计算机在大型钢结构整体安装中的控制技术及应用

【摘要】针对近年来高、重、大、特殊钢结构的不断涌现，传统的结构安装施工工艺与设备往往难以胜任，将计算机、信息处理、自动控制、液压控制等高新技术与结构吊装技术相结合对大型钢结构整体进行安装，本文对其计算机控制系统进行了阐述。

【关键词】计算机；钢结构；控制技术；整体安装

1 技术原理

大型钢结构整体安装计算机控制技术的原理是：钢铰线承载、计算机控制、液压千斤顶集群作业。

1.1 液压千斤顶集群作业

以液压千斤顶作为施工作业的动力设备。由于液压千斤顶可以灵活布置与组合，可以根据大型结构的特点和施工现场的条件，构成受力合理、动力足够的施工作业系统，因此可以用于各种大型、特殊、复杂的结构安装工程。

根据各作业点提升力的要求，将若干液压千斤顶与液压阀组、泵站等组合成液压千斤顶集群，大型结构整体提升时称为液压提升器，大型结构整体移位时称为液压牵引器。一般是1个作业点配置1套液压提升器或牵引器。液压千斤顶集群在计算机控制下同步作业，使提升或移位过程中大型结构的姿态平稳、负荷均衡，从而顺利安装到位。

1.2 钢绞线承载

液压千斤顶通过集束的钢绞线提升或牵引大型结构。

1.3 计算机控制

施工作业由计算机通过传感器和信息传输电路进行智能化的闭环控制。计算机控制主要是3项作用，首先是控制液压千斤顶集群的同步作业，其次是控制施工偏差，再次是对整个作业进行监控，实现信息化施工。计算机控制具有智能化功能，可以在施工过程中自动对施工系统进行自适应调整，进行故障的自动检测与诊断，并能模仿与代替操作人员的部分工作，提高施工的安全性和自动化程度。

2 控制系统

2.1 系统功能

系统的主要作用是以液压作业方式进行大型结构的整体提升、整体移位等，并始终保持大型结构的合理姿态，使施工负载、稳定性、各项参数和偏差均符合设计要求。

控制系统的主要功能有千斤顶集群控制、作业流程控制、施工偏差控制、负载均衡控制、操作台实时监控，以及单点微调控制等。

2.2 系统构成

大型结构整体安装计算机控制系统由控制和执行两部分组成。

2.2.1 控制部分

控制部分包括计算机子系统和电气控制子系统。控制部分的核心是计算机控制，外层是电气控制。计算机子系统通过电气子系统驱动液压执行系统，并通过电气子系统采集液压系统状态和作业点工作数据，作为控制调节的依据。电气子系统还要负责整个施工作业系统的启动、停车、安全联锁，以及供配电管理。

计算机子系统由下列模块组成：

（1）顺序控制；

（2）偏差控制；

（3）操作台控制；

（4）自适应控制；

电气控制子系统由总控台、电液控制台、总电气柜、作业点控制柜、泵站控制箱，以及传感检测电路、液压驱动电路等组成。

2.2.2 执行部分

执行部分包括液压子系统和支承导向子系统。

液压子系统由下列部分组成：

（1）液压千斤顶集群；

（2）液压泵站；

（3）钢铰线；

支承导向子系统用于大型结构整体安装过程中的支承、导向或加固、稳定作用，例如整体提升中的提升柱、整体移位中的滑道、导轨，以及结构的临时加固设施等。

2.3 系统的性能

2.3.1 作业能力：施工作业系统的规模根据工程需要确定，通过组合液压千斤顶集群，作业能力可满足超大型工程的需要。已应用的工程中最大起重荷载3200吨，最大起重力6600吨，共使用86个液压千斤顶。

2.3.2 作业点数：标准配置的系统最多可控制30个作业点(一般工程作业点为4～8个，迄今为止最大的工程中作业点为26个)。超过30个作业点时可以增设额外的控制模块来扩容。

2.3.3 作业对象规模：原则上只受工程结构和施工现场条件限制。已应用的工程中，最大结构尺寸为150×90×20米，提升高度29米。

2.3.4 控制策略：可同时控制作业对象的姿态偏差、速度偏差、压力(提升力或牵引力)偏差，并可根据各个工程的不同特点和要求，确定不同的多因素控制策略。

2.3.5 控制精度：各作业点与基准点的高度或位移偏差可控制在2～3毫米以内。

2.3.6 液压系统工作方式：液压千斤顶间歇伸缸和连续伸缸两种方式。前者用于垂直提升；后者用于水平牵引，优点是作业稳定性好、作业速度快，但是液压千斤顶的配置数量较大。

2.3.7 操作方式：具有自动作业、半自动作业、单点调整、手动作业等多种操作方式。

2.3.8 可靠性、适应性：可以承受一般建筑施工现场的露天日晒、小雨、5级风、连续作业、电磁干扰、电网波动等工况。

3 控制系统技术的应用

3.1 总体布置

首先根据计算得到桁架的支撑反力，计算出摩擦力，配置爬行油缸的规格及数量，满足爬行的动力要求；其次，根据桁架结构的受力分析，确定爬行油缸的工作位置，安装泵站及传感器装置，增加系统的可靠性和利用率。系统计算如下：

摩擦力计算公式： f = μ N k1 k2 = μmgk1k2 （KN）

其中：动摩擦系数μ = 0.15 桁架总重量m（kg） 重力加速度g = 9.8m/s2

动载荷系数1 k =1.1 载荷不均匀系数2 k =1.2

设置一定数量爬行轨道，每组有两台爬行油缸组成，可以实现连续爬行，降低启动和停止时加速度对结构的影响。要进行爬行油缸承载安全性计算，根据计算使爬行设备完全满足工程的载荷要求。

3.2 爬行轨道的选用与要求

3.2.1 爬行轨道采用 QU100 型标准钢轨；

3.2.2 轨道上平面水平度应小于L /1000；

3.2.3 轨道分段间预留温度伸缩缝；

3.2.4 轨道分段接头处高差控制在 1mm 之内；

3.2.5 轨道采用钢压板与爬行梁上预埋钢板连接，压板间距800mm；

3.2.6 轨道间距根据胎架支柱中心位置定位；

3.2.7 轨道下使用钢板找平垫实或者采取二次灌浆方式垫实。

3.3 控制方案及控制策略

根据施工的特点，可采用分段逐次爬行的控制方案，即先拼装第一段之后，向前爬行一定距离，拼装连接第二段之后继续向前爬行，通过逐次拼装爬行，最终到达规定位置。在计算机控制液压同步爬行技术中，必须根据设备的布置、结构的要求等选择合适的控制策略和控制软件。控制策略如下：

3.3.1 位置同步控制策略：以控制各牵引点的空间位置同步为目标，采取位置同步控制策略，同时对各牵引点的负载进行监控。

3.3.2 负载分配控制策略：以控制各牵引点的负载分配为目标，使各点的实际负载与理论负载基本一致，采取负载同步控制策略，同时对各牵引点的空间位置进行监控。

3.3.3 位置同步与负载分配相结合的控制策略：根据系统的实际情况，在整套系统中，对某些点采取位置同步控制策略，对某些点采取负载分配控制策略，使两种控制模式同时存在于系统中，以实现控制目标。

选取基准点位置爬行的绝对距离（通过长距离传感器获取）作为控制程序的基准值。比较各点与基准值的位移差值􀀀L，通过PID 算法动态调整各点的爬行速度，实现结构的平稳滑移。

控制精度：取决于长距离传感器的精度，计算机控制器的运算能力以及泵站比例阀的响应速度;

爬行速度：主要取决于泵站的流量以及爬行油缸夹轨器的切换。

3.4 爬行设备

3.4.1 爬行油缸

3.4.2 爬行泵站

3.4.3 计算机控制器

3.4.4 传感器装置

3.5 爬行过程中的安全措施

3.5.1 计算机控制系统实时监控各牵引点的绝对位移以及油缸的相对位移，动态实时的调整各个油缸的爬行速度，保证结构平稳滑移；

3.5.2 计算机实时监控各牵引点油缸的载荷，根据预先计算的推力设定爬行油缸的最大工作推力，如果超出允许范围则自动溢流，防止对钢结构产生破坏；

3.5.3 泵站液压系统具有压力锁定装置，再加上油缸夹轨器具有机械自锁装置，能够长时间把结构锁定在轨道上，确保结构的安全；

3.5.4 泵站控制器在2 秒内收不到指令信号会自动停止所有动作且报警，防止控制线在被破坏或者扰的情况下出现误动作；

3.5.5 关键的动作实行软件和硬件双重互锁，防止误操作。

作者简介：

高留增 大专 助理工程师 主攻施工现场施工管理与技术

袁铁锁 本科 工程师 主攻施工现场施工与技术管理