位移傳感器及壓力傳感器實(shí)時為監(jiān)控平臺、控制系統(tǒng)提供監(jiān)測數(shù)據(jù)。

圖1 液壓同步控制系統(tǒng)基本回路

2.2 同步控制原理

液壓油缸升降控制系統(tǒng)中，通過輸入目標(biāo)位移值，系統(tǒng)會自動計算其目標(biāo)位移值。每個組都設(shè)置了速度跟蹤，以速度值積分所得目標(biāo)值進(jìn)行位移誤差運(yùn)算。通過PID運(yùn)算調(diào)節(jié)比例閥的開口度，增大或減小閥出口流量，從而實(shí)現(xiàn)速度調(diào)節(jié)?？刂圃砣鐖D2所示。

圖2 液壓同步控制原理

2.3 液壓控制同步系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能

整體鋼平臺同步爬升控制過程主要由以下幾項主要功能配合完成：

1）通過液壓頂升控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)整體鋼平臺的稱重。

2）油缸位置標(biāo)高不在同一水平面時，先通過油缸預(yù)頂模式，使得所有油缸進(jìn)入受力狀態(tài)。

3）油缸壓力較大或系統(tǒng)供壓不足時，可進(jìn)行自我壓力保護(hù)以及壓力補(bǔ)償來糾正。

4）整體鋼平臺預(yù)頂升結(jié)束后，開啟油缸同步頂升模式，直到油缸柱塞桿伸出至設(shè)定行程位置；若個別油缸因設(shè)備問題或特定原因無法跟隨同步，則通過單獨(dú)頂升實(shí)現(xiàn)該點(diǎn)的升降。

5）整體鋼平臺爬升完成后，需要恢復(fù)到擱置狀態(tài)模式，啟動油缸同步降落模式，整體鋼平臺緩慢落下。當(dāng)系統(tǒng)無法進(jìn)行同步模式操作時，可采用手動模式進(jìn)行控制。

3 總體設(shè)計方案

3.1 布點(diǎn)方案

整體鋼平臺共有13個核心筒結(jié)構(gòu)，通過26根支撐鋼柱及對稱式油缸進(jìn)行頂升操作。為了合理分布整體鋼平臺總體質(zhì)量，發(fā)揮液壓油缸頂推作用，選擇使用4套液壓泵站系統(tǒng)，為提高系統(tǒng)控制油缸動作的快速性以及協(xié)同工作能力，每組油缸連接的油液管道長度近乎相等。4套液壓泵站系統(tǒng)分別連接6/6/7/7條油路通道，每條油路可控制2個頂升油缸。油缸布點(diǎn)位置如圖3所示。

圖3 頂升油缸布置點(diǎn)

3.2 監(jiān)測方案

為了實(shí)現(xiàn)各液壓油缸同步升降且保證油缸作業(yè)安全，每個油缸必須配置位移傳感器以及油缸壓力傳感器，要求傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)準(zhǔn)度高、傳輸速度快，便于操作人員在監(jiān)控平臺上迅速獲得油缸實(shí)時信息。

1）采用外置式的拉線式位移傳感器。該傳感器的功能是把機(jī)械運(yùn)動轉(zhuǎn)換成可以計量、記錄或傳送的電信號。拉線式位移傳感器由可伸縮的不銹鋼絲纏繞在一個可轉(zhuǎn)動的輪轂上，此輪轂與絕對（獨(dú)立）編碼器連接。位移傳感器監(jiān)測裝置設(shè)置于支撐鋼柱兩側(cè)擋板上，伸縮鋼絲線懸掛于頂升油缸底部爬升靴連接塊上，如圖4所示。

圖4 拉線式位移傳感器

2）采用電流輸出型壓力傳感器。在頂升油缸進(jìn)油口油路附近設(shè)置1個三通連接件，將壓力傳感器直接安裝于三通管件上，如圖5所示。當(dāng)頂升油缸承受一定荷載后，壓力將油液通過有桿腔傳遞給無桿腔，通過壓力傳感器對內(nèi)部液體壓力進(jìn)行監(jiān)測。

圖5 油缸壓力傳感器

3.3 同步頂升系統(tǒng)的組成

3.3.1 液壓泵站及閥組

由液壓油箱、電機(jī)泵組、控制閥組、油管及連接頭裝配構(gòu)成一套完備的泵站系統(tǒng)，如圖6所示。液壓油箱的容積為500 L，油箱上分別設(shè)有熱交換器、液位計、空氣濾清器、放油堵頭等附件。

圖6 液壓泵站系統(tǒng)

電機(jī)泵組包括1臺15 kW的電機(jī)泵組。比例換向及調(diào)壓閥組包括系統(tǒng)調(diào)壓閥、比例換向閥、疊加式壓力補(bǔ)償器、壓力表、壓力變送器等。

所有閥都采用疊加式結(jié)構(gòu)，裝于閥塊上，系統(tǒng)工作壓力由電磁溢流閥控制，執(zhí)行機(jī)構(gòu)換向采用比例閥控制，可實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速，通過平衡閥及鎖止閥可實(shí)現(xiàn)任意位置停止并保壓。

3.3.2 系統(tǒng)參數(shù)

整體鋼平臺液壓同步頂升系統(tǒng)液壓泵站系統(tǒng)壓力連續(xù)可調(diào)，最大壓力達(dá)到25 MPa；選用的頂升油缸額定行程為650 mm，額定工作荷載200 kN；采用26組雙液壓缸同步頂升，額定頂推能力為10 400 kN；泵站額定流量20.8 L/min，流量可連續(xù)調(diào)節(jié)，液壓缸升降速度最大值為150 mm/min，可進(jìn)行無級調(diào)速。

3.3.3 電氣系統(tǒng)

整體鋼平臺液壓同步頂升系統(tǒng)電氣部分主要由PLC、通信模塊、空氣斷路器、接觸器、無觸點(diǎn)繼電器、傳感器等配件組成，電路高壓部分均進(jìn)行接地保護(hù)。當(dāng)系統(tǒng)負(fù)載電流過大、短路時，斷路器和熔斷器會起到保護(hù)作用。

同步頂升控制系統(tǒng)選用1臺CPU 314C-2 PN/DP控制器作為整個系統(tǒng)邏輯處理判斷的大腦，可為整個鋼平臺頂升控制系統(tǒng)發(fā)送執(zhí)行命令，并能夠采集所有設(shè)備的監(jiān)測信息。在4套液壓泵站系統(tǒng)上分別配置CPU1214C作為執(zhí)行控制子站單元；子站控制系統(tǒng)可獨(dú)立發(fā)送操作命令，驅(qū)動1套液壓泵站系統(tǒng)工作，在中央控制室通過主站可實(shí)現(xiàn)4套泵站系統(tǒng)運(yùn)行控制。圖7為本地端液壓泵站配套電氣控制系統(tǒng)。

圖7 電氣控制柜系統(tǒng)

3.3.4 同步頂升智能監(jiān)控平臺

開發(fā)了集監(jiān)測和控制功能于一體的整體鋼平臺智能監(jiān)控平臺，如圖8所示。在監(jiān)控平臺內(nèi)輸入同步頂升系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)、各泵站系統(tǒng)、執(zhí)行油缸監(jiān)測數(shù)據(jù)報警值，在遠(yuǎn)端控制中心實(shí)現(xiàn)整體鋼平臺同步爬升。系統(tǒng)設(shè)置參數(shù)主要包括泵站運(yùn)行壓力、液壓油缸工作壓力、油缸升降位移與速度；監(jiān)測數(shù)據(jù)報警參數(shù)主要有油缸同步位移差、油缸壓力。油缸同步位移差報警值為15 mm，油缸工作壓力為400 kN，油缸升降速度為120 mm/min，油缸升降位移為±500 mm。

圖8 整體鋼平臺智能監(jiān)控平臺

4 運(yùn)行效果

4.1 液壓頂升油缸位移

圖9記錄了頂升油缸升降位移變化趨勢，監(jiān)測數(shù)據(jù)反饋表明：頂升油缸單次伸出行程為500 mm，油缸伸出時間為250 s左右，頂升油缸升降速度約2 mm/s；26組頂升油缸位移變化趨勢近似，油缸工作狀態(tài)比較穩(wěn)定，同步性效果比較好；實(shí)際上監(jiān)控平臺內(nèi)頂升油缸升降速度參數(shù)值為120 mm/min，驗證了油缸實(shí)際升降速度與理論設(shè)計值基本符合，電液比例同步控制系統(tǒng)在整體鋼平臺爬升過程中發(fā)揮了安全性能高、系統(tǒng)穩(wěn)定性好的特質(zhì)。

圖9 油缸升降位移變化趨勢

圖10為26組頂升油缸位移同步性變化趨勢，在整體鋼平臺剛進(jìn)行爬升時，液壓同步系統(tǒng)處于自我調(diào)整狀態(tài)，油缸同步位移值達(dá)到15 mm，經(jīng)過一次油缸頂升工況后，系統(tǒng)便進(jìn)入了穩(wěn)定狀態(tài)，油缸同步位移差最大值僅有12 mm；當(dāng)頂升油缸縮缸時，即油缸空載運(yùn)行，油缸有桿腔仍然存在一定背壓，油缸同步性位移差僅為3 mm，表明系統(tǒng)油壓平衡性比較好。

4.2 油缸壓力

圖11記錄了整體鋼平臺爬升過程中的頂升油缸負(fù)載變化趨勢，整體鋼平臺爬升前期時的油缸壓力變化比較明顯、油壓波動無規(guī)律，油缸壓力最大值突破400 kN，系統(tǒng)已發(fā)出警報。經(jīng)過系統(tǒng)自我調(diào)整后，頂升油缸工作壓力變化趨于穩(wěn)定，油缸壓力值處在400 kN之內(nèi)。電液比例控制系統(tǒng)在整體鋼平臺分布不均的荷載作用下表現(xiàn)出良好的自我調(diào)節(jié)能力。

圖11 頂升油缸壓力

圖10 油缸升降同步運(yùn)行情況

5 結(jié)語

電液比例同步控制技術(shù)不僅能保證整體鋼平臺爬升過程的穩(wěn)定性、安全性，而且有助于增強(qiáng)整體鋼平臺施工過程中的自動化，提高超高層建筑施工的數(shù)字化及智能化。與傳統(tǒng)的開關(guān)式電磁閥控制技術(shù)相比，電液比例同步控制技術(shù)在整體鋼平臺爬升過程中具有更顯著的優(yōu)勢，提高了群缸同步頂升效率，大幅度縮短整體鋼平臺爬升周期。頂升油缸油壓控制更為合理，液壓系統(tǒng)自我調(diào)整能力更強(qiáng)。電液比例同步控制技術(shù)不僅能實(shí)現(xiàn)整體鋼平臺爬升，亦可在其他類似大型建筑同步頂推的項目中被借鑒和應(yīng)用。