一种应用于液压提升设备的智能监测系统

谢 诗，吕振刚，刘 俊，朱廷志，梁 涛，施杰越

(柳州欧维姆机械股份有限公司,广西 柳州 545005)

0 引言

液压提升设备是一种特种施工设备，以提升千斤顶为执行机构、液压泵站为动力源、控制系统为核心大脑，通过控制多个提升千斤顶的集群动作实现重物的移位，主要应用于桥梁建设、海洋工程、电厂建设、化工厂建设和地下停车竖井掘进等领域。

传统开环系统控制的液压提升设备没有自动修正或补偿能力、系统稳定性不高、响应时间相对较长、精确度不高，尤其数据为人工测量和记录，人为误差大且存在数据被篡改的风险，录入系统和呈报管理部门的数据可能不真实，埋下了安全隐患。为了提高施工的精度和效率，在数据管理方面实现监测过程的完全透明，保证施工过程的有效监管，提升施工品质和安全性，设计了一种应用于液压提升设备的智能监测系统。

1 液压提升设备智能监测系统的组成及功能

液压提升设备由控制系统、液压泵站和液压提升千斤顶组成。控制系统包含远程中心和现场站点，均配置了可编程逻辑控制器(PLC, Programmable Logic Controller)和人机界面(HMI,Human Machine Interface),远程中心设置了具有云路由功能的设备。远程中心和现场站点间采用工业以太网方式通信，实现数据的高效、稳定交互。远程中心负责收集及分析现场站点上传的传感器数据和运行状态，并形成运行指令下发到现场站点。现场站点具有阀组控制、电机启停、传感器数据采集等功能。液压泵站安装有电液比例换向阀、液位传感器、液温传感器和冷却加热装置，其中电液比例换向阀可进行油液出口换向，实现千斤顶活塞的伸缸或缩缸运动，同时可以调节流量输出的大小，控制千斤顶活塞运行的速度。提升千斤顶上安装有位移传感器、压力传感器和接近传感器，用于监测千斤顶活塞的伸出量和千斤顶负载。

液压提升设备智能监测系统基于智能传感器网络、分布式通信网络和云服务网络，结合施工工艺编制控制程序形成智能控制策略，实现全自动化过程施工、数据智能记录与管理，以及云服务功能。

2 液压提升设备智能传感器网络

提升系统的智能控制策略需要多种传感器数据的支撑，传感器的合理应用是提升系统安全可靠运行的重要一环。为了检测提升千斤顶活塞的位置，安装了拉绳式位移传感器和接近传感器。为了检测构件重量及提升千斤顶工作时的负荷，在提升千斤顶阀组上配置了压力传感器。为了检测液压油位置，系统配置了液位传感器，利用其检测液压油高位和低位并做警示提醒。液温传感器用于检测液压油的温度，配合冷却、加热装置使用，液温高时自动打开冷却装置工作；液温低时自动打开加热装置工作。液压提升设备传感器应用如图1所示。

图1 液压提升设备传感器应用示意图

位移传感器、压力传感器、接近传感器等根据逻辑运算法则实时监控主顶活塞与夹持器的工作位置与状态，实现限位、超载、防窝缸等安全保护与预警机制。自动运行与防窝缸保护依据限位传感器与位移传感器两种数据采用双重逻辑并联保护以确保系统运行稳定和安全。

液压提升设备在系统工作时，活塞位移数据、负载数据、报警信息和事件信息等自动记录并只读存储，人为无法篡改。传感器信息与事件、报警信息均通过人机界面HMI展示，供操作人员获知设备运行状况。

3 液压提升设备分布式通信网络

超大、超高、超重构件通常需要多吊点协同作业，因此分布式吊点结构决定了控制系统需要配置远程中心和多个(n≥2)现场站点，远程中心和现场站点间采用工业以太网方式通信，如图2所示。以太网是目前应用最为广泛的计算机网络技术，具有兼容性好、易于与Internet连接、成本低廉、通信速率高等优点，通过以太网通信方式实现远程中心与现场站点间数据的高效、稳定交互。

图2 液压提升设备分布式网络控制示意图

远程中心PLC和现场站点PLC采用OMRON CJ2M-CPU31型PLC，支持Ethernet/IP协议，自带以太网网口，现场控制柜内设5个工业级交换机，可以将上一通信站点、下一通信站点以有线通信方式或无线通信方式互联。每泵站配置一套现场站点、驱动两台提升千斤顶，每台提升千斤顶上安装有位移传感器、压力传感器和接近传感器。将传感器接入现场站点PLC，现场站点PLC解析传感器数据并通过工业以太网将数据传送到远程中心PLC，远程中心PLC对1#～n#现场站点的传感器数据进行状态处理、数据分析、逻辑运算，形成指令下发到现场站点PLC，控制电磁阀的动作顺序及比例阀开口大小，从而控制集群主油缸和上下夹持器动作，实现多吊点协同作业。

4 液压提升设备云服务网络

基于项目管理数字化与可溯源的要求，液压提升设备在系统工作时，自动记录活塞位移数据、负载数据、报警信息和事件信息。可以通过U盘将数据拷贝备份或以邮件形式、云服务形式将数据保存及展示。

液压提升设备云服务依托装备智慧管控服务云平台ovmzb.ovm.cn进行数据管理，远程中心配置了具有云路由功能的设备，通过4G/5G网络，将液压提升设备的传感器数据信息、运行状态信息、定位信息等发送到装备智慧管控服务端，用户可通过Web查看授权项目的设备信息。依托云平台可实现远程在线查看设备实时运行数据、设备历史运行状态追溯、设备健康风险预警、远程售后指导、远程程序维护等服务。液压提升设备云平台数据管理如图3所示，云服务功能有助于实现项目的远程监管，提升数字化项目建设品质。

图3 液压提升设备云平台数据管理示意图

5 液压提升设备智能控制策略

融合多种精密传感技术和计算机技术，传感器数据经过核心控制单元智能逻辑程序分析后输出控制指令，以闭环方式使得系统实现对千斤顶上下夹持器安全可靠的负载转换和千斤顶主顶伸缸或缩缸运动的循环控制，实现重物移位。

对于超大、超重构件的移位，往往需要多点协同工作，即需要对多个千斤顶进行同位置或同负载的同步控制。这就需要对多组位移传感器或压力传感器的数值进行分析，基于实时数值与同步精度范围值、比例阀开口设定值，按照图4所示闭环偏差同步耦合的逻辑算法，调节集群千斤顶按照位移同步或负载同步的方式动作，即利用阀控技术、传感器技术和通信技术，实现多吊点的同步平稳工作。

图4 液压提升设备闭环偏差耦合同步逻辑示意图

在液压提升设备闭环调节系统中，远程中心和现场站点PLC能根据传感器反馈数据发现和纠正提升千斤顶运行的偏差，可以修正元件参数变化以及外界扰动引起的误差，自动调节现运行状态与预期状态的偏差在设定的同步精度内，因此重物移位过程控制精度高。

6 总结

传感器网络作为智能监测系统的感知层，是信息采集的第一把手，能感知系统结构的位置、负载、形变等变化，作为智能监测系统反馈单元部分，是系统实现闭环自动调节测量的基础。基于传感器技术、通信技术、云技术和PLC技术等多种技术的液压提升设备智能监测系统，可以实现全自动运行、同步调节、安全预警保护等智能控制策略，保障吊装过程安全、可靠。同时，实现了数据管理的智能化和可溯源。液压提升设备智能监测系统的数字化、智能化的实现，助推施工设备和现场管理向着智能现代化工程方向发展。