一種應(yīng)用于液壓提升設(shè)備的智能監(jiān)測系統(tǒng)

謝 詩，呂振剛，劉 俊，朱廷志，梁 濤，施杰越

(柳州歐維姆機(jī)械股份有限公司,廣西 柳州 545005)

0 引言

液壓提升設(shè)備是一種特種施工設(shè)備，以提升千斤頂為執(zhí)行機(jī)構(gòu)、液壓泵站為動力源、控制系統(tǒng)為核心大腦，通過控制多個提升千斤頂?shù)募簞幼鲗崿F(xiàn)重物的移位，主要應(yīng)用于橋梁建設(shè)、海洋工程、電廠建設(shè)、化工廠建設(shè)和地下停車豎井掘進(jìn)等領(lǐng)域。

傳統(tǒng)開環(huán)系統(tǒng)控制的液壓提升設(shè)備沒有自動修正或補償能力、系統(tǒng)穩(wěn)定性不高、響應(yīng)時間相對較長、精確度不高，尤其數(shù)據(jù)為人工測量和記錄，人為誤差大且存在數(shù)據(jù)被篡改的風(fēng)險，錄入系統(tǒng)和呈報管理部門的數(shù)據(jù)可能不真實，埋下了安全隱患。為了提高施工的精度和效率，在數(shù)據(jù)管理方面實現(xiàn)監(jiān)測過程的完全透明，保證施工過程的有效監(jiān)管，提升施工品質(zhì)和安全性，設(shè)計了一種應(yīng)用于液壓提升設(shè)備的智能監(jiān)測系統(tǒng)。

1 液壓提升設(shè)備智能監(jiān)測系統(tǒng)的組成及功能

液壓提升設(shè)備由控制系統(tǒng)、液壓泵站和液壓提升千斤頂組成?？刂葡到y(tǒng)包含遠(yuǎn)程中心和現(xiàn)場站點，均配置了可編程邏輯控制器(PLC, Programmable Logic Controller)和人機(jī)界面(HMI,Human Machine Interface),遠(yuǎn)程中心設(shè)置了具有云路由功能的設(shè)備。遠(yuǎn)程中心和現(xiàn)場站點間采用工業(yè)以太網(wǎng)方式通信，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高效、穩(wěn)定交互。遠(yuǎn)程中心負(fù)責(zé)收集及分析現(xiàn)場站點上傳的傳感器數(shù)據(jù)和運行狀態(tài)，并形成運行指令下發(fā)到現(xiàn)場站點。現(xiàn)場站點具有閥組控制、電機(jī)啟停、傳感器數(shù)據(jù)采集等功能。液壓泵站安裝有電液比例換向閥、液位傳感器、液溫傳感器和冷卻加熱裝置，其中電液比例換向閥可進(jìn)行油液出口換向，實現(xiàn)千斤頂活塞的伸缸或縮缸運動，同時可以調(diào)節(jié)流量輸出的大小，控制千斤頂活塞運行的速度。提升千斤頂上安裝有位移傳感器、壓力傳感器和接近傳感器，用于監(jiān)測千斤頂活塞的伸出量和千斤頂負(fù)載。

液壓提升設(shè)備智能監(jiān)測系統(tǒng)基于智能傳感器網(wǎng)絡(luò)、分布式通信網(wǎng)絡(luò)和云服務(wù)網(wǎng)絡(luò)，結(jié)合施工工藝編制控制程序形成智能控制策略，實現(xiàn)全自動化過程施工、數(shù)據(jù)智能記錄與管理，以及云服務(wù)功能。

2 液壓提升設(shè)備智能傳感器網(wǎng)絡(luò)

提升系統(tǒng)的智能控制策略需要多種傳感器數(shù)據(jù)的支撐，傳感器的合理應(yīng)用是提升系統(tǒng)安全可靠運行的重要一環(huán)。為了檢測提升千斤頂活塞的位置，安裝了拉繩式位移傳感器和接近傳感器。為了檢測構(gòu)件重量及提升千斤頂工作時的負(fù)荷，在提升千斤頂閥組上配置了壓力傳感器。為了檢測液壓油位置，系統(tǒng)配置了液位傳感器，利用其檢測液壓油高位和低位并做警示提醒。液溫傳感器用于檢測液壓油的溫度，配合冷卻、加熱裝置使用，液溫高時自動打開冷卻裝置工作；液溫低時自動打開加熱裝置工作。液壓提升設(shè)備傳感器應(yīng)用如圖1所示。

圖1 液壓提升設(shè)備傳感器應(yīng)用示意圖

位移傳感器、壓力傳感器、接近傳感器等根據(jù)邏輯運算法則實時監(jiān)控主頂活塞與夾持器的工作位置與狀態(tài)，實現(xiàn)限位、超載、防窩缸等安全保護(hù)與預(yù)警機(jī)制。自動運行與防窩缸保護(hù)依據(jù)限位傳感器與位移傳感器兩種數(shù)據(jù)采用雙重邏輯并聯(lián)保護(hù)以確保系統(tǒng)運行穩(wěn)定和安全。

液壓提升設(shè)備在系統(tǒng)工作時，活塞位移數(shù)據(jù)、負(fù)載數(shù)據(jù)、報警信息和事件信息等自動記錄并只讀存儲，人為無法篡改。傳感器信息與事件、報警信息均通過人機(jī)界面HMI展示，供操作人員獲知設(shè)備運行狀況。

3 液壓提升設(shè)備分布式通信網(wǎng)絡(luò)

超大、超高、超重構(gòu)件通常需要多吊點協(xié)同作業(yè)，因此分布式吊點結(jié)構(gòu)決定了控制系統(tǒng)需要配置遠(yuǎn)程中心和多個(n≥2)現(xiàn)場站點，遠(yuǎn)程中心和現(xiàn)場站點間采用工業(yè)以太網(wǎng)方式通信，如圖2所示。以太網(wǎng)是目前應(yīng)用最為廣泛的計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，具有兼容性好、易于與Internet連接、成本低廉、通信速率高等優(yōu)點，通過以太網(wǎng)通信方式實現(xiàn)遠(yuǎn)程中心與現(xiàn)場站點間數(shù)據(jù)的高效、穩(wěn)定交互。

圖2 液壓提升設(shè)備分布式網(wǎng)絡(luò)控制示意圖

遠(yuǎn)程中心PLC和現(xiàn)場站點PLC采用OMRON CJ2M-CPU31型PLC，支持Ethernet/IP協(xié)議，自帶以太網(wǎng)網(wǎng)口，現(xiàn)場控制柜內(nèi)設(shè)5個工業(yè)級交換機(jī)，可以將上一通信站點、下一通信站點以有線通信方式或無線通信方式互聯(lián)。每泵站配置一套現(xiàn)場站點、驅(qū)動兩臺提升千斤頂，每臺提升千斤頂上安裝有位移傳感器、壓力傳感器和接近傳感器。將傳感器接入現(xiàn)場站點PLC，現(xiàn)場站點PLC解析傳感器數(shù)據(jù)并通過工業(yè)以太網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳送到遠(yuǎn)程中心PLC，遠(yuǎn)程中心PLC對1#～n#現(xiàn)場站點的傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行狀態(tài)處理、數(shù)據(jù)分析、邏輯運算，形成指令下發(fā)到現(xiàn)場站點PLC，控制電磁閥的動作順序及比例閥開口大小，從而控制集群主油缸和上下夾持器動作，實現(xiàn)多吊點協(xié)同作業(yè)。

4 液壓提升設(shè)備云服務(wù)網(wǎng)絡(luò)

基于項目管理數(shù)字化與可溯源的要求，液壓提升設(shè)備在系統(tǒng)工作時，自動記錄活塞位移數(shù)據(jù)、負(fù)載數(shù)據(jù)、報警信息和事件信息?？梢酝ㄟ^U盤將數(shù)據(jù)拷貝備份或以郵件形式、云服務(wù)形式將數(shù)據(jù)保存及展示。

液壓提升設(shè)備云服務(wù)依托裝備智慧管控服務(wù)云平臺ovmzb.ovm.cn進(jìn)行數(shù)據(jù)管理，遠(yuǎn)程中心配置了具有云路由功能的設(shè)備，通過4G/5G網(wǎng)絡(luò)，將液壓提升設(shè)備的傳感器數(shù)據(jù)信息、運行狀態(tài)信息、定位信息等發(fā)送到裝備智慧管控服務(wù)端，用戶可通過Web查看授權(quán)項目的設(shè)備信息。依托云平臺可實現(xiàn)遠(yuǎn)程在線查看設(shè)備實時運行數(shù)據(jù)、設(shè)備歷史運行狀態(tài)追溯、設(shè)備健康風(fēng)險預(yù)警、遠(yuǎn)程售后指導(dǎo)、遠(yuǎn)程程序維護(hù)等服務(wù)。液壓提升設(shè)備云平臺數(shù)據(jù)管理如圖3所示，云服務(wù)功能有助于實現(xiàn)項目的遠(yuǎn)程監(jiān)管，提升數(shù)字化項目建設(shè)品質(zhì)。

圖3 液壓提升設(shè)備云平臺數(shù)據(jù)管理示意圖

5 液壓提升設(shè)備智能控制策略

融合多種精密傳感技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)，傳感器數(shù)據(jù)經(jīng)過核心控制單元智能邏輯程序分析后輸出控制指令，以閉環(huán)方式使得系統(tǒng)實現(xiàn)對千斤頂上下夾持器安全可靠的負(fù)載轉(zhuǎn)換和千斤頂主頂伸缸或縮缸運動的循環(huán)控制，實現(xiàn)重物移位。

對于超大、超重構(gòu)件的移位，往往需要多點協(xié)同工作，即需要對多個千斤頂進(jìn)行同位置或同負(fù)載的同步控制。這就需要對多組位移傳感器或壓力傳感器的數(shù)值進(jìn)行分析，基于實時數(shù)值與同步精度范圍值、比例閥開口設(shè)定值，按照圖4所示閉環(huán)偏差同步耦合的邏輯算法，調(diào)節(jié)集群千斤頂按照位移同步或負(fù)載同步的方式動作，即利用閥控技術(shù)、傳感器技術(shù)和通信技術(shù)，實現(xiàn)多吊點的同步平穩(wěn)工作。

圖4 液壓提升設(shè)備閉環(huán)偏差耦合同步邏輯示意圖

在液壓提升設(shè)備閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，遠(yuǎn)程中心和現(xiàn)場站點PLC能根據(jù)傳感器反饋數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)和糾正提升千斤頂運行的偏差，可以修正元件參數(shù)變化以及外界擾動引起的誤差，自動調(diào)節(jié)現(xiàn)運行狀態(tài)與預(yù)期狀態(tài)的偏差在設(shè)定的同步精度內(nèi)，因此重物移位過程控制精度高。

6 總結(jié)

傳感器網(wǎng)絡(luò)作為智能監(jiān)測系統(tǒng)的感知層，是信息采集的第一把手，能感知系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的位置、負(fù)載、形變等變化，作為智能監(jiān)測系統(tǒng)反饋單元部分，是系統(tǒng)實現(xiàn)閉環(huán)自動調(diào)節(jié)測量的基礎(chǔ)。基于傳感器技術(shù)、通信技術(shù)、云技術(shù)和PLC技術(shù)等多種技術(shù)的液壓提升設(shè)備智能監(jiān)測系統(tǒng)，可以實現(xiàn)全自動運行、同步調(diào)節(jié)、安全預(yù)警保護(hù)等智能控制策略，保障吊裝過程安全、可靠。同時，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)管理的智能化和可溯源。液壓提升設(shè)備智能監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)字化、智能化的實現(xiàn)，助推施工設(shè)備和現(xiàn)場管理向著智能現(xiàn)代化工程方向發(fā)展。