天津西站主站樓平移動力控制系統設計

□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，闡述了同步頂推控制系統的組成和工作原理。

天津西站；主站樓；平移；液壓；控制系統；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總體拆建規劃中，從保護文物的角度出發，實施西站主站樓整體平移。平移控制系統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，將收集到的位移信號比較計算，該數據轉換成壓力信號發送給PLC泵站系統，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，整個同步控制系統達到一種運動中同步的目的，使建筑物在保持現有姿態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生的形變非常小，完全控制在建筑物允許產生的形變范圍內，從而保證建筑物現有結構的安全，見圖1。

2.1 人機交換界面

該系統主要由組態軟件監控系統和PLC控制系統組成，下面分別介紹這兩大系統在西站主站樓平移過程中起到的作用。

2 組態軟件設計

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

人機交換圖形界面組態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，表示跟變量參數關聯，在組態軟件運行過程中，該符號顯示關聯變量的實際值。點擊圖中相應泵站的液壓缸，即可設定該液壓缸的參數。

位移傳感器和液壓缸之間的分組關聯是任意的，根據工程實際布置情況現場關聯，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。實現液壓缸和位移傳感器的任意組合。

2.2 數據記錄部分

1）數據庫界面

數據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，通過選擇數據庫路徑、連接數據庫、創建表格、連接表格等操作之后，就可以隨時記錄數據和刪除數據，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問題進行及時分析。

2.3 實時數據庫組態

實時數據庫系統由管理器和運行系統組成，實時數據庫將組態數據、實時數據、歷史數據等以一定的組織形式存儲在介質上。實時數據庫運行系統可以完成對生產實時數據的各種操作：如實時數據處理、歷史數據存儲、統計數據處理、報警處理、數據服務請求處理等。管理器是管理實時數據庫的開發環境（DbManager），通過DbManager可以生成實時數據庫的基礎組態數據，來供運行系統調用。

2.4 控制策略模塊

三維力控組態軟件提供了常規PID控制、比值控制、開關控制、斜坡控制。從實時數據庫中讀取采樣值1到采樣值k，k為歷史采樣個數，實時數據庫中的采樣值是實時更新的，新數據不斷替換舊數據。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據庫中。然后，從實時數據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、模糊規則推理、逆模糊化，得到控制輸出并將其保存到實時數據庫，供I/O設備調用。

3 可編程控制器PLC(ProgrammableLogic Controller)

PLC控制系統是作為整個系統的底層核心所在，它是連接系統硬件的一個中樞神經，組態軟件通過連接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、易于編程以及工業環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同時結合組態軟件，創建了安全監控的軟件平臺，為自動控制系統構建檢測和故障監控系統[2]。

3.1 PLC硬件

經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中的功能見圖3。

圖3 PLC各輸入和輸出單元功能

1）數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實時數據庫中，存儲在數字量輸入數據區，隨時供系統調用。

2）數字量輸出單元每一掃描周期都要從實時數據庫中的數字量輸出數據區提取控制信號并將其傳送到相應的執行機構，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據庫中的模擬量輸入數據區，以供人機交互界面顯示數據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據庫模擬量輸出數據區中的控制輸出值輸出到對應的電液比例減壓閥控制器，控制執行機構動作。

3.2 PLC編程環境

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、生產率高的編程環境。

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人員可以編寫出滿足工業控制的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，從而實現了PLC對現場設備的過程控制。

4 液壓控制系統

為了實現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?？紤]到百年建筑平移施工的平穩性和安全性，出缸速度較慢，最大速度30mm/min。其控制方法根據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

通過對組態控制系統、PLC控制系統和液壓控制系統，各個系統之間實時數據處理、歷史數據存儲、統計數據處理、報警處理、數據服務請求處理等平移動力控制系統設計，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了計算機自行比較、對比發出指令，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.組態控制技術[M].北京：電子工業出版社，2003.

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

TU746.4

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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。