大型體育場開閉式屋蓋同步運(yùn)行控制設(shè)計(jì)

陳雄(浙江精工鋼結(jié)構(gòu)有限公司 建筑機(jī)器人工程部,上海 200233)

大型體育場開閉式屋蓋同步運(yùn)行控制設(shè)計(jì)

陳雄
(浙江精工鋼結(jié)構(gòu)有限公司 建筑機(jī)器人工程部,上海 200233)

主要闡述體育場開閉式屋蓋運(yùn)行時(shí)卷揚(yáng)機(jī)與驅(qū)動臺車的同步控制、單片屋蓋兩側(cè)的同步控制。同步控制采用西門子PLC內(nèi)部PID控制器來實(shí)現(xiàn)，同步運(yùn)行效果非常理想。

同步控制；可編程控制器；現(xiàn)場總線；PID控制器；絕對值編碼器

0 引 言

可開閉屋蓋建筑是建筑項(xiàng)目中機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)與控制系統(tǒng)的集成，國際上已建的開閉屋蓋建筑中，不乏因?yàn)閮烧邊f(xié)調(diào)關(guān)系未處理好，特別是屋蓋兩側(cè)同步運(yùn)行控制不好，導(dǎo)致屋蓋結(jié)構(gòu)變形嚴(yán)重，而造成運(yùn)行困難、耐久性差以至于開閉功能喪失的情況。因此開閉式屋蓋系統(tǒng)的技術(shù)難點(diǎn)就是控制系統(tǒng)與機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的適應(yīng)性。本文針對可開閉式屋蓋的同步運(yùn)行控制作了詳細(xì)的分析，PID全閉環(huán)控制大大提高了屋蓋運(yùn)行的同步精度，最大程度保證各驅(qū)動結(jié)構(gòu)的協(xié)調(diào)一致性。

1 機(jī)械結(jié)構(gòu)簡介

圖1 機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖

浙江省紹興縣體育場為目前國內(nèi)可開啟面積最大的開閉式體育場，活動屋蓋由兩片單元組成圖1,開啟面積12 350 m2，總跨度120 m。單片活動屋蓋重約550 T(不含膜結(jié)構(gòu))，行程60 m，移動速度1～3 m/min(可調(diào)節(jié))，打開或閉合時(shí)間最快為20 min。采用卷揚(yáng)機(jī)和摩擦輪自驅(qū)動相結(jié)合的驅(qū)動方式，配備4臺130T大型卷揚(yáng)機(jī)，12臺驅(qū)動臺車，16臺從動臺車閉環(huán)驅(qū)動。每片屋蓋用法蘭盤固接于14個(gè)臺車上，沿2條圓弧軌道牽引移動，其中6臺驅(qū)動臺車，8臺從動臺車。

2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡介

電氣控制系統(tǒng)見圖2設(shè)有一個(gè)控制中心(主站)，4臺卷揚(yáng)機(jī)從站，12臺主動臺車從站，16臺被動臺車從站。主站采用西門子S7-300[1]可編程控制器(PLC)，驅(qū)動從站采用西門子S7-200[2]可編程控制器(PLC)，主站與各從站采用PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線通訊協(xié)議進(jìn)行通訊。每臺卷揚(yáng)機(jī)上各裝有一個(gè)絕對值編碼器，每片活動屋蓋兩側(cè)也各裝有一個(gè)絕對值編碼器，都支持PROFIBUS總線協(xié)議，加上8個(gè)絕對值編碼器計(jì)量從站，總共為40個(gè)從站。主站與標(biāo)準(zhǔn)DP從站通信的組態(tài)可參考文獻(xiàn)[3-4]。卷揚(yáng)機(jī)電機(jī)與主動臺車電機(jī)都由變頻器驅(qū)動。

圖2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

3 PLC控制流程方框圖(圖3)

圖3 PLC控制流程方框圖

4 同步運(yùn)行控制原理

首先計(jì)算或測量好卷揚(yáng)機(jī)編碼器旋轉(zhuǎn)單圈所對應(yīng)屋蓋行走的基準(zhǔn)距離S1與臺車編碼器旋轉(zhuǎn)單圈所對應(yīng)屋蓋行走的基準(zhǔn)距離S2。計(jì)算方法可通過機(jī)械傳動比得出，測量方法是用皮尺到現(xiàn)場進(jìn)行實(shí)物測量。S1、S2作為卷揚(yáng)機(jī)與臺車的行程校準(zhǔn)值，至關(guān)重要，S1、S2的精確與否直接影響到全局同步。

活動屋蓋運(yùn)行時(shí)實(shí)際距離計(jì)算：設(shè)定東北側(cè)卷揚(yáng)機(jī)編碼器當(dāng)前值為H1，臺車編碼器當(dāng)前值為H5；西北側(cè)卷揚(yáng)機(jī)編碼器當(dāng)前值為H2，臺車編碼器當(dāng)前值為H6；東南側(cè)卷揚(yáng)機(jī)編碼器當(dāng)前值為H3，臺車編碼器當(dāng)前值為H7；西南側(cè)卷揚(yáng)機(jī)編碼器當(dāng)前值為H4，臺車編碼器當(dāng)前值為H8。絕對值編碼器轉(zhuǎn)一圈計(jì)4 096個(gè)數(shù)，那么東北側(cè)卷揚(yáng)機(jī)鋼絲繩行走的實(shí)際距離L1=S1÷4 096×H1，臺車行走的實(shí)際距離L5=S2÷4 096×H5；西北側(cè)卷揚(yáng)機(jī)鋼絲繩行走的實(shí)際距離L2=S1÷4 096×H2，臺車行走的實(shí)際距離L6=S2÷4 096×H6；東南側(cè)卷揚(yáng)機(jī)鋼絲繩行走的實(shí)際距離L3=S1÷4 096×H3，臺車行走的實(shí)際距離L7=S2÷4 096×H7；西南側(cè)卷揚(yáng)機(jī)鋼絲繩行走的實(shí)際距離L4=S1÷4 096×H4，臺車行走的實(shí)際距離L8=S2÷4 096×H8。

卷揚(yáng)機(jī)絕對值編碼器與臺車絕對值編碼器都是用來測量活動屋蓋行走的實(shí)際距離的。臺車絕對值編碼器是安裝在臺車驅(qū)動輪上的，由于軌道很難做到完全平整，加上日夜四季溫差大，鋼結(jié)構(gòu)本身型變比較大，臺車運(yùn)行當(dāng)中，驅(qū)動輪有騰空打滑的現(xiàn)象，而且屋蓋跨度大，臺車也不是完全沿直線行走，所以臺車絕對值編碼器所測量的數(shù)據(jù)不一定準(zhǔn)確，只能用來參考。卷揚(yáng)機(jī)絕對值編碼器是安裝在卷揚(yáng)機(jī)驅(qū)動齒輪上的，由于是齒輪傳動，不存在打滑，基本不受外界因素影響，卷揚(yáng)機(jī)鋼絲繩行走的實(shí)際距離就是活動屋蓋行走的實(shí)際距離，鋼絲繩的延伸系數(shù)為1‰，經(jīng)過多次運(yùn)行，鋼絲繩張緊后，延伸系數(shù)可以忽略不計(jì)，所以卷揚(yáng)機(jī)絕對值編碼器測量的數(shù)據(jù)是非常精確的，可以直接作為活動屋蓋的行走距離計(jì)量。PLC程序里任何計(jì)算都是以卷揚(yáng)機(jī)絕對值編碼器測量的數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)的。

每片屋蓋兩側(cè)牽引卷揚(yáng)機(jī)分別用一個(gè)PID控制器來微調(diào)其運(yùn)行速度，利用PID控制器微調(diào)運(yùn)行速度是在每臺牽引卷揚(yáng)機(jī)與每臺主動臺車的固定運(yùn)行速度(快速V1：3 000 mm/min，慢速V2：1 500 mm/min)基礎(chǔ)上加上或者減去一個(gè)微調(diào)速度U(0 mm/min～200 mm/min)。

4.1 卷揚(yáng)機(jī)與臺車同步控制

卷揚(yáng)機(jī)與臺車快速或者慢速固定運(yùn)行速度設(shè)定值都相同。每片屋蓋兩側(cè)微調(diào)運(yùn)行速度分別用一個(gè)PID控制器來控制,即用到了4個(gè)PID控制器,設(shè)定東北側(cè)PID控制器微調(diào)速度為U1，西北側(cè)PID控制器微調(diào)速度為U2，東南側(cè)PID控制器微調(diào)速度為U3，西南側(cè)PID控制器微調(diào)速度為U4。那么屋蓋正常運(yùn)行時(shí)，東北側(cè)卷揚(yáng)機(jī)與臺車快速運(yùn)行速度為：V1+U1，慢速運(yùn)行速度為：V2+U1；西北側(cè)卷揚(yáng)機(jī)與臺車快速運(yùn)行速度為：V1+U2，慢速運(yùn)行速度為：V2+U2；東南側(cè)卷揚(yáng)機(jī)與臺車快速運(yùn)行速度為：V1+U3，慢速運(yùn)行速度為:V2+U3；西南側(cè)卷揚(yáng)機(jī)與臺車快速運(yùn)行速度為：V1+U4，慢速運(yùn)行速度為:V2+U4。

PID控制器微調(diào)時(shí)同一側(cè)卷揚(yáng)機(jī)與臺車是同時(shí)進(jìn)行的，同一側(cè)卷揚(yáng)機(jī)與臺車所調(diào)節(jié)的微調(diào)速度、運(yùn)行速度均一致，從而實(shí)現(xiàn)卷揚(yáng)機(jī)與臺車同步運(yùn)行。

4.2 活動屋蓋兩側(cè)同步控制

活動屋蓋兩側(cè)的同步控制同樣是采用西門子PLC內(nèi)部PID控制器來實(shí)現(xiàn)，利用絕對值編碼器反饋的實(shí)際數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，即閉環(huán)控制(見圖4)。

圖4 閉環(huán)控制方框圖

屋蓋閉合時(shí)編碼器加計(jì)數(shù)，卷揚(yáng)機(jī)鋼絲繩當(dāng)前行走的實(shí)際距離作為PID控制器的反饋值；屋蓋開始移動時(shí)開始加計(jì)時(shí)，通過給定的固定運(yùn)行速度計(jì)算出屋蓋在當(dāng)前運(yùn)行時(shí)間段內(nèi)所移動的理論距離(200 ms更新一次)，把該理論距離作為PID控制器的設(shè)定值。PID控制器對設(shè)定值與反饋值進(jìn)行比較計(jì)算，得出一個(gè)誤差值，當(dāng)設(shè)定值大于反饋值時(shí)(即活動屋蓋在當(dāng)前運(yùn)行時(shí)間段內(nèi)所移動的實(shí)際距離未達(dá)到理論距離)，誤差值為正，PID控制器根據(jù)正誤差值的大小結(jié)合比例、微分、積分設(shè)定參數(shù)(比例系數(shù)0.5，微分時(shí)間6 s，積分時(shí)間1.2 s)輸出一個(gè)合適的正百分比a%，程序里利用該正百分比計(jì)算出需要微調(diào)的速度(200 mm/min* a%)；

當(dāng)設(shè)定值小于反饋值時(shí)(即活動屋蓋在當(dāng)前運(yùn)行時(shí)間段內(nèi)所移動的實(shí)際距離超過了理論距離)，誤差值為負(fù)，PID控制器根據(jù)負(fù)誤差值的大小結(jié)合比例、微分、積分設(shè)定參數(shù)(比例系數(shù)0.5，微分時(shí)間6 s，積分時(shí)間1.2 s)輸出一個(gè)合適的負(fù)百分比-a%，程序里利用該負(fù)百分比計(jì)算出需要微調(diào)的速度(200 mm/min*-a%)，同時(shí)程序里把給定的固定運(yùn)行速度和微調(diào)速度都換算為對應(yīng)的頻率，再用換算好的固定頻率加上微調(diào)頻率就是屋蓋當(dāng)前的運(yùn)行頻率，最終給到變頻器。

屋蓋開啟時(shí)編碼器減計(jì)數(shù)，卷揚(yáng)機(jī)鋼絲繩當(dāng)前行走的實(shí)際距離作為PID控制器的設(shè)定值；屋蓋開始移動時(shí)開始減計(jì)時(shí)(即在閉合時(shí)所累加的時(shí)間基礎(chǔ)上減去開啟時(shí)所用的時(shí)間)，通過給定的運(yùn)行速度計(jì)算出屋蓋在當(dāng)前運(yùn)行時(shí)間段內(nèi)所移動的理論距離(200 ms更新一次)，把該理論距離作為PID控制器的反饋值。即屋蓋開啟時(shí)PID控制器的設(shè)定值與反饋值剛好與閉合時(shí)相反，控制方法相同。

另外PID控制器設(shè)有死區(qū)(±10 mm)，也就是說設(shè)定值與反饋值的誤差為±10 mm以內(nèi)時(shí)，PID控制器不工作，輸出百分比為0，不作微調(diào)，以減少系統(tǒng)頻繁調(diào)整次數(shù)。

活動屋蓋兩側(cè)運(yùn)行時(shí)間是相同的，給定的固定運(yùn)行速度也是相同的，那么相同時(shí)間段內(nèi)所移動的理論距離也是相同的，實(shí)際移動距離如果超過或不夠理論距離，PID控制器就會作微調(diào)，單片屋蓋兩側(cè)微調(diào)速度可能不一致，根據(jù)運(yùn)行工況會實(shí)時(shí)變化，從而實(shí)現(xiàn)活動屋蓋兩側(cè)同步運(yùn)行。

4.3 頻率換算

因驅(qū)動電機(jī)都是變頻器控制，給定的固定速度與微調(diào)速度都需根據(jù)卷揚(yáng)機(jī)電機(jī)與編碼器的機(jī)械傳動比、臺車電機(jī)與編碼器的機(jī)械傳動比換算為對應(yīng)的頻率再給定到各個(gè)從站的變頻器里。

因?yàn)槭且跃頁P(yáng)機(jī)的絕對值編碼器測量的數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，單片屋蓋同一側(cè)的臺車電機(jī)微調(diào)百分比與卷揚(yáng)機(jī)電機(jī)微調(diào)百分比相同，由于卷揚(yáng)機(jī)電機(jī)與編碼器的機(jī)械傳動比和臺車電機(jī)與編碼器的機(jī)械傳動比不同，相同的微調(diào)百分比，但換算出來的對應(yīng)頻率有所不同，最終是要保證卷揚(yáng)機(jī)與臺車的運(yùn)行速度一致。

5 結(jié)束語

通過PLC內(nèi)部PID控制器結(jié)合絕對值編碼器反饋值的閉環(huán)控制，控制方式實(shí)用，活動屋蓋運(yùn)行平穩(wěn)，同步運(yùn)行效果非常理想，每片活動屋蓋兩側(cè)實(shí)際行走距離誤差可以控制在30 mm以內(nèi)。

[1] 廖常初.S7-300/400 PLC應(yīng)用技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

[2] 廖常初.S7-200 PLC編程及應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

[3] 廖常初.西門子人機(jī)界面(觸摸屏)組態(tài)與應(yīng)用技術(shù)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

[4] 廖常初.西門子工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)組態(tài)編程與故障診斷[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

Design of Synchronous Operation Control for Retractable Roofs of Large Stadiums

CHEN Xiong
(Department of Construction Robot Engineering, Zhejiang Jinggong Steel Structure Co., Ltd., Shanghai 200233, China)

This paper describes the synchronous control of the winch and driving trolley as well as the synchronous control over the two sides of the monolithic roof during operation of the retractable roof of a stadium. Synchronous control is realized through the internal PID controller in the Siemens PLC to achieve ideal synchronous operation.

synchronous control; programmable controller; field bus; PID controller; absolute value encoder

10.3969/j.issn.1000-3886.2015.05.035

TP272/278

A

1000-3886(2015)05-0108-03

陳雄(1980-)，男，湖北黃石人，本科，電氣工程師，主要從事各種機(jī)械設(shè)備的控制系統(tǒng)研究。

定稿日期: 2014-11-07