应用智能化数字系统控制液压滑模施工工法

1、应用智能化数字系统控制液压滑模施工工法兖矿东华建设有限公司 张亚峰 吕玉鹏 叶涛 毕爱玲 谢志国1前 言在滑模施工过程中，千斤顶保持水平、同步滑升是保证施工工艺、施工质量的关键。因此，对千斤顶爬升标高、爬升与停止全过程的实时监测和控制至关重要。兖矿东华建设有限公司通过对每年上千万液压滑模施工项目的分析、研究，针对液压滑模施工过程中的精度控制，受力平衡检测，垂直、扭转检测的智能化数字系统控制技术进行了长达3年多的课题研究和研发，在保持原液压控制系统功能基本不变的情况下，通过增加数字化控制系统，使滑模施工全过程中的数据采集、处理及控制实现了数字化、智能化。有效地克服了传统液压滑模不能实时监测、控制

2、而常出现滑升偏差的弊端。经在兖矿鲁南化肥厂原料煤贮运系统贮煤仓、山东兖煤菏泽能化赵楼矿井选煤厂地面原煤生产系统原煤仓等工程项目中应用，证明具有机械化程度高、滑模控制精度好、施工进度快、安全系数高、工程质量好等特点，取得了良好的经济效益、社会效益，并据此总结编写了应用智能化数字系统控制液压滑模施工工法。本工法关键技术应用智能化数字系统控制液压滑模施工技术，2011年4月通过兖矿集团有限公司技术中心组织的科技鉴定，鉴定结果：技术新颖、实用性强、推广前景广，总体达到了国内领先水平。2012年5月经煤炭信息研究院科技查新，查新结论：国内未见有与本课题研究内容相同的文献报道。2013年1月22日在中国煤

3、炭建设协会通过技术鉴定，鉴定结论为：该项技术达到国内领先水平，具有较高的推广应用价值。2009年、2011年应用该工法的工程分别荣获煤炭行业协会颁发的优质工程奖和 “太阳杯”奖。2.工法特点与传统液压滑模控制系统相比，应用智能化数字系统控制液压滑模具有如下特点：2.0.1智能化数字控制技术把滑模施工过程中的人工测量控制变成了自动数据采集、处理和控制，实现了滑模施工的自动化控制，保证了水平、同步滑升的控制精度和施工质量。2.0.2智能化数字控制技术实现了硬件和软件的结合，使滑模滑升控制模式更加灵活和多样化，保证了滑升过程中的预控、纠偏及特殊滑升功能的实现。2.0.3智能化数字控制技术滑模平台选择

4、了半刚性平台，在解决平台刚度问题的前提下又解决了钢平台的重量问题，保证了滑模系统的稳定性。2.0.4 智能化数字控制技术选用GYD-60了大吨位滑模千斤顶，增加了整个系统的承载能力及爬升能力，增加了系统的稳定性，保证了施工安全。2.0.5智能化数字控制技术改善了模板的刚性及拼缝平整度，减小了接缝处平整度的差值，提高了混凝土出模的表面观感质量。2.0.6智能化数字控制技术无“三废”、无污染、无破坏环境，安全、节能、环保。3.适用范围适用于各种筒仓液压滑模系统快速施工，以及其他类似的工业建筑工程施工。4.工艺原理滑模智能化数字控制系统主要由千斤顶传感器、通讯传输控制器、通信协议转换控制器、控制电源

5、、液压站控制器、上位机系统软件等组成，同时借用了成熟的无线视频监视系统。将千斤顶实际滑升量变换成数字量，在通过对数据的分析、控制，实现了千斤顶爬升的实时测量与控制，并通过控制滑模千斤顶实现了对滑模滑升全过程的参数监测和自动化控制。具体工艺原理如下：千斤顶传感器：采用光电增量式脉冲编码YZ40D6S-6LB-600，旋转一圈产生2400个脉冲信号，利用微处理器对编码器信号进行处理，从而分辩出千斤顶的爬升与下滑，准确跟踪千斤顶的标高，并通过专用电磁阀来控制千斤顶的爬升。通讯传输控制器：对接收的数个（一般为6个）千斤顶传感器传输来的脉冲信号进行处理，转化为实际高度值，根据给定的滑升量控制相应的电磁阀

6、打开/关闭，并和上位机保持实时通信，完成上传/下达的功能。上位机系统软件：实时监测、控制滑模千斤顶，实现对滑模滑升全过程的参数监测和自动化控制。视频监视系统：通过无线网络摄像机对滑模过程中设置的重要防偏、防扭监视点进行直观视频监视，实时发现偏、扭，并进行预控。智能化数字控制滑模技术，改变了传统滑模系统人工测量方式，减轻了劳动强度，减少了人为误差，提升了控制精度，提高了工作效率，保证了滑模施工质量，加快了施工进度。5. 工艺流程及操作要点5.1 工艺流程见图5.1 施工准备设计模板体系组装滑模平台液压提升系统安装节点节点节点节安装千斤顶传感器感器浇初升混凝土滑模系统智能化控制安装通讯传输控制器

7、安装滑模控制电源安装视频监视系统滑模系统调试 筒壁滑升滑模施工控制 完工拆除模板 图5.1滑模系统智能化控制技术施工工艺流程5.2操作要点5.2.1 施工准备1施工前进行技术培训及技术交底。滑模系统智能化控制技术连续性很强，多工种协作作业，开工前必须根据图纸及有关规定的要求进行详尽的技术交底。 2混凝土配合比设计。滑模施工的混凝土，应事先做好混凝土配比试配工作，其性能除应满足设计所规定的强度、抗渗性、耐久性以及季节性施工等要求外，尚应满足混凝土早强和坍落度要求，坍落度应符合表5.2.1-1的规定：表5.2.1-1混凝土入模时的坍落度结构种类坍落度（）非泵送混凝土泵送混凝土墙板、梁、柱40601

8、00160配筋密集结构（筒体结构及细长柱）5080120180配筋特密结构801001402005.2.2 组装滑模平台、模板系统1预埋件：预埋件安装位置应准确，固定牢靠，不得突出模板表面。预埋件出模后要及时清理使其外露，其上下、左右偏差应满足先行国家标准混凝土结构工程施工质量验收规范GB 50204-2002 的要求。2预留孔：筒壁预留孔洞的胎膜应有足够的刚度，其筒壁厚度方向的尺寸应比模板上口尺寸小10 ，并与结构钢筋固定牢靠。胎膜出模后，应及时校对位置，适时拆除胎膜，修整洞口；预留孔洞中心线的偏差不应大于15。3梁、板：遇到梁板时，梁留梁窝，板留插筋；二次浇筑。5.2.3液压提升系统1安装

9、千斤顶及爬杆：以兖矿集团煤化公司鲁南化肥厂原料煤贮运系统贮煤仓（一）为例，把传统采用的1.5吨千斤顶更换为3吨千斤顶，筒壁采用48个千斤顶，分散布置于仓壁一圈，一个千斤顶一根爬杆。爬杆采用6吨的爬杆为48×3.5的钢管，其截面积同25圆钢，爬杆在每个平面上接头不超过25%，以便于施工中有次序的续接爬杆，将第一节爬杆分为四种长度，即为3m，4m，5m，6m。爬杆连接采用对接焊接，并用手提砂轮磨平，标准爬杆长度为3m。2保持爬杆的清洁、光滑,定期对千斤顶进行强制性更换保养,确保每个千斤顶都能正常工作。5.2.4 滑模系统智能化控制装置设计1.滑模系统智能化控制装置：由千斤顶传感器、通讯传

10、输控制器、通信协议转换控制器、液压站控制器、控制电源、上位机软件系统、视频监视系统等组成。2.主要工作原理：通过实时监测、控制滑模千斤顶来实现对滑模滑升全过程的参数监测和自动化控制，现场图片见图5.2.4-1，系统原理见图5.2.4-2，图5.2.4-1现场图28图5.2.4-2实际系统组成图1.千斤顶传感器：实现对每一个千斤顶实时测量爬升标高和控制爬升/停止，本传感器由数字编码器和电磁阀组成。1）数字编码器采用了光电增量式脉冲编码器YZ40D6S-6LB-600，此编码器为每旋转一圈产生600个脉冲。为了保证数字编码器能够在千斤顶爬升过程中不打滑地跟踪旋转，数字编码器的驱动轴采用金属轴加尼龙

11、套的方式，编码器连同固定支架一起安装在固定的滑道上，同时在横向再增加推力弹簧，使旋转轴能够紧密的靠在爬杆上。 2）电磁阀为了控制千斤顶的爬升，定做专用电磁阀。此电磁阀在设计时考虑多方面的因素，对传统的电磁阀做了如下设计改动：额定压力确定为8Mpa；电磁阀的体积要小，操作电压DC48V，操作电流小于0.5A；电磁阀要能灵活的投入和退出。详见图5.2.4-3、图5.2.4-4： 图5.2.4-3电磁阀原理图 图5.2.4-4电磁阀与千斤顶的关系3）考虑装置的整体性，设计时把数字编码器和电磁阀做成了一个整体，同时考虑传感器安装/拆除的方便，采用了夹板的形式进行安装固定。实际安装实物图5.2.4-5图

12、5.2.4-5实际安装实物图2.通讯传输控制器：通讯传输控制器的设计思路主要是基于信息采集、控制分区域相对集中的思路。首先，接收数个（一般为6个）千斤顶传感器传输来的脉冲信号，并进行处理，转化为实际的高度值；其次，根据给定的滑升量控制相应的电磁阀打开/关闭；还有就是要和上位机保持实时通信，完成上传/下达的功能。通讯传输控制器从原理结构上分为：微处理器、脉冲信号处理、电磁阀控制驱动、通信控制驱动等几部分。1）微处理器随着大规模集成电路的不断发展，微处理器芯片的性价比越来越高，基于上述多任务处理和信息处理的快速性，我们选择了当前较为先进的ARM7/LPC2292芯片。芯片主要完成的功能：l 处理6

13、路来自千斤顶的脉冲信号，并进行计算，转化为实际的滑升距离用于上传和实时控制。l 通过外围驱动电路实现电磁阀的打开/关闭，从而控制千斤顶的爬升动作。l 自带CAN通信协议接口，通过外部的专用驱动电路实现与上位机的实时通讯，完成上传下达的功能。2）脉冲信号处理千斤顶传感器产生的脉冲信号输入到微处理器之前通过数字电路芯片进行了整形、隔离。3）电磁阀驱动电路由于电磁阀的控制线圈需要的驱动功率比较大（DC48V/ 0.5A），不可能直接利用微处理器的I/O口驱动，为此设置了电磁阀驱动电路和电磁阀驱线圈监测电路，电路示意如图5.2.4-6、图5.2.4-7：图5.2.4-6电磁阀驱动电路 图5.2.4-7

14、电磁阀线圈检测电路主要驱动元件采用了SDI1102D型直流固态继电器，主要参数：隔离电压1500V、绝缘电压2000V、控制电压315V、控制电流230mA。4）通信控制驱动电路根据现场使用经验，目前常采用的比较简单的通信总线多采用RS485，但由于RS485通信的波特率比较低，最高一般能达到9600bit/s；考虑要传输的数据量比较大，通信要求相对较高，所以本系统采用CAN通信总线。控制驱动电路采用了CAN总线专用芯片CTM8251，CTM8251是一款带隔离通用CAN收发器模块，该模块内部集成了所有必需的CAN隔离及CAN收、发器件。模块的主要功能是将CAN控制器的逻辑电平转换为CAN总线

15、的差分电平并且具有DC 2500V的隔离功能。CAN总线可以实现多台通信控制装置共用一条总线，不仅可以节约通信线路的成本，同时线路维护非常简单，因为此总线只有2根导线。多机通信模式如图5.2.4-8，现场实物安装见图5.2.4-9：图5.2.4-8多机通信模式图图5.2.4-9通讯传输控制器3.通信协议转换控制器：设置通信协议转换器的主要目的是为了把现场的CAN总线转换为我们比较熟悉的Internet网络，以便我们利用成熟的网络技术来方便的实现控制目的。采用基于ARM7芯片的协议转换器，配置CAN总线接口，嵌入协议转换软件，以实现CAN总线到Internet网络的转换，并通过无线路由器实现与上

16、位机的无线连接。原理图如图5.2.4-10：图5.2.4-10 CAN总线通过协议转换模块转换到Internet4.液压站控制器：液压站的控制是现场千斤顶动作的基础，因此液压站的远程遥信控制也是本项目中的一个重要环节。在不影响原液压站控制功能的前提下增加了遥信控制及液压信号采集功能，使其能通过CAN总线与上位机进行信息传递，实现其必要的控制功能。液压站控制器安装在液压站控制箱内。液压站本体控制系统改造后的控制原理图如图5.2.4-11：图5.2.4-11液压站本体控制系统改造后的控制原理图5.控制电源：电源部分的设计分为：电源隔离变压器、直流电源整流模块、电源控制器、UPS电源。1）变压器的选

17、择考虑施工现场的用电安全，特设置了隔离变压器，变压器的输入/输出采用三相电源，电压确定为 AC380V/36V；现场的用电负荷如下：电磁阀的工作电压为DC48V，电流小于0.5A，电磁阀的数量为52只，则总功率为P=48*0.5*52=1248W，折算到三相功率，P3=1248/1.732=720W，另外考虑电磁阀线圈吸合的电压可以降低到80%，同时由于滑升操作为间隔性用电，为了尽可能减小变压器的体积，最后综合确定电源隔离变压器的容量为600VA。2）直流电源整流模块隔离变压器输出的36V电源经过三相整流桥整流滤波得到48V直流电源，因为48V直流电源的主要负载为电磁阀线圈，所以直流电流 最大

18、要在2025A，同时考虑整流桥的散热条件和冲击性负荷，最后 选择了50A的三相整流桥，同时为整流桥配备了散热系统。3）电源控制器电源控制器模块和液压站控制器功能电路相同，所实现的控制功能比较简单。4）UPS电源UPS电源为小型成品装置，使用UPS的主要目的是考虑电源突然停电时防止数据丢失。5）最后把电源控制器、通信协议转换控制器、UPS电源及网络路由器与电源部分集成在同一个箱体中，作为一个整体装置；通过全负载工作考验，工作一切正常，输出最低直流电压大于45V。6.视频监视系统：主要是通过无线网络摄像头对滑模过程中设置的重要的防偏、防扭监视点进行直观的视频监视，实时的发现偏、扭，以便进行预控。使

19、得操作人员一人就可以兼顾多项工作，也减轻了劳动强度，改变了传统使用专人进行监视的方式。本系统所使用的摄像头和监控软件为市场成熟的产品。7.系统软件的开发：系统软件为本系统专门开发使用，主要功能是实时现场数据处理和控制，监视系统运行。软件实现了多种控制功能，主要有：手动滑升、自动滑升、自动调平、个别滑升等。1）手动滑升模式：操作人员可以手动操作滑升，同时可以监视系统的通讯是否正常，见图5.2.4-12：图5.2.4-12手动滑升模式2）自动滑升模式：此模式为大行程滑升而设，操作人员可以根据要滑升的行程设置千斤顶的循环次数，一旦执行将完成循环次数，但可以人工介入停止滑升。另外，在系统不正常时，会有

20、信息提示，同时停止滑升。见图5.2.4-13：图5.2.4-13自动滑升模式3）自动调平模式：调平之前应核实各千斤顶的实际标高，操作人员一旦输入要调平的误差值并执行后，系统便自动寻找需要滑升的千斤顶，并设置循环滑升，直到最高和最低之间的差值满足输入的差值要求，便停止操作。此模式也可以人工介入停止操作。图5.2.4-14：图5.2.4-14自动调平模式4）个别滑升模式：此模式是为在滑模施工过程中纠偏、扭而设置，可以方便的设置哪些千斤顶滑升，哪些千斤顶不滑升。图5.2.4-15：图5.2.4-15个别滑升模式5）主配置界面：配置通讯传输控制器的实际安装数量和安装位置。图5.2.4-16： 图5.2

21、.4-16主配置界面6）千斤顶配置界面：配置千斤顶传感器的实际安装数量、编号和安装位置。图5.2.4-17： 图5.2.4-17千斤顶配置界面7）千斤顶标高校准界面：对千斤顶的实际高度进行校准。图5.2.4-18： 图5.2.4-18千斤顶标高校准界面5.2.5滑模安装及调试1.滑模安装必须按照一定的程序进行，具体步骤如下：1）安装提升架，应使所有提升架的标高满足操作平台水平度的要求；2）安装内外围圈，调整其位置，使其满足模板倾斜度和设计截面尺寸的要求；3）绑扎竖向钢筋和提升架横梁以下钢筋，安设预埋件及预留孔洞的胎膜；4）安装模板，宜先安装角模，后再安装其他模板；5）安装操作内、外平台的支撑平

22、台铺板和栏杆等；6）滑模液压系统安装并调试；7）安装智能化控制装置并调试；7）在液压系统、智能化控制装置试验合格后，插入支撑杆；8）待模板滑升2m后，再安装内外吊脚手架，挂安全网。滑模装置组装的允许偏差见表5.2.5-1表5.2.5-1滑模装置组装的允许偏差序号内容允许偏差(mm)1模板中心线与结构截面中心线位置32围圈位置偏差水平方向3垂直方向33提升架的垂直偏差平面内3平面外24安装千斤顶的提升架横梁相对标高偏差55考虑倾斜度后模板尺寸的偏差上口-1下口+26千斤顶安装位置的偏差提升架平面内5提升架平面外57圆模直径的偏差58相邻两块模板平面平整偏差1.52.模板的安装应符合下列规定：1）

23、外模采用200mm宽3mm厚钢模板，外焊三道围檩，要求焊口焊牢后用砂轮机打平，保证两块模板间拼缝严密，混凝土出模表面平整光滑。2）内模采用200mm宽3mm厚钢模板组拼，钢模板之间满打卡扣，保证拼缝紧密和装拆方便。3）模板的连接处用双面密封，不得漏浆。5.2.6 筒壁滑升1.初滑对砼初次浇筑厚度，砼自重克服模板与砼之间的摩擦力，使下端的砼达到出模强度，在混凝土出模强度在0.20.4Mpa时，应进行1-2个千斤顶行程的提升，当滑升至30cm时，对整个操作平台系统进行全面检查，特别是固定模板的卡环要逐个卡紧。各个拉杆的法兰螺丝要全部进行收紧一次。 在砼始滑时由于需浇满整个900mm高模板，砼量较大

24、，宜分层浇捣，每次浇捣200mm300mm高左右，浇好一圈后，在进行下一次循环浇筑砼，分三层浇筑，当高度约为70cm时，开始提升35cm，第四次浇筑后再提升1015cm。模板初滑升时要对所有滑模设备特别是模板系统进行全面检查，及时发现问题，及时处理,待一切正常方可进行正常滑升。 始滑阶段应根据水泥品种、标号及初凝终凝时间确定初次提升时间。初次的速度不宜过快，当滑升至30cm时应对整个平台系统进行全面检查，特别是固定模板的卡环要逐个卡紧。各个拉杆的法兰螺丝要全部进行收紧一次。 2.正常滑升当模板初滑正常以后，即进入正常滑升，此时应掌握好滑升速度与砼凝固时间的关系，同时利用滑模智能化控制系统记录每

25、层砼浇筑开始及结束时间，因为它直接影响到砼的施工质量及工程进度，滑模时可依据下列几点鉴别滑升速度，滑模时宜：1）出模的砼应表面湿润，手摸有硬的感觉，但又可用手指按出印子，深度约在1mm左右。2）砼表面能用抹子抹平。3）砼试块强度为0.52.5N/mm2 4）正常滑升阶段砼浇捣每次为200-300，每次滑升间隔时间为12h，间隔时间也要根据记录的每层砼浇筑开始及结束时间控制。3.完成滑升当模板滑升至距建筑物顶部标高1m时，滑模即进入完成滑升阶段。此时应放慢滑升速度，并进行准确的抄平和找正工作，以使最后一层砼能够均匀地交圈，保证顶部标高及位置的正确。5.2.7 滑模智能化控制技术在滑模过程中的控制

26、措施1.滑模智能化控制技术利用滑模控制系统进行数据和信息的采集处理，根据预先设定好的控制偏差控制滑模平台的水平度，在保持滑模平台水平度的情况下，再根据视频监视系统提供的测点位置信息判断滑模工程的偏斜或扭转，以便提前预控。具体方法如下：2.混凝土出模强度的控制及随滑随抹工艺。滑出模板的混凝土表面无捣固缺陷时不需附加抹面材料，将原混凝土表面用抹子压光即可。如遇施工缺陷，则筛取混凝土原浆进行修抹。滑出模板的混凝土表面应在0.5h内抹完。出模混凝土强度达到11.5MPa时开始洒水养护，或涂刷混凝土养护液。5.2.8 滑模拆除1.滑模拆除要求：先拆除外模后拆内模，拆除外模机具时不得进行内模围圈拆除；同时

27、拆除外模时尽可能地避免高空作业。2.拆模的次序如下：清理平台杂物拆除滑模智能化控制台拆除内外模板及挂模围带拆除内平台钢梁拆除内、外围圈、提升架。6.材料与设备6.1 材料（直径21的园筒仓）表6.1主要材料序号名称型号单位数量用途1钢丝软管16×6根182钢丝软管16×4根163钢丝软管8×6根204钢丝软管8×5根205钢丝软管8×4根206直通管接头16根207两通分油器16进16出只68六通分油器16进8出只129堵头及螺母8只2010电源、通信电缆2*6+4*1.5根10电源控制箱、现场控制器之间的连接线11摄像头电源线/根4连接摄像头

28、与通讯传输控制器,给摄像头供电6.2机具设备（直径21的园筒仓）表6.2 主要机具设备序号名称型号单位数量用途1液压控制台HY-56台1操作平台2千斤顶GYD-60台52设备工具3调平器XT-GYD-60套52设备工具4针形阀7只52设备工具5两通分油器16进16出只6设备工具6六通分油器16进8出只12设备工具7工作台脚手板架套2设备工具8电源控制箱HM_Y1台1设备工具9通讯传输控制器HM_T1只10数据采集通信控制10传感器固定板/块52与传感器配套使用11无线摄像头FS_603A_M106只4内带安装固定装置7.质量控制7.0.1严格执行液压滑动模板施工技术规范(GBJlB21987)

29、 等国家、行业标准7.0.2建立与工序作业相对应的质量检验系统，进行跟班质量检查，保证工序质量符合规范要求。7.0.3在每次模板滑升后，应立即检查出模混凝土，发现问题及时处理，最大问题应作好处理记录。7.0.4砼坍落度及外加剂一定严格按实验室提供的配合比执行。7.0.5对混凝土的质量检验应符合标准养护混凝土试块组数，每工作日或5m不少于1组。7.0.6严格掌握材料、成品、半成品的质量关，对进场的材料成品必须严格验收，防止不合格产品、材料流入工地。7.0.7做好现场文明施工，实现路平路通无积水，材料成品堆放整齐，设备完好，垃圾随时清理。8.安全措施8.0.1 执行液压滑动模板施工安全技术规程JG

30、J65-89、建筑机械使用安全技术规程JGJ33-2001、施工现场临时用电安全技术规范JGJ46-2005及建筑施工高处作业安全技术规范JGJ80-91的有关规定。8.0.2 认真贯彻“安全第一，预防为主”的方针，建立和健全项目安全生产保障体系，遵守国家有关施工和安全的技术法规，抓好安全生产。8.0.3 建立施工安全检查评分制度，定期检查，对存在的安全隐患限时处理，随时消除不安全因素。8.0.4 拆除外模时尽可能地避免高空作业。8.0.5 严格执行岗位“三检”（自检、互检、交接检）制度，关键工序做好安全技术交底，模板装、拆，须经现场技术负责人检查。8.0.6 施工现场的临时用电要严格按照施工现场临时用电安全技术规范有关规范、规定执行，使用安全电压。8.0.7 落实“三宝”、“四口”、“五临边”的安全防护措施。戴好安全帽、系好安全带和挂好安全网，对临边、洞口做好防护，设栏杆和警示牌。9.环保措施9.0.1 严格遵照国家颁布的有关环境保护的法律法规。9.0.2 加强对施工场地、工程材料、废水、固体废弃物以及其他建筑垃圾的控制和治理。9.0.3 施工现场建筑垃圾设专门的垃圾堆放区，并设置在避风处，以免产生扬尘，