深基坑施工鋼支撐軸力自適應系統的數據通信系統及方法

2023-04-23 19:44:56 1

專利名稱：深基坑施工鋼支撐軸力自適應系統的數據通信系統及方法
技術領域：
本發明屬於深基坑施工領域，尤其涉及一種應用於深基坑施工鋼支撐軸力自適應 系統的數據通信及方法。
背景技術：
伴隨著城市軌道交通的大發展，加之土地資源的極度緊缺，近鄰地鐵的深基坑工 程日益增多。我們不得不面臨一個問題，地鐵的安全問題。目前基坑開挖已趨於大規模化及 大深度化，且施工多以明挖順作法為主，眾所周知，深基坑明挖施工往往伴隨著極強的環境 效應，若不對深基坑施工進行嚴格的變形控制，鄰近的地鐵會因為較大變形而影響其正常 使用，嚴重時甚至引發事故，所造成的經濟損失和社會影響是不可估量的。因此，超深基坑 施工對鄰近地鐵的安全影響控制已逐漸演化為現代基坑工程研究的主要方向之一。目前， 在上海等軟土地區城市深基坑的開挖支護常用鋼筋砼支撐和Φ609X δ 16的鋼支撐。一般 鋼支撐時，均按設計要求施加預應力。但在施工時，隨著時間的推移，鋼支撐上所加的預應 力會降低，有時會降低很多，甚至降低量達50%以上，而且此時又很難去往鋼支撐上施加支 撐軸力，故極易引起牆體位移。當位移過大時，將直接影響基坑旁邊運營中地鐵的安全。所以，如何設計了一套能有效控制深基坑施工變形並確保運行地鐵隧道安全的深 基坑施工鋼支撐軸力自適應實時補償與監控系統是本領域的重要課題，其中鋼支撐軸力自 適應系統的數據通信系統及方法，作為深基坑鋼支撐軸力實時補償與監控系統數據採集和 控制指令發送的橋梁，在深基坑鋼支撐軸力自動補償系統中起著十分關鍵的重要作用，是 我們亟待解決的一個技術問題。

發明內容
本發明的目的在於提供一種深基坑施工鋼支撐軸力自適應系統的數據通信系統 及方法，確保自適應系統數據傳輸安全、可靠，實現建築工程深基坑施工時鋼支撐軸力的實 時補償，以減少基坑的變形，確保周圍管線及建築物的安全。為了達到上述的目的，本發明採用如下技術方案一種深基坑施工鋼支撐軸力自適應系統的數據通信系統，所述深基坑施工鋼支撐 軸力自適應系統包括若干站點，所述站點包括若干現場控制站、一操作站和一監控站，所述 數據通信系統採用CAN總線，所述各站點通過所述CAN總線連接通信，所述CAN總線採用標 準拓樸結構由主幹和分枝連接而成，所述各站點分別連接在各分枝上。進一步，所述分枝和主幹通過三通接線盒連接。進一步，分枝、主幹與三通接線盒之間的連接分別採用兩副端子，一副是USB端子 接插件，另一副是針孔結構端子。進一步，每個分枝設有用於將分枝和主幹連接或斷開的總線開關。進一步，每個分枝的長度小於一米。
進一步，相鄰分枝之間距離不同。
進一步，每個分枝兩側的主幹上分別接有終端電阻開關和終端電阻，一旦哪個站 點位於終端，該終端電阻開關開啟。還公開了一種深基坑施工鋼支撐軸力自適應系統的數據通信方法，所述深基坑施 工鋼支撐軸力自適應系統包括若干站點，所述站點包括若干現場控制站、一操作站和一監 控站，所述各站點的數據通訊方法採用CAN總線通信，所述CAN總線採用標準拓樸結構由主 幹和分枝連接而成，所述各站點分別連接在各分枝上。進一步，所述分枝和主幹通過三通接線盒連接。進一步，分枝、主幹與三通接線盒之間的連接分別採用兩副端子，一副是USB端子 接插件，另一副是針孔結構端子。進一步，每個分枝設有用於將分枝和主幹連接或斷開的總線開關。進一步，每個分枝兩側的主幹上分別接有終端電阻開關和終端電阻，一旦哪個站 點位於終端，該終端電阻開關開啟。進一步，所述現場控制站和操作站及監控站之間的信號傳輸速率為50k波特每秒。進一步，所述操作站包括的可編程總線控制器PLVC，所述可編程總線控制器具有 實時對總線進行自診斷的用戶程序。進一步，所述操作站具有記憶功能，可以偵測現場控制站的存在或丟失。進一步，所述現場控制站具有向操作站通知脫離或接入狀態的功能。本發明的有益效果如下本發明深基坑施工鋼支撐軸力自適應系統的數據通信系統及方法，採用CAN總線 來實現數據採集和控制指令發送，站與站之間採用方便的接插件技術並賦以新型可靠的穩 定技術，如①高性能的總線拓樸結構技術；②方便實用的現場接線技術；③高可靠性的觸 點連接技術；④總線傳輸波特率的計算並優化技術；⑤完善的診斷和錯誤恢復技術；⑥終 端電阻的靈活接入或關閉技術；⑦總線成員自由增減技術，從而確保數據傳輸可靠、安全， 同時滿足了工地現場的方便使用，最終實現建築工程深基坑施工時對鋼支撐軸力的實時補 償，以減少基坑的變形，確保管線等建築物(如運行中的地鐵等)的安全。


本發明的深基坑施工鋼支撐軸力自適應系統的數據通信系統及方法由以下的實 施例及附圖給出。圖1是深基坑施工鋼支撐軸力自適應系統的數據通信系統的應用示意圖；圖2是CAN總線數據通信系統的原理圖；圖中，I-CAN總線，11-主幹、12-分枝2_監控站，3_操作站，4_現場控制站，51-液 壓泵站、52-千斤頂，6-鋼支撐、7-終端電阻。
具體實施例方式以下將對本發明的深基坑施工鋼支撐軸力自適應系統的數據通信系統作進一步 的詳細描述。
請參閱圖1，圖1所示為深基坑施工鋼支撐軸力自適應系統的數據通信系統的應用示意圖。這種深基坑施工鋼支撐軸力自適應系統的數據通信系統，所述深基坑施工鋼支 撐軸力自適應系統包括若干站點，所述站點包括若干現場控制站4、一操作站3和一監控站 2。所述數據通信系統採用CAN總線1，所述各站點通過所述CAN總線1連接通信，所述CAN 總線採用標準拓樸結構由主幹11和分枝12連接而成，所述各站點分別連接在各分枝12 上，請結合參閱圖2，圖2是CAN總線數據通信系統的原理圖。本實施例中，所述深基坑施工鋼支撐軸力自適應實時補償系統，包括6臺現場控 制站4、18臺液壓比例伺服控制泵站裝置、72個檢測元件(圖中未示意)、1臺操作站3和1 臺監控站2。所述現場控制站4、操作站3和監控站2通過CAN總線1連接通信。CAN總線 1(即Controller Area Network，控制器區域網路)屬於現場總線的範疇，它是一種有效支 持分布式控制或實時控制的串行通信網絡，它與一般的通信總線相比，CAN總線的數據通信 具有突出的可靠性、實時性和靈活性。請參閱圖1，每個所述現場控制站4與若干所述液壓比例伺服控制泵站裝置連接。請參閱圖4，圖4是每套液壓比例伺服控制泵站裝置的伺服原理圖。每套液壓比例伺服控制 泵站裝置包括一液壓泵站51和4個千斤頂52，所述液壓泵站51分別與所述千斤頂52連接 並控制各千斤頂52支撐各自對應的鋼支撐6，所述鋼支撐6沿基坑邊一字排開並就間隔設置。每個所述檢測元件分別檢測各個千斤頂52的運行情況，並將該信息反饋到所屬 的現場控制站4，再由該現場控制站4該該信息反饋到監控站2和操作站3。也就是說，每個 現場控制站4可以通過12個檢測元件分別採集12個千斤頂52的實際壓力值，並通過CAN 總線1將該實際壓力值傳送至監控站2和操作站3。而且每個現場控制站4接受來自監控 站2或操作站3的控制指令，通過液壓泵站51控制對應的千斤頂52的運行(包括壓力調 節，伸縮動作等)。每臺現場控制站4主要包括兩隻可編程總線控制器PLVC和與其配套可 編程總線控制器軟體等。所述監控站2用以監控各液壓泵站51的實時運行情況並設定各千斤頂52的設定 壓力值；以及顯示和輸出各千斤頂52的實際壓力值。各液壓泵站51的實時運行情況，包括 各油箱壓力(即各液壓泵站51的自身壓力，也就是各液壓泵站51所對應的千斤頂52的實 際壓力值，也就是該千斤頂52所對應鋼支撐6的壓力值)、泵站狀態(包括電機正常、過流 跳閘、液位、傳感器電氣故障、傳感器冗餘狀態、液壓閥電氣故障等狀態信息)。其中，油箱 壓力(即千斤頂52的實際壓力值)和設定壓力(即設定壓力值)以圖形化形式顯示。所 述監控站2可設定各千斤頂52的設定壓力值。所述監控站2可通過現場控制站4所連接 的檢測元件實時採集各千斤頂52的實際壓力值並將該各個時段的實際壓力值存儲到計算 機硬碟以進行長期保存。各千斤頂52的實際壓力值可按要求(如時間段等)以圖形形式 顯示，並可通過列印報表方式輸出，也可將通過EXCEL表格將各千斤頂52的實際壓力值導 出。所述監控站2的數量為1套，主要包括1套PC上位機及配套的PC監控軟體(用戶程 序)等。所述操作站3用以監控各液壓泵站51的實時運行情況並設定各千斤頂52的設定 壓力值(即對各千斤頂52的運行參數進行設定)；以及集中顯示各液壓泵站51的故障。所 述操作站3數量的1套，主要包括1隻10. 4寸的HMI工業觸控螢幕及其配套的HMI工業觸摸 屏軟體；1套PLVC可編程總線控制器及配套的可編程總線控制器軟體等。
這種深基坑施工鋼支撐軸力自適應系統的數據通信方法，所述深基坑施工鋼支撐 軸力自適應系統包括若干站點，所述站點包括若干現場控制站4、一操作站4和一監控站3， 所述各站點的數據通訊方法採用CAN總線1通信，所述CAN總線1採用標準拓樸結構由主 幹11和分枝12連接而成，所述各站點分別連接在各分枝12上。圖2所示是CAN總線數據通信系統的原理圖。從圖2可見，所述CAN總線由主幹 11和分枝12連接而成，為主幹-分枝結構，而不是星形結構。主幹11的兩端盡頭並接120 歐姆的終端電阻7各一個。分枝12的長度不超過一米。所述現場控制站4、操作站3和監 控站2分別連接在各分枝12上。各相鄰分枝之間的距離不相等，即節點間不等間距。優選，所述分枝12和主幹11通過三通接線盒實現連接，從而方便現場接線操作。優選，所述分枝12、主幹11與三通接線盒之間的連接分別採用冗餘手段，即每個 接點採用雙副端子，一副總線通訊專用端子(即USB端子插接件)和一副普通端子(即針 孔結構的端子)。USB端子插接件比針孔結構的端子具有更高的可靠性。另外，採用兩個端 子可以進一步保證良好的接觸效果。每個分枝12兩側的主幹11上分別接有終端電阻開關和終端電阻7，一旦哪個站點 位於終端，該終端電阻開關開啟。由於每個現場控制站4都可能成為CAN總線網絡的首節點或末節點，而且主幹11 的兩端需接一個阻值為120歐姆的終端電阻7。所述終端電阻7所起的作用是，由於總線 通信距離通常都比較長，終端電阻7可以減緩信號衰減，增強總線信號，確保總線信號的長 距離輸送質量。為了實現終端電阻7的靈活接入或關閉，可以在每個分枝12兩側的主幹 11上分別接有終端電阻開關和終端電阻，終端電阻開關用以開啟或關閉各自的終端電阻， 一旦哪個站點位於終端，則該終端電阻開關開啟。如此，可以實現終端電阻的靈活接入或關 閉，從而，增強了總線通信的平穩可靠性和出現問題後的自恢復能力，保證了數據採集和指 令發送工作的可靠進行。優選，在每個分枝12設有用於將分枝12和主幹11連接或斷開的總線開關，通過 該總線開關將CAN-Η、CAN-L接入或移出CAN總線網絡，從而實現總線成員(或稱分枝或節 點或站點)的自由增減。可以隨時增減CAN總線的成員，即在新增或刪除現場控制站4時 將節點從CAN總線中加入或刪除。為了保證所述現場控制站4和操作站3及監控站2之間的通訊安全可靠，站點間 的信號傳輸速率的選擇比較關鍵。由於波特率越低，總線可以傳輸的距離越長。經過計算 和優化，本總線使用50K波特率，即所述現場控制站4和操作站3及監控站2之間的信號傳 輸速率為50k波特每秒，來保證適合500米以內的通訊要求。事實上，50K波特率也適合IK 米的要求。為適應低波特率，要求數據傳輸量水平不能太高，否則總線負載太高將導致不能 將所有的數據成功發送。所有現場控制站4的PLVC每半秒向操作站3和監控站2發送一次數據，使用波特 率50K，使得CAN總線通訊負載率< 50%，處於一個比較低且可靠的水平，但是半秒一次的 發送頻率又完全符合壓力監測，數據採集的工作要求，沒有任何問題。總線負載率設計計算如下大約共有100個數據幀在以每秒2次的頻率發送，所有每半秒的比特數量即一次 發送的數據量為
100frame*8byte*8bit+100frame*25bits (libit COB-ID 加一些幀頭信息)= 8，900bit則每秒鐘發送數據量為8900*2 = 17，800bit50K波特率意味著每秒鐘可發送數據量為50bit*l，000 = 50, OOObit所以，總線數據通訊負載率為17，800/50，000 = 36%< 50%
由此可見，經過計算並優化，50K波特率的選取具有最佳合理性。優選，所述操作站3的PLVC即可編程總線控制器具有實時對總線進行自診斷的用 戶程序。如果總線錯誤頻繁則報障，通知操作員檢查是否有影響通訊的幹擾源存在。另外， 所述操作站3的PLVC的作業系統具有內置的總線診斷功能，如果總線錯誤頻繁將暫時關閉 總線通訊，然後在故障消失後自行恢復。因此，本深基坑施工鋼支撐軸力自適應系統的數據 通信系統具有自我診斷和錯誤恢復功能。優選，本發明的操作站3具有記憶功能，可以偵測現場控制站4的存在或丟失。即 可以隨時知曉CAN節點的意外丟失，從而發出報警信號。具體如下一旦某個現場控制站4 的PLVC接入CAN總線，就被操作站3的PLVC記憶，認為該現場控制站4的PLVC不再應該 自行脫離CAN總線。如果該現場控制站4的PLVC不能和操作站3的PLVC發生通訊，則認 為發生總線丟失故障，從而發出報警信號。優選，本發明具有現場控制站4的脫離或接入通知功能，即所述現場控制站具有 向操作站通知脫離或接入狀態的功能。如果某個現場控制站4的PLVC的確因完成工作而 應該被關閉電源從而脫離總線，則屬於正常工況的脫離，此時可以通過操作站3的觸控螢幕 操作，在泵站畫面中點擊「此泵站已下線」按鈕，來告知操作站3的PLVC使其知曉情況而不 報警。如果某個現場控制站4的PLVC沒有完成工作而發生脫離總線，則屬於不正常的工況 現象，此時應該告知操作站3的PLVC並立即報警。本發明深基坑施工鋼支撐軸力自適應系統的數據通信系統具有如下優點(1)性能可靠、穩定。由於總線系統設計採用了特殊的技術措施，如①嚴格遵循CAN總線標準拓撲結 構的要求；②在總線主幹的兩端盡頭並接終端電阻各120歐姆等；③接插件設計採用帶USB 端子的接插件，接線採用冗餘手段，即每個接點採用雙副端子，一副總線通訊專用端子和一 副普通端子，以保證良好的接觸效果。所以總線系統性能十分可靠、穩定。(2)溫度適應性強、寬泛。本發明深基坑施工鋼支撐軸力自適應實時補償系統可以在-30° +85°的溫度 範圍內正常工作，適應溫度變化能力強。(3)傳輸距離長、功能強。確保500米內的精確傳輸，最大可安全工作到1000米。(4)安全可靠性高。總線通信系統防護等級達IP65，防護等級高，適應戶外作業。(5)功能強大。①完善的診斷和錯誤恢復技術。②終端電阻的靈活接入或關閉技術。
③總線成員自由增減技術。(6)安裝簡單、維護方便。總線電纜+三通接線盒通過方便可靠的接插件可以方便的連接並可通過排除法 檢驗總線系統的故障等，維護方便。(7)使用方便。總線採用易於工地現場使用的三通接線盒，易於連接，使用十分方便。
總之，本發明賦以該數據通信系統多種總線數據通信穩定方法，使總線數據通信 系統在現場使用更方便，性能更安全可靠。本發明專用於深基坑鋼支撐軸力的實時補償，作 為數據採集和控制指令發送的橋梁，在深基坑鋼支撐軸力自動補償系統中起著十分關鍵的 重要作用。顯然，本領域的技術人員可以對本發明進行各種改動和變型而不脫離本發明的精 神和範圍。這樣，倘若本發明的這些修改和變型屬於本發明權利要求及其等同技術的範圍 之內，則本發明也意圖包含這些改動和變型在內。
權利要求
一種深基坑施工鋼支撐軸力自適應系統的數據通信系統，其特徵在於，所述深基坑施工鋼支撐軸力自適應系統包括若干站點，所述站點包括若干現場控制站、一操作站和一監控站，所述數據通信系統採用CAN總線，所述各站點通過所述CAN總線連接通信，所述CAN總線採用標準拓樸結構由主幹和分枝連接而成，所述各站點分別連接在各分枝上。
2.如權利要求1所述的深基坑施工鋼支撐軸力自適應系統的數據通信系統，其特徵在 於，所述分枝和主幹通過三通接線盒連接。
3.如權利要求2所述的深基坑施工鋼支撐軸力自適應系統的數據通信系統，其特徵在 於，分枝、主幹與三通接線盒之間的連接分別採用兩副端子，一副是USB端子接插件，另一 副是針孔結構端子。
4.如權利要求1所述的深基坑施工鋼支撐軸力自適應系統的數據通信系統，其特徵在 於，每個分枝設有用於將分枝和主幹連接或斷開的總線開關。
5.如權利要求1所述的深基坑施工鋼支撐軸力自適應系統的數據通信系統，其特徵在 於，每個分枝的長度小於一米。
6.如權利要求1所述的深基坑施工鋼支撐軸力自適應系統的數據通信系統，其特徵在 於，相鄰分枝之間距離不同。
7.如權利要求1所述的深基坑施工鋼支撐軸力自適應系統的數據通信系統，其特徵在 於，每個分枝兩側的主幹上分別接有終端電阻開關和終端電阻，一旦哪個站點位於終端，對 應的該終端電阻開關開啟。
8.一種深基坑施工鋼支撐軸力自適應系統的數據通信方法，其特徵在於，所述深基坑 施工鋼支撐軸力自適應系統包括若干站點，所述站點包括若干現場控制站、一操作站和一 監控站，所述各站點的數據通訊方法採用CAN總線通信，所述CAN總線採用標準拓樸結構由 主幹和分枝連接而成，所述各站點分別連接在各分枝上。
9.如權利要求8所述的深基坑施工鋼支撐軸力自適應系統的數據通信方法，其特徵在 於，所述分枝和主幹通過三通接線盒連接。
10.如權利要求9所述的深基坑施工鋼支撐軸力自適應系統的數據通信方法，其特徵 在於，分枝、主幹與三通接線盒之間的連接分別採用兩副端子，一副是USB端子接插件，另 一副是針孔結構端子。
11.如權利要求8所述的深基坑施工鋼支撐軸力自適應系統的數據通信方法，其特徵 在於，每個分枝設有用於將分枝和主幹連接或斷開的總線開關。
12.如權利要求8所述的深基坑施工鋼支撐軸力自適應系統的數據通信方法，其特徵 在於，每個分枝兩側的主幹上分別接有終端電阻開關和終端電阻，一旦哪個站點位於終端， 該終端電阻開關開啟。
13.如權利要求8所述的深基坑施工鋼支撐軸力自適應系統的數據通信方法，其特徵 在於，所述現場控制站和操作站及監控站之間的信號傳輸速率為50k波特每秒。
14.如權利要求8所述的深基坑施工鋼支撐軸力自適應系統的數據通信方法，其特徵 在於，所述操作站包括的可編程總線控制器PLVC，所述可編程總線控制器具有實時對總線 進行自診斷的用戶程序。
15.如權利要求8所述的深基坑施工鋼支撐軸力自適應系統的數據通信方法，其特徵 在於，所述操作站具有記憶功能，可以偵測現場控制站的存在或丟失。
16.如權利要求8所述的深基坑施工鋼支撐軸力自適應系統的數據通信方法，其特徵 在於，所述現場控制站具有向操作站通知脫離或接入狀態的功能。
全文摘要
本發明公開了一種深基坑施工鋼支撐軸力自適應系統的數據通信系統，所述深基坑施工鋼支撐軸力自適應系統包括若干站點，站點包括若干現場控制站、一操作站和一監控站，所述數據通信系統採用CAN總線，各站點通過CAN總線通信系統連接通信，CAN總線採用標準拓樸結構由主幹和分枝連接而成，各站點分別連接在各分枝上。本發明還公開了一種深基坑施工鋼支撐軸力自適應系統的數據通信方法。本發明賦以該數據通信系統多種總線數據通信穩定方法，使總線數據通信系統在現場使用更方便，性能更安全可靠。本發明專用於深基坑鋼支撐軸力的實時補償，作為數據採集和控制指令發送的橋梁，在深基坑鋼支撐軸力自動補償系統中起著十分關鍵的重要作用。
文檔編號E02D17/04GK101848127SQ20101016967
公開日2010年9月29日 申請日期2010年5月7日 優先權日2010年5月7日
發明者周承恩, 顧國明 申請人:上海建工(集團)總公司