基于集中式網絡液壓同步頂升控制系統的設計

呂國芳，趙 鵬，陳 亮

（河海大學 能源與電氣學院，江蘇 南京 211100）

隨著國民經濟水平的不斷提高，公路交通日益發展致使公路橋梁越來越多，而公路上存在的車型日益復雜化及屢禁不止的超載現象，對橋梁的正常運營及使用壽命造成極大威脅，尤其是一些早期建造的老橋。為了保證橋梁的使用壽命及其承載能力，需對橋梁進行必要的維修和改造。由于設計、施工及材料老化的原因，板式橡膠支座在使用過程中，易發生異常變形、開裂、滑動等問題。而梁底面和支座墊石頂面不水平是該問題發生的主要原因，用頂升法將梁端頂起，調整支座墊石和梁底鋼板的水平，并更換支座[1]。針對連云港某高速路段高架橋改造工程的需求以及舊設備存在的問題，結合現代測試計量技術，本文設計了一套新的基于集中式網絡的液壓比例同步頂升控制系統。

1 系統設計要求

為了實現系統的穩定、安全運行，對系統的設計提出以下要求：1）為減小因頂升控制誤差過大導致橋梁結構變形、損壞的威脅，系統頂升與下降精度控制在0.1 mm以內；2）在操作方式上，可實現現地、遠方、遠程控制；3）為便于系統設備的搬運及系統今后的升級改造，系統需可拆分成和添加若干獨立控制的子系統；4）數據需實時存儲，以便在在線、離線的狀態下對其進行查看、分析。

2 控制系統設計

根據系統設計的要求，為了實現系統的遠方、遠程控制，為了實現系統的重新組裝、增減設備，控制系統采用集中式網絡，使用光纖交換機作為中央節點，使用熱備份方法的雙機作為中心系統，其控制系統網絡架構見圖1。

為了實現系統的現地控制，控制系統使用騰控T－910 PLC和觸摸屏TK6070iH完成子系統的數據采集、顯示及控制，子系統架構見圖2。

為了實現數據的實時存儲，控制系統使用研華網際組態軟件WebAccess作為工控機的人機交互界面。由于該軟件提供實時趨勢的顯示模板以顯示數據趨勢圖，用戶可以指定趨勢采樣頻率，也可以任意添加或更新實時趨勢點。該軟件將每個點的數據記錄到單獨的數據庫中，而且不會丟失歷史數據。

圖1 控制系統網絡架構Fig.1 Control system network architecture

圖2 子系統架構Fig.2 Subsystem architecture

實現0.1 mm的控制精度，控制系統選用型號為RPS0500MD60A10的16位高精度磁滯伸縮位移傳感器作為主位移傳感器，其量程為500 mm，輸出電流為4～20 mA，精度為0.005 mm；選用型號為T－910的PLC作為控制系統的邏輯控制器，通過硬件配置將模擬量輸入類型設置為電流輸入類型（0～20 mA），PLC通過16位A/D轉換器將此范圍內的模擬量值轉換為0～20000之間的數字量值[2]。

2.1 控制系統配置

為了實現系統各設備間的數據傳遞、協調運作，必須對控制系統進行優化配置，配置主要包括以下幾個方面：

1）雙機熱備份：集中式網絡對中心系統的依賴性較高，為解決此問題，采用雙機熱備份的方法。當主監控節點出現故障時，將Hardkey（加密狗）移至熱備份監控節點上，便可以達到監控節點的目的。

2）組態配置：包括對工程節點與監控節點的名稱、IP地址及主次TCP端口等的設置；包括對通訊端口的通訊方式、端口號等的設置；包括對設備的驅動程序、IP地址等的設置；包括對數據庫的數據導入導出、存檔途徑及有效期等的設置；包括對控制系統I/O點轉換的設置。

3）路由器配置：為客戶通過互聯網對系統進行遠程控制，在與光纖交換機直接相連的路由器上使用NAT（Network Addressing Translation）進行工程節點 IIS Web服務器端口、工程與監控節點主要 TCP端口及監控節點次要TCP端口的映射。在客戶端一側，客戶可以通過帶端口編號的路由器連接到公共 IP地址，從而對工程節點與監控節點進行訪問，其格式為 http://ipaddress:port。

4）觸摸屏、變頻器配置：均采用RS－485屏蔽總線連接PLC實現數據的通信。

2.2 數字濾波

為了達到較高的控制精度，除了將所有動力線與信號傳輸線分開排布及使用屏蔽線單端接地的方法之外，還在軟件上對信號進行濾波。針對該系統模擬量信號變化緩慢、有較強干擾的特性，對模擬量信號采用慣性值濾波法[3－4]。騰控T－910專用編程軟件MULTIPROG EXPRESS 5.35中相關程序如下：

對以上程序封裝處理生成功能塊并直接調用。

由于靈敏度不完全相同，在實際操作中，觸摸屏上的數字量按鈕存在抖動現象。在PLC編程軟件中用定時器對數字量信號進行濾波，并在觸摸屏編程軟件EB8000中延長最小按鍵時間。

2.3 控制算法

在頂升前，很難準確知道各點的重力；對于這種多變量耦合的系統，在頂升和下降的過程中，各個被控對象所對應點的重力又會發生變化；因此，很難找到固定不變的PID參數。

并且保證在使用時，進行定期的檢查。氣象站的儀器設備使用必須要接觸到自然界的環境，因此，需要具有一定的應對惡劣天氣的能力，尤其在夏季的暴雨多發季節和冬季的寒冷低溫季節，都對設備的維護做出了考驗。[2]在氣象站中，應該建立嚴格的輪班制度進行檢查，一旦發現問題及時處理。并且保證負責氣象站儀器維護和檢查的工作人員具有豐富的經驗，能夠針對各項問題都進行科學的維護與修理，保證氣象站的運行不會受到儀器故障的不良影響。

在一次試頂時，采用階躍響應法求出PID參數。階躍響應法是使控制系統產生0～100%的階躍輸出MV，求出輸入值變化對輸出的動作特性參數：滯后時間L、最大斜率R[5－7]；如圖3所示。

圖3 階躍響應法檢測輸入變化的動作特性Fig.3 Step response method to detect the input change action features

再通過Ziegler－Nichols經驗公式來換算出PID的3個常數，如表1所示。

表1 輸入動作特性與3個常數的關系Tab.1 Relations between input characteristics and three constant

騰控 T－910專用編程軟件 MULTIPROG EXPRESS 5.35中相關程序如下：

對以上程序封裝處理生成功能塊Jieyue_1并直接調用。階躍響應法相關梯形圖如圖4所示。

圖4 階躍響應法相關梯形圖Fig.4 Ladder diagram related step response method

結合PLC自帶的PID功能塊及自編的功能塊，在一次試頂時，求出PID的3個參數；利用求得的參數進行二次試頂，若能滿足要求，則繼續完成頂升工作；否則重新試頂，求出新的PID的3個參數。

2.4 人機界面

人機界面遵循直觀易懂、簡單易操作的原則 ，主界面如圖5所示。

圖5 主界面Fig.5 The main interface

系統共有5種工作方式：1）頂升自動控制模式；2）下降自動控制模式；3）頂升手動控制模式；4）下降手動控制模式；5）回油控制模式。

3 應用效果比較與分析

以連云港某高速路段高架橋改造工程的測量值為例，分析測量值的平滑性及同步性，并將其作為液壓比例同步頂升系統與傳統系統的比較對象。

任取一點，用帶濾波功能的液壓比例同步頂升系統和傳統系統分別在不同時刻測量一枚硬幣的高度（1.9 mm），其相關數據如表2所示。

表2 數據平滑性比較Tab.2 Comparison of data smoothing

經過濾波后的液壓比例同步頂升系統的測量值波動均在0.08 mm以下，小于等于傳統系統測量值的所有波動值；與傳統系統相比，液壓比例同步頂升系統的數據較為平滑。液壓比例同步頂升系統測量值的標準差為0.047 mm，小于傳統系統的0.226 mm，其離散程度更低。由此可見，液壓比例同步頂升系統測量到的數據平滑性更好。

用液壓比例同步頂升系統和傳統系統分別對8根柱子上的部分橋梁頂升2.0 mm，其相關數據如表3所示。

表3 數據同步性比較Tab.3 Comparison of data synchronization

液壓比例同步頂升系統所對應的8個點的行程絕對誤差最大為0.08 mm，小于等于傳統系統對應的所有值，同時也滿足了系統設計的要求即小于0.1 mm。液壓比例同步頂升系統的標準差為0.046 mm，小于傳統系統的0.291 mm，其離散程度更低。與傳統系統相比，液壓比例同步頂升系統的同步性更好。

從以上兩套系統應用效果的比較與分析中可以看出，液壓比例同步頂升系統的數據不僅更精確、更平滑，而且其同步性也更好。

4 結 論

基于集中式網絡液壓同步頂升控制系統同步性更好且更加穩定；該控制系統完全滿足設計所提出來的要求，實現比例同步頂升的自動運行；操作人員不僅可以在現地、遠方控制，還可以通過互聯網進行遠程控制，實現多種控制手段；根據施工現場的需求，該系統可以拆分、重新組裝，這樣就不需將所有設備都帶到現場，減少運輸成本；0.1 mm的控制精度已經能滿足國內絕大多數橋梁維修所需的要求；自2014年9月投入使用以來，該控制系統運行良好。

[1]喬乃洪，陳向輝.公路橋梁板式橡膠支座的病害及維修方法[J].交通運輸工程與信息學報，2006，4（1）:104-109.QIAO Nai-hong，CHEN Xiang-hui.Causes of plate type elastomeric pad bearing failure and the pad’s maintaining of highway bridge[J].Journal of Transportation Engineering and Information，2006，4（1）:104-109.

[2]呂國芳，吉鵬，李中豪.液壓同步頂升控制系統傳感器誤差標定[J].測控技術，2013，32（1）:11-13 LV Guo-fang，JI Peng，LI Zhong-hao.Sensor error calibration of hydraulic synchronous lift control system[J].Measurement&Control Technology，2013，32（1）:11-13.

[3]楊紅梅，馬茂冬.PLC系統中的數字濾波技術[J].自動化技術與應用，2007，26（12）:70-72.YANG Hong-mei，MA Mao-dong.Digital filtering in the PLC system[J].Techniques of Automation&Applications，2007，26（12）:70-72.

[4]朱延釗.PLC輸入信號的濾波方法[J].電子工程師，2006，32（10）:79-80.ZHU Yan-zhao.The filter method of PLC input signal[J].Electronic Engineer，2006，32（10）:79-80.

[5]史國生，王念春，趙陽.電氣控制與可編程控制器技術[M].北京：化學工業出版社，2010.

[6]Ziegler J G，Nichols N B.Optimum Settings for Automatic Controllers[EB/OL].http://wenku.baidu.com/link url=r1oaJ_7 KxMr_tH1sOxYFBlvDHkVqNrCwgvJZD4XhmA-kbBa2Wk-MebMmtNLM-aaI34jC48qgLl81ck1Wmi8RbiXDg7EnIdlq8z 2l5jnV_pUO.2014.

[7]關中玉，馬亞鵬.二維搜索法處理對象階躍響應曲線的研究[J].控制工程，2006，13（S1）:11-13.GUAN Zhong-yu，MA Ya-peng.NewMethod for confirming the object feature parameter[J].Control Engineering of China，2006，13（S1）:11-13.