天津西站主站樓平移動力控制系統(tǒng)設計

□文/楊 勇 張建政 顏秉瑋 李 飛

□張建政/天津鐵路建設投資控股（集團）有限公司。

□顏秉瑋、李 飛/天津城建集團天演建筑物頂升移位工程有限公司。

天津西站主站樓平移動力控制系統(tǒng)設計

□文/楊 勇 張建政 顏秉瑋 李 飛

文章以天津西站主站樓的平移工程為背景，從工程的具體需求出發(fā)，闡述了同步頂推控制系統(tǒng)的組成和工作原理。

天津西站；主站樓；平移；液壓；控制系統(tǒng)；動力

隨著城市化進程的不斷加快、高速鐵路的大力建設，天津西站主站樓列在京滬高鐵西站站區(qū)總體拆建規(guī)劃中，從保護文物的角度出發(fā)，實施西站主站樓整體平移。平移控制系統(tǒng)的設計將直接影響天津西站主站樓平移的成功與否。

1 平移工藝原理

建筑物平移的位移作為主要控制參數(shù)，將收集到的位移信號比較計算，該數(shù)據(jù)轉換成壓力信號發(fā)送給PLC泵站系統(tǒng)，從而控制各點的液壓千斤頂頂推動作。通過各受控點之間的精確控制動作，整個同步控制系統(tǒng)達到一種運動中同步的目的，使建筑物在保持現(xiàn)有姿態(tài)的情況下進行整體移位。這種同步移位工藝可以保證建筑物在移位過程中產(chǎn)生的形變非常小，完全控制在建筑物允許產(chǎn)生的形變范圍內，從而保證建筑物現(xiàn)有結構的安全，見圖1。

2.1 人機交換界面

該系統(tǒng)主要由組態(tài)軟件監(jiān)控系統(tǒng)和PLC控制系統(tǒng)組成，下面分別介紹這兩大系統(tǒng)在西站主站樓平移過程中起到的作用。

2 組態(tài)軟件設計

組態(tài)（Configuration）是指多個不同模塊間的任意組合。采用組態(tài)技術構成的計算機系統(tǒng)在硬件設計上，除采用工業(yè)PC機外，大量采用各種成熟通用的I/O借口設備和現(xiàn)場設備，基本不需要單獨進行具體電路設計。不僅節(jié)約了硬件開發(fā)時間，更提高了工控系統(tǒng)的可靠性。在軟件設計上由于采用成熟的工控專用組態(tài)軟件進行系統(tǒng)設計，軟件開發(fā)的周期大大縮短[1]。組態(tài)軟件開發(fā)設計中分為人機交互界面、數(shù)據(jù)記錄部分、實時數(shù)據(jù)庫組態(tài)和控制策略模塊4個分組。

人機交換圖形界面組態(tài)就是用生動的圖形界面、逼真的動畫效果來描述實際工程問題。圖形界面是由一個或多個用戶窗口組合而成的，在用戶窗口中，通過對多種圖形對象的組態(tài)設置，建立相應的動畫連接，用清晰生動的畫面反映平移控制過程。用戶窗口內的圖形對象是以“所見即所得”的方式來構造的，也就是說，組態(tài)時用戶窗口內的圖形對象是什么樣，運行時就是什么樣，同時打印出來的結果也不變。因此，用戶窗口除了構成圖形界面以外，還可以作為報表中的一頁來打印。把用戶窗口視區(qū)的大小設置成對應紙張的大小，就可以打印出由各種復雜圖形組成的報表。根據(jù)平移工程施工要求確定工程界面，其平移主界面見圖2。

在平移主界面上，顯示出A、B兩個泵站連接的液壓缸A1-A6、B1-B5頂推著西站主站樓。表格分別顯示各泵站液壓缸壓力的實際值和設定值，位移的實際值和累計值，表示跟變量參數(shù)關聯(lián)，在組態(tài)軟件運行過程中，該符號顯示關聯(lián)變量的實際值。點擊圖中相應泵站的液壓缸，即可設定該液壓缸的參數(shù)。

位移傳感器和液壓缸之間的分組關聯(lián)是任意的，根據(jù)工程實際布置情況現(xiàn)場關聯(lián)，位移傳感器并不固定屬于某PLC的某一缸。這種設計方案增加了裝備的通用性。實現(xiàn)液壓缸和位移傳感器的任意組合。

2.2 數(shù)據(jù)記錄部分

1）數(shù)據(jù)庫界面

數(shù)據(jù)庫界面是專門為了記錄某些特殊工況的壓力和位移而設計的，通過選擇數(shù)據(jù)庫路徑、連接數(shù)據(jù)庫、創(chuàng)建表格、連接表格等操作之后，就可以隨時記錄數(shù)據(jù)和刪除數(shù)據(jù)，為以后進行分析研究提供寶貴工程資料。

2）歷史趨勢界面

歷史趨勢界面功能主要是以曲線的方式顯示各缸頂推過程中各個時刻的壓力和位移，由此可以很容易地看出壓力、位移的變化趨勢，通過歷史趨勢界面可以在西站主站樓平移過程中出現(xiàn)問題進行及時分析。

2.3 實時數(shù)據(jù)庫組態(tài)

實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)由管理器和運行系統(tǒng)組成，實時數(shù)據(jù)庫將組態(tài)數(shù)據(jù)、實時數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)等以一定的組織形式存儲在介質上。實時數(shù)據(jù)庫運行系統(tǒng)可以完成對生產(chǎn)實時數(shù)據(jù)的各種操作：如實時數(shù)據(jù)處理、歷史數(shù)據(jù)存儲、統(tǒng)計數(shù)據(jù)處理、報警處理、數(shù)據(jù)服務請求處理等。管理器是管理實時數(shù)據(jù)庫的開發(fā)環(huán)境（DbManager），通過DbManager可以生成實時數(shù)據(jù)庫的基礎組態(tài)數(shù)據(jù)，來供運行系統(tǒng)調用。

2.4 控制策略模塊

三維力控組態(tài)軟件提供了常規(guī)PID控制、比值控制、開關控制、斜坡控制。從實時數(shù)據(jù)庫中讀取采樣值1到采樣值k，k為歷史采樣個數(shù)，實時數(shù)據(jù)庫中的采樣值是實時更新的，新數(shù)據(jù)不斷替換舊數(shù)據(jù)。通過預測，得到n個采樣周期之后的預測采樣值k＋n并將其保存到實時數(shù)據(jù)庫中。然后，從實時數(shù)據(jù)庫中讀取設定值和預測采樣值k＋n，進行比較，得到誤差和誤差變化率，將其送入模糊控制器，進行模糊化處理、模糊規(guī)則推理、逆模糊化，得到控制輸出并將其保存到實時數(shù)據(jù)庫，供I/O設備調用。

3 可編程控制器PLC(ProgrammableLogic Controller)

PLC控制系統(tǒng)是作為整個系統(tǒng)的底層核心所在，它是連接系統(tǒng)硬件的一個中樞神經(jīng)，組態(tài)軟件通過連接PLC進行復雜的程序操作。PLC作為一種新型的、通用的可編程控制裝置，用軟件編程代替原有的繼電器硬件布線控制，具有功能強、可靠性高、使用靈活方便、易于編程以及工業(yè)環(huán)境適應性強等諸多特點。在天津西站主站樓平移工程中應用PLC同時結合組態(tài)軟件，創(chuàng)建了安全監(jiān)控的軟件平臺，為自動控制系統(tǒng)構建檢測和故障監(jiān)控系統(tǒng)[2]。

3.1 PLC硬件

經(jīng)過多方調研采用日本OMRON公司CJ系列PLC，PLC各輸入、輸出單元模塊在控制系統(tǒng)中的功能見圖3。

圖3 PLC各輸入和輸出單元功能

1）數(shù)字量輸入單元接收泵站啟動、停止以及急停按鈕信號并將其傳送到組態(tài)實時數(shù)據(jù)庫中，存儲在數(shù)字量輸入數(shù)據(jù)區(qū)，隨時供系統(tǒng)調用。

2）數(shù)字量輸出單元每一掃描周期都要從實時數(shù)據(jù)庫中的數(shù)字量輸出數(shù)據(jù)區(qū)提取控制信號并將其傳送到相應的執(zhí)行機構，控制油泵電機、油泵卸荷、頂升或推進、下降或收缸以及液控單向閥的反向壓力開啟。

3）模擬量輸入單元主要是采集壓力傳感器組和位移傳感器組送來的信號并將信號存儲到實時數(shù)據(jù)庫中的模擬量輸入數(shù)據(jù)區(qū)，以供人機交互界面顯示數(shù)據(jù)和控制策略判斷下一時刻輸出。

4）模擬量輸出單元則是把實時數(shù)據(jù)庫模擬量輸出數(shù)據(jù)區(qū)中的控制輸出值輸出到對應的電液比例減壓閥控制器，控制執(zhí)行機構動作。

3.2 PLC編程環(huán)境

OMRON公司的PLC系列的編程軟件為CX-Programmer，該軟件為梯形邏輯編程提供了靈活性大、可靠性高、生產(chǎn)率高的編程環(huán)境。

CX-Programmer軟件提供了豐富的編程指令，例如繼電器類型指令、計時和計數(shù)指令、比較指令、邏輯和算術計算指令、轉換和傳送指令、文件指令、位移寄存器指令、順序器指令、程序控制指令、過程控制和信息指令、塊傳送指令等，利用這些豐富的指令集開發(fā)人員可以編寫出滿足工業(yè)控制的PLC運行程序。結合軟件的仿真功能，用戶可以在啟動和運行前測試和調試所有的梯形圖邏輯程序。所編寫好的程序經(jīng)過編譯測試通過后，下載到PLC的存儲器中就可以獨立運行，從而實現(xiàn)了PLC對現(xiàn)場設備的過程控制。

4 液壓控制系統(tǒng)

為了實現(xiàn)多缸施力同步控制的技術要求，每個液壓缸配以電液比例減壓閥和壓力傳感器，組成快速閉環(huán)調壓回路，每個液壓缸的動作情況直接受控于電液比例減壓閥。考慮到百年建筑平移施工的平穩(wěn)性和安全性，出缸速度較慢，最大速度30mm/min。其控制方法根據(jù)電液比例減壓閥出口和液壓缸之間流量確定

式中：l=50m，為高壓軟管長度；d=10mm，為高壓軟管孔徑；μ為動力粘度；PA為電液比例減壓閥出口壓力；P為由載荷產(chǎn)生的液壓缸內部壓力，即平衡壓力。

通過實時改變電液比例減壓閥出口壓力PA，調整高壓軟管兩端的壓差，使流過高壓軟管的流量實時改變，進而達到控制液壓缸速度的目的。當PA＞P時，q為正，液壓缸大腔供油，活塞伸出；當PA＜P時，q為負，液壓缸大腔回油，活塞在外載荷作用下縮回；當PA=P時，q為0，液壓缸停止運動。流量調整不能超過該電液比例減壓閥的額定流量，雖有一定的局限性，但能夠滿足工程的實際需求。

5 結語

通過對組態(tài)控制系統(tǒng)、PLC控制系統(tǒng)和液壓控制系統(tǒng)，各個系統(tǒng)之間實時數(shù)據(jù)處理、歷史數(shù)據(jù)存儲、統(tǒng)計數(shù)據(jù)處理、報警處理、數(shù)據(jù)服務請求處理等平移動力控制系統(tǒng)設計，使西站主站樓平移工程得到了順利實施。整個平移過程的控制實現(xiàn)了計算機自行比較、對比發(fā)出指令，操作員僅僅是對每次行程的位移、壓力上限進行設定，確保了西站主站樓平移的順利實施，也為今后建筑物平移留下了寶貴的資料。

[1]袁秀英.組態(tài)控制技術[M].北京：電子工業(yè)出版社，2003.

[2]錢 昕.基于PLC控制的八層電梯及組態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)設計[J].蘇州工職院，2008，（1）：10-12.

TU746.4

C

1008-3197（2011）02-10-03

2011-02-21

楊 勇/男，1981年出生，工程師，天津城建集團天演建筑物頂升移位工程有限公司主任工程師，從事建筑物頂升移位技術研究工作。

□張建政/天津鐵路建設投資控股（集團）有限公司。

□顏秉瑋、李 飛/天津城建集團天演建筑物頂升移位工程有限公司。