电液比例同步系统在整体钢平台爬升中的应用

张龙龙

上海建工集团工程研究总院 上海 201114

随着科学技术的进步，建筑业施工装备不断朝着模块化、工业化、智能化方向发展，整体钢平台装备作为超高层建筑建造施工的关键载体，为施工人员高空作业提供了安全、方便、舒适的环境[1-2]。液压同步顶升技术因其具有控制系统模块化、通用化、承载力大、平衡好、施工简便等诸多优点，在整体钢平台爬升过程中起到了关键作用[3-5]。

整体钢平台液压顶升技术已有多年的发展历史，上海中心大厦、上海白玉兰广场、上海东方明珠广播电视塔、广州新电视塔等重大工程中均采用了整体钢平台施工模架装备，但其爬升同步控制策略采用传统电磁开关阀＋传感器反馈的控制技术，采用电磁阀控制液压油缸油液进出，通过压力传感器、位移传感器监测油缸数据，实现整体钢平台同步爬升[6-8]。

目前，国内外液压同步技术发展迅速，实现油缸同步控制的方式有很多，例如：电磁比例阀能够实现阀门进油口大小连续调整，同步效果比较好[9]；伺服阀作为同步控制的高端产品，灵敏度高、速度快，但是对使用环境要求很高，制造成本昂贵[10]。

因此，本文研究以电磁比例阀控制为重点，详细介绍了一种整体钢平台同步爬升控制技术。

1 工程概况

背景项目位于深圳市中轴线中心区北，是由研发用房以及其配套商业和车库组成的超高层建筑，总建筑面积约32万 m2。建筑结构74层，高356 m。

综合考虑工程建设质量、安全、成本、工期等目标，经过多个施工方案讨论，确定了“整体钢平台爬升模架”施工方案，并将电液比例同步控制作为此次整体钢平台液压同步顶升的关键技术。

2 电液同步系统设计

2.1 液压基本回路

图1为整体钢平台顶升控制系统的液压基本回路，通过电机旋转联动柱塞泵工作向油缸供油，单向阀用来保证油液单方向流动避免回灌，泵站出口连接溢流阀组调节泵站工作压力，也称为泵站系统的安全阀。三位四通换向阀控制油液流通方向，通过电磁比例阀可连续调整油缸进油量大小，保证油缸运行同步。双向液压锁可保证整体钢平台悬停时不会下滑，双向平衡阀提高整体钢平台上升或者下降的稳定性。整体钢平台顶升过程中，油缸位移传感器及压力传感器实时为监控平台、控制系统提供监测数据。

图1 液压同步控制系统基本回路

2.2 同步控制原理

液压油缸升降控制系统中，通过输入目标位移值，系统会自动计算其目标位移值。每个组都设置了速度跟踪，以速度值积分所得目标值进行位移误差运算。通过PID运算调节比例阀的开口度，增大或减小阀出口流量，从而实现速度调节。控制原理如图2所示。

图2 液压同步控制原理

2.3 液压控制同步系统实现的功能

整体钢平台同步爬升控制过程主要由以下几项主要功能配合完成：

1）通过液压顶升控制系统实现整体钢平台的称重。

2）油缸位置标高不在同一水平面时，先通过油缸预顶模式，使得所有油缸进入受力状态。

3）油缸压力较大或系统供压不足时，可进行自我压力保护以及压力补偿来纠正。

4）整体钢平台预顶升结束后，开启油缸同步顶升模式，直到油缸柱塞杆伸出至设定行程位置；若个别油缸因设备问题或特定原因无法跟随同步，则通过单独顶升实现该点的升降。

5）整体钢平台爬升完成后，需要恢复到搁置状态模式，启动油缸同步降落模式，整体钢平台缓慢落下。当系统无法进行同步模式操作时，可采用手动模式进行控制。

3 总体设计方案

3.1 布点方案

整体钢平台共有13个核心筒结构，通过26根支撑钢柱及对称式油缸进行顶升操作。为了合理分布整体钢平台总体质量，发挥液压油缸顶推作用，选择使用4套液压泵站系统，为提高系统控制油缸动作的快速性以及协同工作能力，每组油缸连接的油液管道长度近乎相等。4套液压泵站系统分别连接6/6/7/7条油路通道，每条油路可控制2个顶升油缸。油缸布点位置如图3所示。

图3 顶升油缸布置点

3.2 监测方案

为了实现各液压油缸同步升降且保证油缸作业安全，每个油缸必须配置位移传感器以及油缸压力传感器，要求传感器监测数据准度高、传输速度快，便于操作人员在监控平台上迅速获得油缸实时信息。

1）采用外置式的拉线式位移传感器。该传感器的功能是把机械运动转换成可以计量、记录或传送的电信号。拉线式位移传感器由可伸缩的不锈钢丝缠绕在一个可转动的轮毂上，此轮毂与绝对（独立）编码器连接。位移传感器监测装置设置于支撑钢柱两侧挡板上，伸缩钢丝线悬挂于顶升油缸底部爬升靴连接块上，如图4所示。

图4 拉线式位移传感器

2）采用电流输出型压力传感器。在顶升油缸进油口油路附近设置1个三通连接件，将压力传感器直接安装于三通管件上，如图5所示。当顶升油缸承受一定荷载后，压力将油液通过有杆腔传递给无杆腔，通过压力传感器对内部液体压力进行监测。

图5 油缸压力传感器

3.3 同步顶升系统的组成

3.3.1 液压泵站及阀组

由液压油箱、电机泵组、控制阀组、油管及连接头装配构成一套完备的泵站系统，如图6所示。液压油箱的容积为500 L，油箱上分别设有热交换器、液位计、空气滤清器、放油堵头等附件。

图6 液压泵站系统

电机泵组包括1台15 kW的电机泵组。比例换向及调压阀组包括系统调压阀、比例换向阀、叠加式压力补偿器、压力表、压力变送器等。

所有阀都采用叠加式结构，装于阀块上，系统工作压力由电磁溢流阀控制，执行机构换向采用比例阀控制，可实现无级调速，通过平衡阀及锁止阀可实现任意位置停止并保压。

3.3.2 系统参数

整体钢平台液压同步顶升系统液压泵站系统压力连续可调，最大压力达到25 MPa；选用的顶升油缸额定行程为650 mm，额定工作荷载200 kN；采用26组双液压缸同步顶升，额定顶推能力为10 400 kN；泵站额定流量20.8 L/min，流量可连续调节，液压缸升降速度最大值为150 mm/min，可进行无级调速。

3.3.3 电气系统

整体钢平台液压同步顶升系统电气部分主要由PLC、通信模块、空气断路器、接触器、无触点继电器、传感器等配件组成，电路高压部分均进行接地保护。当系统负载电流过大、短路时，断路器和熔断器会起到保护作用。

同步顶升控制系统选用1台CPU 314C-2 PN/DP控制器作为整个系统逻辑处理判断的大脑，可为整个钢平台顶升控制系统发送执行命令，并能够采集所有设备的监测信息。在4套液压泵站系统上分别配置CPU1214C作为执行控制子站单元；子站控制系统可独立发送操作命令，驱动1套液压泵站系统工作，在中央控制室通过主站可实现4套泵站系统运行控制。图7为本地端液压泵站配套电气控制系统。

图7 电气控制柜系统

3.3.4 同步顶升智能监控平台

开发了集监测和控制功能于一体的整体钢平台智能监控平台，如图8所示。在监控平台内输入同步顶升系统运行参数、各泵站系统、执行油缸监测数据报警值，在远端控制中心实现整体钢平台同步爬升。系统设置参数主要包括泵站运行压力、液压油缸工作压力、油缸升降位移与速度；监测数据报警参数主要有油缸同步位移差、油缸压力。油缸同步位移差报警值为15 mm，油缸工作压力为400 kN，油缸升降速度为120 mm/min，油缸升降位移为±500 mm。

图8 整体钢平台智能监控平台

4 运行效果

4.1 液压顶升油缸位移

图9记录了顶升油缸升降位移变化趋势，监测数据反馈表明：顶升油缸单次伸出行程为500 mm，油缸伸出时间为250 s左右，顶升油缸升降速度约2 mm/s；26组顶升油缸位移变化趋势近似，油缸工作状态比较稳定，同步性效果比较好；实际上监控平台内顶升油缸升降速度参数值为120 mm/min，验证了油缸实际升降速度与理论设计值基本符合，电液比例同步控制系统在整体钢平台爬升过程中发挥了安全性能高、系统稳定性好的特质。

图9 油缸升降位移变化趋势

图10为26组顶升油缸位移同步性变化趋势，在整体钢平台刚进行爬升时，液压同步系统处于自我调整状态，油缸同步位移值达到15 mm，经过一次油缸顶升工况后，系统便进入了稳定状态，油缸同步位移差最大值仅有12 mm；当顶升油缸缩缸时，即油缸空载运行，油缸有杆腔仍然存在一定背压，油缸同步性位移差仅为3 mm，表明系统油压平衡性比较好。

4.2 油缸压力

图11记录了整体钢平台爬升过程中的顶升油缸负载变化趋势，整体钢平台爬升前期时的油缸压力变化比较明显、油压波动无规律，油缸压力最大值突破400 kN，系统已发出警报。经过系统自我调整后，顶升油缸工作压力变化趋于稳定，油缸压力值处在400 kN之内。电液比例控制系统在整体钢平台分布不均的荷载作用下表现出良好的自我调节能力。

图11 顶升油缸压力

图10 油缸升降同步运行情况

5 结语

电液比例同步控制技术不仅能保证整体钢平台爬升过程的稳定性、安全性，而且有助于增强整体钢平台施工过程中的自动化，提高超高层建筑施工的数字化及智能化。与传统的开关式电磁阀控制技术相比，电液比例同步控制技术在整体钢平台爬升过程中具有更显著的优势，提高了群缸同步顶升效率，大幅度缩短整体钢平台爬升周期。顶升油缸油压控制更为合理，液压系统自我调整能力更强。电液比例同步控制技术不仅能实现整体钢平台爬升，亦可在其他类似大型建筑同步顶推的项目中被借鉴和应用。