基于PLC控制的液压同步桥梁顶升系统.pdf

S p e c i a l S t o r y 液压同步桥梁顶升系统 Hy d rau l i c S y n c h r o n o u s Br i d g e J a c k , u p S y s t e m Ba s e do n P L C Co n l r o l 侯昭光 ，赵 洲清 ，王万平。 1 ． 珠 海交通集团有限公司，广 东珠 海 5 1 9 0 7 1 2 ． 长沙理工大学 交通运输工程学院 ，湖南 长沙 4 1 0 0 0 4 3 ． 西安公路养护工程技术研 究中心 ，陕西 西安 7 1 0 1 1 9 0 引言 在 高 速公 路 的改 扩 建 工程 中 ， 对于 既 有 桥 梁 ， 若 采 用 重 建 的 方 案 ， 不仅 造 价 很 高 ，且 需 要 中 断部 分交通，工期也较长。经检测研究 认 为 既 有桥 梁 的下部 结 构 和上 部 结 构 完 整 、功 能完 好 ，仅 需 要进 行 整 体加 高 、橡 胶 支 座 的更 换 以及 桥 梁 的顶 升调 坡 等 。 处理 这 些 问题 时， 如 采 用 整体 顶 升 技术 ，不 仅可 节 约 大量 资金 ，工期 也将 大 幅缩 减 ， 特 别 是 可 将工 程 成 本 及 对环 境 的影 响减 至 最 小程 度 ，从 而 有效 地 提 高公 路 工程 的社 会经济 效益 。目前采 用P L C 液压 整体 同步 顶升 技 术 进行 桥 梁 的 顶升 改造 是较理 想 的方法 之一。 1 桥 梁顶 升对液压 同步 系统 的 要求 1 ． 1 顶升力控 制 桥 梁 结 构 形 式 各 异 ，且 质 量 分 布 不均 ，分 散布 置在 其 下液 压 缸 的 承 载 力 也不 尽相 同 ，液 压 系统 应 满 足各 液 压 缸压 力 自动调 整 ，以 适应 上部 负载 。称 重 阶 段通 过 对 顶升 力 合理 控 制 完 成桥 梁 试 顶升 ， 同 时使 桥 梁 的内应 力最 小 。 1 _ 2 位 置同步控制 桥 梁 顶 升过 程 中， 为 了防止 梁 体 扭 曲、 应力 集 中和开 裂 ， 各 顶升 点在 负载 不均 的情 况下 必须 保持 位 置 同步 。 1 _ 3 雌系统 压 力 的监 控 有 助 于 顶升 力 的控 制 ，位移 的监 控 能够 保 证 顶 升过 程 中各 位 置 同步 ， 应力 监 控 能 够 避免 内应 力 集 中而 使 梁体 结 构 受损 。桥 梁 顶 升过 程 中， 梁体 结 构 的 内应 力 是 由各 项升 点 的压 力 和 位移 共 同作 用 的结 果 ， 因此 ，在 没 有 应力 监 控 时， 可通 过 对压 力和 位 移 的 实 时监 控 判 断 梁体 结 构 的 内应 力 是 否超 过 允许值 。 P L C液压 同步 控制 系统 图1 就是利用计算机 ，通过计算机工控 h U p ／ ／ www ．r o a d m- c h i n a ． C O 1 T 软 件 来 控 制液 压 泵 站 及其 配 置 的液 压 元件 ， 通过 计 算 机 指令 来 控 制液 压 千 斤顶 ， 然后 通 过位 移 及 力传 感 器 把液 压 千 斤压 力 变化 及 顶 升 的距 离 反馈 至计 算机 屏 幕上 ，便 于操 作 人 员 了解 有 关 情 况 和 及 时调 整 c 】 ] 。 这种 控 制 系统 通 过计 算机 指 令来 控 制液 压 千 斤顶 ，系统 通 过 力 的平 衡 自动调 整 各 台千 斤 顶 的压 力 ， 这样 在 顶升 过 程 中保 持 各 顶升 力 的平 衡 性 ，各 顶 升点 所 需 的顶 力 值 能够 与 实 际提供 值 相 符 。 同 时这 种控 制 系 统 通 过位 移 指 令 来控 制 液压 千 斤顶 行 程 ，保 证 了各 台液 压 干 斤 顶平 移 图1 P L C 同 步液 压控 制 系统 构 成 的同步性，是一种力和位移综合控 制 的顶 升 方 法 ，这 种 力和 位 移 的综 合控 制 方法建 立在 力 和 位移 双 闭环 的控 制基 础 上 。 2 ． 1 系统组成及特点 P L C同步 控 制 系 统 均 由液 压 系 统 [ 2 J 油 泵 、液 压 千 斤 顶 、 平 衡 保 护 阀 、 比例 阀和 进 出油 管 等 、计 算机 控 制 系 统 计 算 机 、 计 算机 软 件 、操 作 台和 电控 箱 等 、 检 测传 感器 位 移传 感器 、力 传 感器 等 几 个部 分组 成 ，该控 制 系统 具 有 以 下特 点 。 1 分散 布 置 。 大 型 建 筑 物 体 积 庞 大 ，要 对其 进 行 顶 升 ，执 行 机 构 必 须 分散 布 置 ， 使 大型 液压 缸 能 够 分散 布 置 在 建筑 物 下 任 意 指定 的顶升 支 点 。 2集 中 操 作 。 分 散 布 置 在 大 范 围 内 的液 压 缸 执 行机 构 ，不 能 要 求 操作 人 员 去 现 场 对每 个 液压 缸 进 行 直 接控 制 ，那样 将 需要 大 量 的 人 员 ， 且 需考 虑 安 全 问题 。操作 人 员 应 能 在 中央 控 制 室 内对液 压 缸 进 行 遥 控 操作 ，且 能 检 测 现场 各 液 压 缸 的工作 参数 。 3 同 步比 例 同 步 升 降 。对 顶 升工 程 ， 由于建 筑 物 质 量 分 布 不 均 ， 分散 布 置 在 建筑 物 下 的 顶 升 液压 缸 受力 也 不 相 同 ，该 系 统 可 以保 证 各顶 升 液 压 缸 出力 不均 的 情 况 下 同 步 升 降 ， 避 免 在 升 降 过 程 中建 筑 物 因 变形 过 大 出现开 裂 现 象 。 不 单 是 顶 升 时 达 到 高 精 度 同 步 ，在 带 载下 降 时 同样 可 保 证高 精 度 同步 ； 对于 一 些桥 梁 的顶升 、调 坡 ，该 系 统 满 足 比例 同步 ， 即在 任 意 时刻 各组位 移 线 性 成 比例 。 4 Wi n d o ws 操 作 界面 。具 有 友 好Wi n d o ws 用 户 界 面 的计 算 机 控 制 系统 ，操作 简单 ， 见 图2 。 5 实 B ,- j- 控 。在 中央 控 制 室内，操作人 员不仅能够实时监控 各液 压 缸 的压 力 、位 移 大 小 ，而 且 还 能 够 检 测 压 力 、 位 移 的 变 化 趋 势 、历 史 记 录 等 ；对 于 泵 站 各 阀件 的工 作 状 态 也 能够 实 时 监 控 ，便 于 故 障 的排 除 。 6智 能 管 理 。 大 型 建 筑 物 顶 升 、平 移 工 程 装备 通 用 性 强 ， 能 够在 不 改变 硬件 系统 的基 础 上满 足 液 压 缸 的 任 意 分 组 布 置 ， 分 组 同 步 ， 以及 液 压 缸和 位 移 传 感器 的任 意 关联 ； 同时 ，该 系统 既能 满 足液 压 缸 的 同步 动作 ，又 能满 足液 压 缸 的单 独 动作 ；操作 人 员在 中央 控 制 室 只 需 与 电脑 进 行简 单 的人 机 交互 便 可完 成 所有 操作 ，如 图3 所示 。 7硬 件 功 能 。 油 缸 平 衡 保 护 阀可 防 止任 何 形 式 的 系统 及 管 路 失 压 ，从 而保 证 负 载 有效 支 撑 ； 顶 升 油 缸 内 置式 位 移 、压 力 传 感 器 、 均 载 阀 保 证 了顶 升 系统 在 恶 劣 工作 环 境 下 的高 度 可靠 性 。 2 _2 技 术} 示 该 系统 工 作 压 力 为6 3] V [ P a ， 单 台 泵 站 1 5 k W ， 可 带 4 个 同步 控 制 点 。考 虑 到桥 梁 升 降 的平 稳 性 和 安 全性 ，最 大 顶升 速 度 为1 0 i [ 1n l - mi n - ； 压 力 控 制 精 度 可 达 5 ％， 同步 控 制 图2计算机操作界面 图 3 人机 交 互界 面 砖越袁 3 T R ●O E R S T R 系列双钢轮压路机 ST R t O 0 C／ S T R1 2 0 C／ S TR 1 3 0 C 躲 中国潮商长沙经济技术开发医三一工业城 邮编 4 1 0 t O 0 电话 0 7 3 1 8 4 0 3 1 1 2 4传真 0 7 3 1 8 4 0 3 1 3 6 0 咨询 挪箱 s a n y s a n y c o rn． C n 酋 后般务热线 4 0 0 88 78 3 1 8 诲 询控诉电话 4 0 0 88 79 3 1 8 网址 h t tp ／／ W WW S 8 n y ．C O rn． c r t ● 柔性激振系统技术，五级缓冲，寿命更长 ； ● 采用数字化样机设计技术 ，六心合 一，两轮载荷均布 ，压实效果出众、平整密实； ● 同步 三级减振，驾 驶舒适 ； ● 1 2 档智能洒水，手自 一 体 ，节水诅 0 辞 ，水泵寿命提高5 0 ； ◆ 独创的∽ 嚣电控系统，具有故障 智能诊断 及记录功 能，扩展升级空问大； ● 整机流线型设计 ，前后视野达到1 m 0 ． 埘 | r I ，盲区极小； ● 动力系统高位进气及柴油多重过滤设计 ，确保发动 机稳定运行； ● 可翻转驾驶室和先进隔热降噪设计，维修方便、噪音低 、绿色环保 。 专注客户价值引领绿色科技 RM CM 本 刊 特 稿S p e c ia 1 S t。 ry 精 度 为 1 ml T l ； 指 令 位 移 控 制 ， 到位 自动 停止 ；误 操作 自动 保护 ； 同 步 顶 升 压 力 、位 移 参 数 自动 记 录 、打 印； 顶 升 、平 移 全过 程 动 态 测控 。 2 _ 3 动力 系统结构 对 于 建 筑 物 的 顶升 、 平 移 ， 执 行 机 构 分 散 布 置 在 较 大 范 围 ， 动 力 系 统 的 设 计 必 须 满 足 这 种 执 行 机 构 多 、 布 置 分 散 的特 点 ， 因 此 采 用“ 工控 机 可 编程 控 制 器 ” 即 “ I P C P L C” 组 成 的分布 式控 制 系 统 DCS Di b u t e dCo n lr o l S y s t e mlj l， 实 现执 行 机 构 的 分散 控 制 ，信 息 集 中 管理 ，集 中操 作 ， 达 到最 优 化控 制 的 目的 。 该 电控 系 统纵 向 分 为两 级 ， 即 操作 管 理 级和 过 程 控 制级 。操作 管 理 级 集 中 在 中 央 控 制 室 ， 主 要 由 工 控机 、3 2 路I ／ 0卡 、4 端 口高 速R S 一 4 2 2 ／ 4 8 5 卡 和3 轴 正 交 编码 卡 组 成 。 各 板 卡 和 工 控 机 之 间通 过I S A总 线 通 讯 ， 可 以根 据 需要 进 行 功 能 的再 扩 展 。操 作 管理 级 主 要 完 成迁 移 过 程 的各 种 系 统 参数 设 置 、操 作 命令 发 送 、位 移 采 集 、实 时 监控 、人 机 交 互和 智 能 管理 等 。过程 控 制 级 分 散布 置 在各 个 泵站 上 ， 由4 I 1 P L C组 成 。 水 平 方 向 上 各P L C之 间是相 互 独 立 的 ，在 完 成数 据 上传 和 操作 管 理 级 指令 的 同 时 ，各P L C之 间 也 可 进 行 数 据 交换 。过 程 控 制 级P L C主 要 用来 完 成 实 时性 强 的控 制 任 务 ， 电液 比例 减压 阀和 压 力传 感 器 组 成 的快速 闭环调 压 回路 就 是 在 这一 层 实 现 的。 为 了保 证 液压 缸 同步 ，该 系 统 还 安 装 了位 置 闭环 。位 移传 感 器 测 得 位 移 ， 通 过 三 轴 正 交 编 码 卡 上 传 给 工 控 机 ， 工 控 机 对 位 移 进 行 比较 决 策 后 ， 下 传 结 果 给 各P L C， 由P L C对 各 液压 缸 进行 实 时 同步 控 制 。位 移 的测 量 、 比较 决 策 之所 以 在 上层 操 作 管理 级 完 成 ，是 因为位 移传 感 器 和 液压 缸 之 间 的 分组 关联 是 任 意 的 。根 据 工程 实际布 置情 况 时刻在 变 ，位 移传 感 器 并 不 固定 属 于 某P L C的 某 一缸 ，这 种 设 计 方 案 的通用 性 强 。 2 _4 液压 系统 大 型建 筑 物 体 积庞 大 、质 量 大 且 分布 不均 ， 对其 进 行 顶升 、平移 要 采 用液 压 执 行机 构 ， 这是 因为 液 压 执 行机 构 的功率 质 量 比大 ，通 过 管 道便 可进 行 能量 分配和 传 递 ， 易 于 实 现直 线 运 动 。该 工程 装备 的 液 站 由8 个 并 联 的 大 型 液 压 缸 作 为其 动 力 执行 机 构 。单 个 泵 站 的液压 系 统 如 图4 所 示 。 2 ． 5 监控 系统 无 论顶 升 还 是 平移 ，整 个 操作 控 制 均 是在 中央控 制 室 内 完成 。 因 此， 操作 人 员 应 能在 中 央控 制 室 监 控 到 结 构物 迁 移过 程 的各种 参 数 ， 并 对 控制 过 程 实 时调 整 ，达 到 动 态 优 化 的 目的 。为 了 实现 上述 目标 ， 在 主 控 电脑 上 安 装 了监 控软 件 。在 Wi I 1 d o ws 2 o 0 0 操 作 系统 下 采 用 三 维 力 控 组态 软 件 编制 了监控 软 件 ，该 图4单个泵站液压动力系统 图5 P L C 同步控制界面 h t t p ／ ／ ww w．r o a d m- c h i n a ． c o rn 软 件 主 要 由任务 管理 模 块和 界面 管 理 模块 两 部 分 组成 。 任 务 管 理 模 块 的实 时 性 强 ，包 括 硬件 管 理 、 通 讯 、 实时 监 控和 数 据 处理 。硬 件 管理 模 块 主 要在 使用 前 对 各 种 硬 件 进 行 自测 试 ， 保 证 硬 件 正 常 工作 ；通 讯 模 块 实 时性 最 强 ， 主控 电脑 和 P L C之 间 串 口通 讯 在 这里 完 成 实 时监 控 模块 主要 是 对 各缸 压 力 和位 移 进 行 动 态 决 策优 化 控 制 ， 实 时显 示 ， 同a ,- J - 能 以动 态 曲线 的形 式进 行 观 察 ， 便 于监 视 压 力 和 位 移 变化 的全 过 程 ； 数据 处 理 模 块 可 以存 储 系统 的 初始 化 参 数 和 实 时数 据库 ， 同时 也 能打 印数 据 报 表 。 监 控 系统 的 界面 主 要 负责 人 机 交 互 的功 能 。参 数 设 置 界面 提 供 了 系统 运 行 前控 制 参 数 的设 置 ，包 括 泵 站选 择 、位 移 传 感 器 分 组 、液 压 缸 和 位 移传 感器 关联 以 及 同步 精 度 等 ，这 些 参 数 设 置均 可 保 存在 工 程 中 ，下 次 使 用 时如 果 没 有 变化 ，这 些 参 数 不 必 重 新 设 置 。 称 重 、 顶 升 、平 移 界面 主要 用 来 显 示压 力 和 位 移 ， 以 数据 的形 式 显 示 ，如 果 想 观 察 压 力 和位 移 的实 时 变化 趋 势 ， 只 需 切 换 到动 态 曲线 界 面 即可 。单 缸 调 试 界 面 在 任 何 过 程 中 均 可 调 用 ，进 行人 机 交 互 ，调 整所 选 液压 缸 压力 的升 降 。 国 内 应 用 该 系统 进 行 加 固顶 升 的 典 型 工 程 有 济 南 燕 山 立 交 桥 的 六 联 单 幅 质 量 分 别 约 为2 i 5 0 、 2 2 4 0 、 1 6 3 0 t 顶 升 ， 顶 升 高度 为 0 ．0 2 9 ～4 ． 1 3 9 m上 海南 浦 大桥 东 主 引桥 整体 顶升 质量 1 0 0 0 0 t 、 顶升 面 积 5 0 0 0 m2 、 顶升 高 度0 ．0 0 8 5 ．9 1 0 m 不 等目前顶 升 高 度 最 高 ；湖 州 南 林 大 桥 主 桥 结 构 形 式 为3 跨连 续 箱 梁 约 5 0 0 0t ， 7 跨1 61T I 空 心板 梁 桥 均 整 体 顶升 3 m[4 ] ； 上 海吴 淞 江大 桥 4 1 4 6 号 盖 梁 上 、 下 行 共 计 l 2 个 盖 梁 ，4 1 4 6 号 盖 梁 顶 升 高 度 分别 为 2 7 9 、5 6 8 、9 6 3 、1 41 6 、 1 9 3 5 、24 6 7 ml T t 陕 西 省 铜 川 黄 陵 高 速 公 路康 崖 底 大桥 主桥 加 固顶升 ， 该桥 改造 后 比改造 前 各 墩平 均 升 高 1 0 ．8 9 m，最 低 端 升高 9 ． 3 0 1 I n ，最 高 端 升 高 l 1 ． 9 7 4 r n 。 另 外 ， 在 国 内也 有 采 用P L C液 压 同步 控 制 系统 进 行 桥 梁橡 胶 支 座 的 更换 以及桥 梁 的顶 升 调 坡 的工 程 。 4 结语 桥 梁 同步 顶 升是 一项 复 杂 且 带 有危 险性 的 工程 ，如 何确 保 梁 体在 顶升 过 程 中不 受损 坏 是桥 梁 同步 顶 升 工 程 的 关键 。基 于 P L C控 制 的液 压 同步 顶 升 能 全 自动 完 成 同 步顶 升 过 程 ，实 现位 移 控 制 、 过 程 显示 、 故 障报 警 等 多种 功 能； 能 够 实现 多 液 压 缸 负 载 不均 衡 同步 升 降 ， 同时 又 能 够 对 顶 升 过 程 中 各 顶 升 点 压 力 、位 移 和 应力 进 行 实 时 监控 。应 用该 同步 系统 ，操 作 人 员 只 需在 中 央控 制 室 便 可 对各 液 压 缸进 行 控 制 和 监 测 ， 从 而完 成 梁 体 顶升 ，该 系 统 在 旧桥 加 固顶 升 领 域 有着 广 阔的 发展 前景 。 RMc M 参 考文献 【 i 1实用动 力有 限公 司． 利用液 压控制 系统 同步 顶升 系统 实现桥 梁改造 U ]工程 机 械， 2 X 2 1 6 1 0 1 2 【 2 l 汪学谦 ， 汪晓岚， 蓝戊己 P L C- ． 制液压 同步 顶升 系统在连续钢 箱梁悬臂 架设施工 中 的应用D ] 世界桥 梁，2 X 5 2 3 3 3 8 ． f 3 ] 许斌， 景红云．基 于P L C和变频 器的成品 料提 升装置控 制程序 设计【 l 1 l 筑路 机械 与 施工机械化，2 0 0 8 ，2 8 9 7 3 7 4 ，7 7 [ 4 ] 蓝戊己， 张志军， 顾远生， 等． 南浦大桥东主 引桥 整体同步顶升工程明． 城市道桥与防 洪， 2 0 0 9 ．2 6 1 0 2 2 2 5 SPR200 ／ SPR260 ／ SPR300 兰一■工股份有限公司 ■●Nv H直I ， v ■ 棚 什c o． n 中霹湖南 长沙经济技 术开发区兰一 工业城 邮编 4 1 0 1 0 0 电话0 7 3 1 8 4 0 3 1 1 2 4传真0 7 3 1 “ 8 4 0 3 1 3 6 0 咨询姆藉 s a n y S a n y ． C O n 册 管蓐服务热线4 0 0 88 7 8 3 1 8 咨诲投诉 电话 4 0 0 8 8 7 9 3 1 8 嘲址 h t t p ， ， W W W． s a n y ． C O m,C n ● 全液 压驱动技术，操作便捷 ，施 工性能好 ； ● 集中 自动充气调压技术 ，确保压实均匀 一 致 ； ● 整机 流线型设计，驾驶室视野好，达到1 m 1 m 要求； ● 整机 采用人机工程设计 ，操作舒 适、简便 ，维护性能好 ； ● 洒水 与喷浊两套系统 ，解决粘沥青的世界难题 消除了人 工涂油的安全隐患 ● 在液 压系统制动基础上增加辅助 制动系统 ，确保行车安全。 专注客户价值引领绿色