大型超重构件整体同步吊装新技术研究

乔红兵，蔡秀苹，周常东，龚 斌

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

（中国矿业大学（北京） 机电与信息工程学院， 北京 100083）

0 引言

近年来，随着工业化和现代化进程的加快，各种大型公用设施建设蓬勃发展，例如体育馆、会展中心、飞机库、剧院等各种大跨度大空间钢结构在全国各大城市大量兴建，在这些工程中，由于大型钢结构超重构件的重量重、体积大、跨度大、安装高度高、安装精度要求高，无疑对施工技术提出了更高更严格的要求。尤其是大型钢结构超重构件的高空提升问题，使得传统的工艺方法存在着很大的局限性，不仅浪费大量的物力财力、影响施工周期，还会对施工人员的安全造成威胁，因此，研究和应用大型钢结构超重构件的提升新技术，对工程的安全性、可靠性具有十分重要的现实意义。

目前传统的整体提升方法是采用液压同步提升技术[1]，该液压整体同步提升系统是一个庞大复杂的物理系统，但在工程实践中该系统存在许多的弊端，如现场油管布置复杂、发现故障检修困难等问题，且该提升对锚点的角度过于敏感，上下锚必须垂直。由于液压控制中液体本身的性质使得液压系统响应延迟严重，不够灵敏。

相对液压整体同步提升机技术，本文提出的卷扬机滑轮组整体提升技术,能有效克服以上弊端，提高工作效率和提升安全，减少施工人员工作量，对加快现代化建设将会起到极大的推动作用。

1 整体同步吊装总体方案

1.1 总体方案

图1 课题总体设计示意图

本文提出的吊装方法是一种新型的吊装技术。其整体吊装系统主要由牵引系统、控制系统、检测系统和人机交互系统组成。卷扬机滑轮组机构通过钢丝绳与构件连接，提供牵引动力，提升过程中检测系统实时监测数据并传输到控制系统，控制系统分析数据得出提升现状并发出调整信号，人机交互系统完成整体吊装过程的显示与操作。图1为课题总体设计示意图，其中A1-A10为吊点，在实际工程中，吊点数与布置要经过详细计算。

1.2 技术路线

在整体同步吊装过程中，构件提升的同步性是保证工程安全进行最重要的因素。图2为整体同步吊装技术路线图。

图2 课题总体技术路线图

1.2.1 技术路线一

本文所设计的系统是针对大型超重构件的整体同步吊装，由于构件本身的结构特性，其重量大，宽度大，保证提升过程的同步平稳尤为重要，一旦发生严重倾斜或坠落，将对生命和财产造成巨大损失。使起吊各点以缓慢的速度同步提升是本文设计的吊装系统的重点。

整体同步吊装系统是多台卷扬机共同提供提升动力，要实现目标必须实现对卷扬机群的同步控制，第一种技术路线的控制简易流程如图3所示，以其中一个吊点为主令点，其余吊点为跟随点，在提升过程中，使主令点以一定的速度向上提升。PLC通过比较主令点同每个跟随点的高度得出它们的高度差，若某卷扬机与它的高度差超过设定值时，通过变频控制调整卷扬机速度，直到高度差趋于0，从而实现每一跟随点与主令点的同步，保证系统的同步精度。同时系统还需设置自动报警停机功能，一旦某跟随点同主令点的同步差超过某一设定值，系统将自动报警停机，直到构件达到指定位置。在提升过程中得到的实时数据应用准备过程一系列相关验算数据比较核对，以免超出设备的承受能力，造成坠落、倾斜等严重后果。

图3 控制流程图

1.2.2 技术路线二

引入基准提升和层的概念，基准提升就是在程序设计时，以一固定位移为基准，系统启动之后，将构件提升至一个基准后暂停，这时相当于将构件提升了一层，检测各吊点位移差进行调节，调节之后重新启动再运行一个基准到达第二层，最后上升至预定高度安装就位。同步精度转化为系统的平层精度。基准提升等相关数据存入参数数据库，能够实时调用。流程如图4所示。

无论采用以上哪种路线，都要求系统保证必要的精准度、可靠度，这就需要设置一定的安全参数存入数据库，安全参数的确定要根据具体工程状况和工程经验。

1.2.3 软硬件初步选型方案

根据本文对整体吊装系统的设计，对其中部分重要部件进行初步选择，具体能否满足要求还要参照实验数据。

目前卷扬机的种类繁多，根据不同的工程实际可以灵活选择卷扬机的型号，也可与厂家沟通，定制卷扬机以达到特定的要求。滑轮组的组合也是多种多样，可以根据计算灵活选择滑轮组数和组合方式。控制系统的硬件选型方案如图5所示。

图4 控制流程图

图5 控制系统硬件选择与原理图

其中变频器、PLC等硬件的的选择应依据具体施工情况灵活选择。这两处也决定整个系统可靠性。PLC其面向工业控制的设计，具有优异的抗干扰性能，电源电压范围ACll0 ～ 240V，适应能力甚强，避免了施工现场电压波动对电路的影响。引入PLC，可用软件代替传统逻辑控制电路的硬件，使控制系统电路极大地简化，可靠性得到很大提高。PLC是控制系统的核心，运行中PLC通过检测各种数据、状态与内存设定值比较，由软件驱动接口电路和执行电路，使系统自动完成“起动一加速一高速运行一减速一平层”全过程。本课题选用日本SANKEN电气株式会社生产的SAMCO-MF75K变频器，它采用了最新技术绝缘栅型晶体管IGBT逆变器和单片机控制的SPWM正弦波脉宽调制系统。PLC选用S7-200进行实验，在复杂施工环境下可选用S7-400。系统所研究整体提升的构件时大型且超重的，即需要多台卷扬机，要完成卷扬机群、多锚点数据的采集，具体数目依照提升构件结构重量而定，以需15个卷扬机滑轮组机构为例，选用16路8位A/D转换器ADC0816。HD7279为LED显示和键盘接口驱动芯片，AT93C46为EEPROM可编程只读存储器。

位移传感器检测元件有自整角机、磁容和激光测距等多种形式。在使用中各有特点，视现场条件不同而灵活运用。本文建议选用激光测距传感器，其具有结构简单、灵敏度高、不受油污介质影响、适应环境温度范围宽、抗干扰能力强等优点，考虑到实际工作环境，具有粉尘多、温度和湿度变化大等特点，本系统选用型号LDS15的国产传感器，价格低且能保证测量精度。MAX485实现TTL电平与RS485 标准电平相互转化，485TA是波士公司的RS-232/RS-485转换器。

软件分触摸屏程序和PLC程序两部分。触摸屏程序主要是设置触摸屏的功能设置、页面设置和参数设置等功能，使触摸屏能完成正常的人机对话，使人能通过触摸屏完成对系统的设置，系统也能通过触摸屏向人反映吊点的高度位置、卷扬机的运行速度和系统的工作状态，遇到故障能及时显示报警画面，使维修人员能及时、快速地处理故障。PLC程序设计根据吊装同步控制算法的不同而不同。

2 软件开发

2.1 下位机软件设计

PLC S7-200是整个下位机的核心，对采集数据进行运算、判断。以第二种技术路线为例，在提升过程中，以其中一个吊点为主令点， PLC通过比较主令点同其余吊点的高度得出它们的高度差，若超过设定值时，通过变频控制调整卷扬机速度，直到高度趋于0，从而实现每一吊点与主令点的同步。同时系统还需设置自动报警停机功能，高度差超过预定值并且系统没有自动调节成功，系统将自动报警停机，并通过LED进行显示。利用键盘在下位机实现报警预定值设定等人机交互工作。

2.2 数据处理

上位机完成数据处理和人机交互界面系统。数据处理包括两个方面：1）建立VC++ +SQL server模式数据库体系，存储循环比较各吊点与主吊点高度差值及卷扬机速度值；2）利用SQL server数据库对存储的大量历史数据进行统计、分析，分析结果（需紧急制动的报警指示等）显示在人机交互界面。

2.3 人机交互界面的设计

人机交互界面是提升过程安全实时监测系统功能的最终表现。本系统突出“以人为本”的原则，利用VC++建立便于工作人员对本文设计的提升系统进行维护、管理的人性化界面系统，为工作人员提供全面、直观的信息，以保证提升过程安全平稳。界面功能包括：显示各吊点卷扬机速度、各吊点提升高度及与主吊点高度差，并以红、黄、绿三种颜色指示其安全程度 。并在通过大量总结历史数据的基础上，指示卷扬机速度随吊点提升高度变化等相关情况。能够对卷扬机速度、高度差、同步稳定状况的报警预设值进行调整。提升系统安全监测人机交互界面示意图如图6所示。

图6 提升系统安全监测人机交互界面示意图

3 结束语

本文研究的基于plc和变频器的调速系统和卷扬机滑轮组的提升系统具有很强的经济性和实用性，卷扬机滑轮组系统体积小、重量轻，移动、操作简单，变频器实现卷扬机的无级调速，plc控制技术成熟，并且有很强的灵活性、准确性和可靠性。我国可持续发展的新型工业化道路，对科技发展提出了更高的要求。而科技发展的方向是要用高新技术实现工业进程的安全、高效、洁净。本文所提出的大型钢结构新型吊装技术具有重大的现实意义。

[1]陈健,徐鸣谦.大型构件液压同步提升技术的特点[J].机床与液压,2000.

[2]董永贵.传感技术与系统[M].北京:清华大学出版社,2006.

[3]姚楚雄,钟洁玲.一种智能化卷扬机的控制系统[J].建设机械技术与管理,2001,14(8).

[4]吴坚,谭保华,曾玲,等.用VC++ADO实现存储过程的调用[J].江汉大学学报,2005,33(4).

[5]阎波,黄梅,盛小伟.基于C++Builder6.0的PC与DSP串行通信实现[J].电工技术,2006,(12).