深基坑施工钢支撑轴力自适应系统的数据通信系统及方法.pdf

本发明公开了一种深基坑施工钢支撑轴力自适应系统的数据通信系统，所述深基坑施工钢支撑轴力自适应系统包括若干站点，站点包括若干现场控制站、一操作站和一监控站，所述数据通信系统采用CAN总线，各站点通过CAN总线通信系统连接通信，CAN总线采用标准拓朴结构由主干和分枝连接而成，各站点分别连接在各分枝上。本发明还公开了一种深基坑施工钢支撑轴力自适应系统的数据通信方法。本发明赋以该数据通信系统多种总线数据通信稳定方法，使总线数据通信系统在现场使用更方便，性能更安全可靠。本发明专用于深基坑钢支撑轴力的实时补偿，作为数据采集和控制指令发送的桥梁，在深基坑钢支撑轴力自动补偿系统中起着十分关键的重要作用。

1.  一种深基坑施工钢支撑轴力自适应系统的数据通信系统，其特征在于，所述深基坑施工钢支撑轴力自适应系统包括若干站点，所述站点包括若干现场控制站、一操作站和一监控站，所述数据通信系统采用CAN总线，所述各站点通过所述CAN总线连接通信，所述CAN总线采用标准拓朴结构由主干和分枝连接而成，所述各站点分别连接在各分枝上。

2.  如权利要求1所述的深基坑施工钢支撑轴力自适应系统的数据通信系统，其特征在于，所述分枝和主干通过三通接线盒连接。

3.  如权利要求2所述的深基坑施工钢支撑轴力自适应系统的数据通信系统，其特征在于，分枝、主干与三通接线盒之间的连接分别采用两副端子，一副是USB端子接插件，另一副是针孔结构端子。

4.  如权利要求1所述的深基坑施工钢支撑轴力自适应系统的数据通信系统，其特征在于，每个分枝设有用于将分枝和主干连接或断开的总线开关。

5.  如权利要求1所述的深基坑施工钢支撑轴力自适应系统的数据通信系统，其特征在于，每个分枝的长度小于一米。

6.  如权利要求1所述的深基坑施工钢支撑轴力自适应系统的数据通信系统，其特征在于，相邻分枝之间距离不同。

7.  如权利要求1所述的深基坑施工钢支撑轴力自适应系统的数据通信系统，其特征在于，每个分枝两侧的主干上分别接有终端电阻开关和终端电阻，一旦哪个站点位于终端，对应的该终端电阻开关开启。

8.  一种深基坑施工钢支撑轴力自适应系统的数据通信方法，其特征在于，所述深基坑施工钢支撑轴力自适应系统包括若干站点，所述站点包括若干现场控制站、一操作站和一监控站，所述各站点的数据通讯方法采用CAN总线通信，所述CAN总线采用标准拓朴结构由主干和分枝连接而成，所述各站点分别连接在各分枝上。

9.  如权利要求8所述的深基坑施工钢支撑轴力自适应系统的数据通信方法，其特征在于，所述分枝和主干通过三通接线盒连接。

10.  如权利要求9所述的深基坑施工钢支撑轴力自适应系统的数据通信方法，其特征在于，分枝、主干与三通接线盒之间的连接分别采用两副端子，一副是USB端子接插件，另一副是针孔结构端子。

11.  如权利要求8所述的深基坑施工钢支撑轴力自适应系统的数据通信方法，其特征在于，每个分枝设有用于将分枝和主干连接或断开的总线开关。

12.  如权利要求8所述的深基坑施工钢支撑轴力自适应系统的数据通信方法，其特征在于，每个分枝两侧的主干上分别接有终端电阻开关和终端电阻，一旦哪个站点位于终端，该终端电阻开关开启。

13.  如权利要求8所述的深基坑施工钢支撑轴力自适应系统的数据通信方法，其特征在于，所述现场控制站和操作站及监控站之间的信号传输速率为50k波特每秒。

14.  如权利要求8所述的深基坑施工钢支撑轴力自适应系统的数据通信方法，其特征在于，所述操作站包括的可编程总线控制器PLVC，所述可编程总线控制器具有实时对总线进行自诊断的用户程序。

15.  如权利要求8所述的深基坑施工钢支撑轴力自适应系统的数据通信方法，其特征在于，所述操作站具有记忆功能，可以侦测现场控制站的存在或丢失。

16.  如权利要求8所述的深基坑施工钢支撑轴力自适应系统的数据通信方法，其特征在于，所述现场控制站具有向操作站通知脱离或接入状态的功能。

深基坑施工钢支撑轴力自适应系统的数据通信系统及方法
技术领域
本发明属于深基坑施工领域，尤其涉及一种应用于深基坑施工钢支撑轴力自适应系统的数据通信及方法。
背景技术
伴随着城市轨道交通的大发展，加之土地资源的极度紧缺，近邻地铁的深基坑工程日益增多。我们不得不面临一个问题，地铁的安全问题。目前基坑开挖已趋于大规模化及大深度化，且施工多以明挖顺作法为主，众所周知，深基坑明挖施工往往伴随着极强的环境效应，若不对深基坑施工进行严格的变形控制，邻近的地铁会因为较大变形而影响其正常使用，严重时甚至引发事故，所造成的经济损失和社会影响是不可估量的。因此，超深基坑施工对邻近地铁的安全影响控制已逐渐演化为现代基坑工程研究的主要方向之一。目前，在上海等软土地区城市深基坑的开挖支护常用钢筋砼支撑和Φ609×δ16的钢支撑。一般钢支撑时，均按设计要求施加预应力。但在施工时，随着时间的推移，钢支撑上所加的预应力会降低，有时会降低很多，甚至降低量达50％以上，而且此时又很难去往钢支撑上施加支撑轴力，故极易引起墙体位移。当位移过大时，将直接影响基坑旁边运营中地铁的安全。
所以，如何设计了一套能有效控制深基坑施工变形并确保运行地铁隧道安全的深基坑施工钢支撑轴力自适应实时补偿与监控系统是本领域的重要课题，其中钢支撑轴力自适应系统的数据通信系统及方法，作为深基坑钢支撑轴力实时补偿与监控系统数据采集和控制指令发送的桥梁，在深基坑钢支撑轴力自动补偿系统中起着十分关键的重要作用，是我们亟待解决的一个技术问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种深基坑施工钢支撑轴力自适应系统的数据通信系统及方法，确保自适应系统数据传输安全、可靠，实现建筑工程深基坑施工时钢支撑轴力的实时补偿，以减少基坑的变形，确保周围管线及建筑物的安全。
为了达到上述的目的，本发明采用如下技术方案：
一种深基坑施工钢支撑轴力自适应系统的数据通信系统，所述深基坑施工钢支撑轴力自适应系统包括若干站点，所述站点包括若干现场控制站、一操作站和一监控站，所述数据通信系统采用CAN总线，所述各站点通过所述CAN总线连接通信，所述CAN总线采用标准拓朴结构由主干和分枝连接而成，所述各站点分别连接在各分枝上。
进一步，所述分枝和主干通过三通接线盒连接。
进一步，分枝、主干与三通接线盒之间的连接分别采用两副端子，一副是USB端子接插件，另一副是针孔结构端子。
进一步，每个分枝设有用于将分枝和主干连接或断开的总线开关。
进一步，每个分枝的长度小于一米。
进一步，相邻分枝之间距离不同。
进一步，每个分枝两侧的主干上分别接有终端电阻开关和终端电阻，一旦哪个站点位于终端，该终端电阻开关开启。
还公开了一种深基坑施工钢支撑轴力自适应系统的数据通信方法，所述深基坑施工钢支撑轴力自适应系统包括若干站点，所述站点包括若干现场控制站、一操作站和一监控站，所述各站点的数据通讯方法采用CAN总线通信，所述CAN总线采用标准拓朴结构由主干和分枝连接而成，所述各站点分别连接在各分枝上。
进一步，所述分枝和主干通过三通接线盒连接。
进一步，分枝、主干与三通接线盒之间的连接分别采用两副端子，一副是USB端子接插件，另一副是针孔结构端子。
进一步，每个分枝设有用于将分枝和主干连接或断开的总线开关。
进一步，每个分枝两侧的主干上分别接有终端电阻开关和终端电阻，一旦哪个站点位于终端，该终端电阻开关开启。
进一步，所述现场控制站和操作站及监控站之间的信号传输速率为50k波特每秒。
进一步，所述操作站包括的可编程总线控制器PLVC，所述可编程总线控制器具有实时对总线进行自诊断的用户程序。
进一步，所述操作站具有记忆功能，可以侦测现场控制站的存在或丢失。
进一步，所述现场控制站具有向操作站通知脱离或接入状态的功能。
本发明的有益效果如下：
本发明深基坑施工钢支撑轴力自适应系统的数据通信系统及方法，采用CAN总线来实现数据采集和控制指令发送，站与站之间采用方便的接插件技术并赋以新型可靠的稳定技术，如①高性能的总线拓朴结构技术；②方便实用的现场接线技术；③高可靠性的触点连接技术；④总线传输波特率的计算并优化技术；⑤完善的诊断和错误恢复技术；⑥终端电阻的灵活接入或关闭技术；⑦总线成员自由增减技术，从而确保数据传输可靠、安全，同时满足了工地现场的方便使用，最终实现建筑工程深基坑施工时对钢支撑轴力的实时补偿，以减少基坑的变形，确保管线等建筑物(如：运行中的地铁等)的安全。
附图说明
本发明的深基坑施工钢支撑轴力自适应系统的数据通信系统及方法由以下的实施例及附图给出。
图1是深基坑施工钢支撑轴力自适应系统的数据通信系统的应用示意图；
图2是CAN总线数据通信系统的原理图；
图中，1-CAN总线，11-主干、12-分枝2-监控站，3-操作站，4-现场控制站，51-液压泵站、52-千斤顶，6-钢支撑、7-终端电阻。
具体实施方式
以下将对本发明的深基坑施工钢支撑轴力自适应系统的数据通信系统作进一步的详细描述。
请参阅图1，图1所示为深基坑施工钢支撑轴力自适应系统的数据通信系统的应用示意图。这种深基坑施工钢支撑轴力自适应系统的数据通信系统，所述深基坑施工钢支撑轴力自适应系统包括若干站点，所述站点包括若干现场控制站4、一操作站3和一监控站2。所述数据通信系统采用CAN总线1，所述各站点通过所述CAN总线1连接通信，所述CAN总线采用标准拓朴结构由主干11和分枝12连接而成，所述各站点分别连接在各分枝12上，请结合参阅图2，图2是CAN总线数据通信系统的原理图。
本实施例中，所述深基坑施工钢支撑轴力自适应实时补偿系统，包括：6台现场控制站4、18台液压比例伺服控制泵站装置、72个检测元件(图中未示意)、1台操作站3和1台监控站2。所述现场控制站4、操作站3和监控站2通过CAN总线1连接通信。CAN总线1(即Controller Area Network，控制器局域网络)属于现场总线的范畴，它是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络，它与一般的通信总线相比，CAN总线的数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性。
请参阅图1，每个所述现场控制站4与若干所述液压比例伺服控制泵站装置连接。请参阅图4，图4是每套液压比例伺服控制泵站装置的伺服原理图。每套液压比例伺服控制泵站装置包括一液压泵站51和4个千斤顶52，所述液压泵站51分别与所述千斤顶52连接并控制各千斤顶52支撑各自对应的钢支撑6，所述钢支撑6沿基坑边一字排开并就间隔设置。
每个所述检测元件分别检测各个千斤顶52的运行情况，并将该信息反馈到所属的现场控制站4，再由该现场控制站4该该信息反馈到监控站2和操作站3。也就是说，每个现场控制站4可以通过12个检测元件分别采集12个千斤顶52的实际压力值，并通过CAN总线1将该实际压力值传送至监控站2和操作站3。而且每个现场控制站4接受来自监控站2或操作站3的控制指令，通过液压泵站51控制对应的千斤顶52的运行(包括压力调节，伸缩动作等)。每台现场控制站4主要包括两只可编程总线控制器PLVC和与其配套可编程总线控制器软件等。
所述监控站2用以监控各液压泵站51的实时运行情况并设定各千斤顶52的设定压力值；以及显示和输出各千斤顶52的实际压力值。各液压泵站51的实时运行情况，包括各油箱压力(即各液压泵站51的自身压力，也就是各液压泵站51所对应的千斤顶52的实际压力值，也就是该千斤顶52所对应钢支撑6的压力值)、泵站状态(包括电机正常、过流跳闸、液位、传感器电气故障、传感器冗余状态、液压阀电气故障等状态信息)。其中，油箱压力(即千斤顶52的实际压力值)和设定压力(即设定压力值)以图形化形式显示。所述监控站2可设定各千斤顶52的设定压力值。所述监控站2可通过现场控制站4所连接的检测元件实时采集各千斤顶52的实际压力值并将该各个时段的实际压力值存储到计算机硬盘以进行长期保存。各千斤顶52的实际压力值可按要求(如时间段等)以图形形式显示，并可通过打印报表方式输出，也可将通过EXCEL表格将各千斤顶52的实际压力值导出。所述监控站2的数量为1套，主要包括1套PC上位机及配套的PC监控软件(用户程序)等。
所述操作站3用以监控各液压泵站51的实时运行情况并设定各千斤顶52的设定压力值(即对各千斤顶52的运行参数进行设定)；以及集中显示各液压泵站51的故障。所述操作站3数量的1套，主要包括1只10.4寸的HMI工业触摸屏及其配套的HMI工业触摸屏软件；1套PLVC可编程总线控制器及配套的可编程总线控制器软件等。
这种深基坑施工钢支撑轴力自适应系统的数据通信方法，所述深基坑施工钢支撑轴力自适应系统包括若干站点，所述站点包括若干现场控制站4、一操作站4和一监控站3，所述各站点的数据通讯方法采用CAN总线1通信，所述CAN总线1采用标准拓朴结构由主干11和分枝12连接而成，所述各站点分别连接在各分枝12上。
图2所示是CAN总线数据通信系统的原理图。从图2可见，所述CAN总线由主干11和分枝12连接而成，为主干-分枝结构，而不是星形结构。主干11的两端尽头并接120欧姆的终端电阻7各一个。分枝12的长度不超过一米。所述现场控制站4、操作站3和监控站2分别连接在各分枝12上。各相邻分枝之间的距离不相等，即节点间不等间距。
优选，所述分枝12和主干11通过三通接线盒实现连接，从而方便现场接线操作。
优选，所述分枝12、主干11与三通接线盒之间的连接分别采用冗余手段，即每个接点采用双副端子，一副总线通讯专用端子(即USB端子插接件)和一副普通端子(即针孔结构的端子)。USB端子插接件比针孔结构的端子具有更高的可靠性。另外，采用两个端子可以进一步保证良好的接触效果。
每个分枝12两侧的主干11上分别接有终端电阻开关和终端电阻7，一旦哪个站点位于终端，该终端电阻开关开启。
由于每个现场控制站4都可能成为CAN总线网络的首节点或末节点，而且主干11的两端需接一个阻值为120欧姆的终端电阻7。所述终端电阻7所起的作用是，由于总线通信距离通常都比较长，终端电阻7可以减缓信号衰减，增强总线信号，确保总线信号的长距离输送质量。为了实现终端电阻7的灵活接入或关闭，可以在每个分枝12两侧的主干11上分别接有终端电阻开关和终端电阻，终端电阻开关用以开启或关闭各自的终端电阻，一旦哪个站点位于终端，则该终端电阻开关开启。如此，可以实现终端电阻的灵活接入或关闭，从而，增强了总线通信的平稳可靠性和出现问题后的自恢复能力，保证了数据采集和指令发送工作的可靠进行。
优选，在每个分枝12设有用于将分枝12和主干11连接或断开的总线开关，通过该总线开关将CAN-H、CAN-L接入或移出CAN总线网络，从而实现总线成员(或称分枝或节点或站点)的自由增减。可以随时增减CAN总线的成员，即在新增或删除现场控制站4时将节点从CAN总线中加入或删除。
为了保证所述现场控制站4和操作站3及监控站2之间的通讯安全可靠，站点间的信号传输速率的选择比较关键。由于波特率越低，总线可以传输的距离越长。经过计算和优化，本总线使用50K波特率，即所述现场控制站4和操作站3及监控站2之间的信号传输速率为50k波特每秒，来保证适合500米以内的通讯要求。事实上，50K波特率也适合1K米的要求。为适应低波特率，要求数据传输量水平不能太高，否则总线负载太高将导致不能将所有的数据成功发送。
所有现场控制站4的PLVC每半秒向操作站3和监控站2发送一次数据，使用波特率50K，使得CAN总线通讯负载率＜50％，处于一个比较低且可靠的水平，但是半秒一次的发送频率又完全符合压力监测，数据采集的工作要求，没有任何问题。
总线负载率设计计算如下：
大约共有100个数据帧在以每秒2次的频率发送，所有每半秒的比特数量即一次发送的数据量为：
100frame*8byte*8bit+100frame*25bits(11bit COB-ID加一些帧头信息)＝8,900bit
则每秒钟发送数据量为8900*2＝17,800bit
50K波特率意味着每秒钟可发送数据量为：50bit*1,000＝50,000bit
所以，总线数据通讯负载率为：
17,800/50,000＝36％＜50％
由此可见，经过计算并优化，50K波特率的选取具有最佳合理性。
优选，所述操作站3的PLVC即可编程总线控制器具有实时对总线进行自诊断的用户程序。如果总线错误频繁则报障，通知操作员检查是否有影响通讯的干扰源存在。另外，所述操作站3的PLVC的操作系统具有内置的总线诊断功能，如果总线错误频繁将暂时关闭总线通讯，然后在故障消失后自行恢复。因此，本深基坑施工钢支撑轴力自适应系统的数据通信系统具有自我诊断和错误恢复功能。
优选，本发明的操作站3具有记忆功能，可以侦测现场控制站4的存在或丢失。即可以随时知晓CAN节点的意外丢失，从而发出报警信号。具体如下：一旦某个现场控制站4的PLVC接入CAN总线，就被操作站3的PLVC记忆，认为该现场控制站4的PLVC不再应该自行脱离CAN总线。如果该现场控制站4的PLVC不能和操作站3的PLVC发生通讯，则认为发生总线丢失故障，从而发出报警信号。
优选，本发明具有现场控制站4的脱离或接入通知功能，即所述现场控制站具有向操作站通知脱离或接入状态的功能。如果某个现场控制站4的PLVC的确因完成工作而应该被关闭电源从而脱离总线，则属于正常工况的脱离，此时可以通过操作站3的触摸屏操作，在泵站画面中点击“此泵站已下线”按钮，来告知操作站3的PLVC使其知晓情况而不报警。如果某个现场控制站4的PLVC没有完成工作而发生脱离总线，则属于不正常的工况现象，此时应该告知操作站3的PLVC并立即报警。
本发明深基坑施工钢支撑轴力自适应系统的数据通信系统具有如下优点：
(1)性能可靠、稳定。
由于总线系统设计采用了特殊的技术措施，如：①严格遵循CAN总线标准拓扑结构的要求；②在总线主干的两端尽头并接终端电阻各120欧姆等；③接插件设计采用带USB端子的接插件，接线采用冗余手段，即每个接点采用双副端子，一副总线通讯专用端子和一副普通端子，以保证良好的接触效果。所以总线系统性能十分可靠、稳定。
(2)温度适应性强、宽泛。
本发明深基坑施工钢支撑轴力自适应实时补偿系统可以在-30°～+85°的温度范围内正常工作，适应温度变化能力强。
(3)传输距离长、功能强。
确保500米内的精确传输，最大可安全工作到1000米。
(4)安全可靠性高。
总线通信系统防护等级达IP65，防护等级高，适应户外作业。
(5)功能强大。
①完善的诊断和错误恢复技术。
②终端电阻的灵活接入或关闭技术。
③总线成员自由增减技术。
(6)安装简单、维护方便。
总线电缆+三通接线盒通过方便可靠的接插件可以方便的连接并可通过排除法检验总线系统的故障等，维护方便。
(7)使用方便。
总线采用易于工地现场使用的三通接线盒，易于连接，使用十分方便。
总之，本发明赋以该数据通信系统多种总线数据通信稳定方法，使总线数据通信系统在现场使用更方便，性能更安全可靠。本发明专用于深基坑钢支撑轴力的实时补偿，作为数据采集和控制指令发送的桥梁，在深基坑钢支撑轴力自动补偿系统中起着十分关键的重要作用。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。