基于集中式網(wǎng)絡(luò)液壓同步頂升控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

呂國(guó)芳，趙 鵬，陳 亮

（河海大學(xué) 能源與電氣學(xué)院，江蘇 南京 211100）

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)水平的不斷提高，公路交通日益發(fā)展致使公路橋梁越來(lái)越多，而公路上存在的車型日益復(fù)雜化及屢禁不止的超載現(xiàn)象，對(duì)橋梁的正常運(yùn)營(yíng)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(duì)橋梁進(jìn)行必要的維修和改造。由于設(shè)計(jì)、施工及材料老化的原因，板式橡膠支座在使用過(guò)程中，易發(fā)生異常變形、開裂、滑動(dòng)等問(wèn)題。而梁底面和支座墊石頂面不水平是該問(wèn)題發(fā)生的主要原因，用頂升法將梁端頂起，調(diào)整支座墊石和梁底鋼板的水平，并更換支座[1]。針對(duì)連云港某高速路段高架橋改造工程的需求以及舊設(shè)備存在的問(wèn)題，結(jié)合現(xiàn)代測(cè)試計(jì)量技術(shù)，本文設(shè)計(jì)了一套新的基于集中式網(wǎng)絡(luò)的液壓比例同步頂升控制系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求

為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定、安全運(yùn)行，對(duì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提出以下要求：1）為減小因頂升控制誤差過(guò)大導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)變形、損壞的威脅，系統(tǒng)頂升與下降精度控制在0.1 mm以內(nèi)；2）在操作方式上，可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)地、遠(yuǎn)方、遠(yuǎn)程控制；3）為便于系統(tǒng)設(shè)備的搬運(yùn)及系統(tǒng)今后的升級(jí)改造，系統(tǒng)需可拆分成和添加若干獨(dú)立控制的子系統(tǒng)；4）數(shù)據(jù)需實(shí)時(shí)存儲(chǔ)，以便在在線、離線的狀態(tài)下對(duì)其進(jìn)行查看、分析。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求，為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的遠(yuǎn)方、遠(yuǎn)程控制，為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的重新組裝、增減設(shè)備，控制系統(tǒng)采用集中式網(wǎng)絡(luò)，使用光纖交換機(jī)作為中央節(jié)點(diǎn)，使用熱備份方法的雙機(jī)作為中心系統(tǒng)，其控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)見圖1。

為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的現(xiàn)地控制，控制系統(tǒng)使用騰控T－910 PLC和觸摸屏TK6070iH完成子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、顯示及控制，子系統(tǒng)架構(gòu)見圖2。

為了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)存儲(chǔ)，控制系統(tǒng)使用研華網(wǎng)際組態(tài)軟件WebAccess作為工控機(jī)的人機(jī)交互界面。由于該軟件提供實(shí)時(shí)趨勢(shì)的顯示模板以顯示數(shù)據(jù)趨勢(shì)圖，用戶可以指定趨勢(shì)采樣頻率，也可以任意添加或更新實(shí)時(shí)趨勢(shì)點(diǎn)。該軟件將每個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)記錄到單獨(dú)的數(shù)據(jù)庫(kù)中，而且不會(huì)丟失歷史數(shù)據(jù)。

圖1 控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)Fig.1 Control system network architecture

圖2 子系統(tǒng)架構(gòu)Fig.2 Subsystem architecture

實(shí)現(xiàn)0.1 mm的控制精度，控制系統(tǒng)選用型號(hào)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(hào)為T－910的PLC作為控制系統(tǒng)的邏輯控制器，通過(guò)硬件配置將模擬量輸入類型設(shè)置為電流輸入類型（0～20 mA），PLC通過(guò)16位A/D轉(zhuǎn)換器將此范圍內(nèi)的模擬量值轉(zhuǎn)換為0～20000之間的數(shù)字量值[2]。

2.1 控制系統(tǒng)配置

為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)各設(shè)備間的數(shù)據(jù)傳遞、協(xié)調(diào)運(yùn)作，必須對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化配置，配置主要包括以下幾個(gè)方面：

1）雙機(jī)熱備份：集中式網(wǎng)絡(luò)對(duì)中心系統(tǒng)的依賴性較高，為解決此問(wèn)題，采用雙機(jī)熱備份的方法。當(dāng)主監(jiān)控節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障時(shí)，將Hardkey（加密狗）移至熱備份監(jiān)控節(jié)點(diǎn)上，便可以達(dá)到監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的目的。

2）組態(tài)配置：包括對(duì)工程節(jié)點(diǎn)與監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的名稱、IP地址及主次TCP端口等的設(shè)置；包括對(duì)通訊端口的通訊方式、端口號(hào)等的設(shè)置；包括對(duì)設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序、IP地址等的設(shè)置；包括對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)導(dǎo)入導(dǎo)出、存檔途徑及有效期等的設(shè)置；包括對(duì)控制系統(tǒng)I/O點(diǎn)轉(zhuǎn)換的設(shè)置。

3）路由器配置：為客戶通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，在與光纖交換機(jī)直接相連的路由器上使用NAT（Network Addressing Translation）進(jìn)行工程節(jié)點(diǎn) IIS Web服務(wù)器端口、工程與監(jiān)控節(jié)點(diǎn)主要 TCP端口及監(jiān)控節(jié)點(diǎn)次要TCP端口的映射。在客戶端一側(cè)，客戶可以通過(guò)帶端口編號(hào)的路由器連接到公共 IP地址，從而對(duì)工程節(jié)點(diǎn)與監(jiān)控節(jié)點(diǎn)進(jìn)行訪問(wèn)，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(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的通信。

2.2 數(shù)字濾波

為了達(dá)到較高的控制精度，除了將所有動(dòng)力線與信號(hào)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(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波。針對(duì)該系統(tǒng)模擬量信號(hào)變化緩慢、有較強(qiáng)干擾的特性，對(duì)模擬量信號(hào)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(guān)程序如下：

對(duì)以上程序封裝處理生成功能塊并直接調(diào)用。

由于靈敏度不完全相同，在實(shí)際操作中，觸摸屏上的數(shù)字量按鈕存在抖動(dòng)現(xiàn)象。在PLC編程軟件中用定時(shí)器對(duì)數(shù)字量信號(hào)進(jìn)行濾波，并在觸摸屏編程軟件EB8000中延長(zhǎng)最小按鍵時(shí)間。

2.3 控制算法

在頂升前，很難準(zhǔn)確知道各點(diǎn)的重力；對(duì)于這種多變量耦合的系統(tǒng)，在頂升和下降的過(guò)程中，各個(gè)被控對(duì)象所對(duì)應(yīng)點(diǎn)的重力又會(huì)發(fā)生變化；因此，很難找到固定不變的PID參數(shù)。

并且保證在使用時(shí)，進(jìn)行定期的檢查。氣象站的儀器設(shè)備使用必須要接觸到自然界的環(huán)境，因此，需要具有一定的應(yīng)對(duì)惡劣天氣的能力，尤其在夏季的暴雨多發(fā)季節(jié)和冬季的寒冷低溫季節(jié)，都對(duì)設(shè)備的維護(hù)做出了考驗(yàn)。[2]在氣象站中，應(yīng)該建立嚴(yán)格的輪班制度進(jìn)行檢查，一旦發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)處理。并且保證負(fù)責(zé)氣象站儀器維護(hù)和檢查的工作人員具有豐富的經(jīng)驗(yàn)，能夠針對(duì)各項(xiàng)問(wèn)題都進(jìn)行科學(xué)的維護(hù)與修理，保證氣象站的運(yùn)行不會(huì)受到儀器故障的不良影響。

在一次試頂時(shí)，采用階躍響應(yīng)法求出PID參數(shù)。階躍響應(yīng)法是使控制系統(tǒng)產(chǎn)生0～100%的階躍輸出MV，求出輸入值變化對(duì)輸出的動(dòng)作特性參數(shù)：滯后時(shí)間L、最大斜率R[5－7]；如圖3所示。

圖3 階躍響應(yīng)法檢測(cè)輸入變化的動(dòng)作特性Fig.3 Step response method to detect the input change action features

再通過(guò)Ziegler－Nichols經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)?yè)Q算出PID的3個(gè)常數(shù)，如表1所示。

表1 輸入動(dòng)作特性與3個(gè)常數(shù)的關(guān)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(guān)程序如下：

對(duì)以上程序封裝處理生成功能塊Jieyue_1并直接調(diào)用。階躍響應(yīng)法相關(guān)梯形圖如圖4所示。

圖4 階躍響應(yīng)法相關(guān)梯形圖Fig.4 Ladder diagram related step response method

結(jié)合PLC自帶的PID功能塊及自編的功能塊，在一次試頂時(shí)，求出PID的3個(gè)參數(shù)；利用求得的參數(shù)進(jìn)行二次試頂，若能滿足要求，則繼續(xù)完成頂升工作；否則重新試頂，求出新的PID的3個(gè)參數(shù)。

2.4 人機(jī)界面

人機(jī)界面遵循直觀易懂、簡(jiǎn)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(tǒng)共有5種工作方式：1）頂升自動(dòng)控制模式；2）下降自動(dòng)控制模式；3）頂升手動(dòng)控制模式；4）下降手動(dòng)控制模式；5）回油控制模式。

3 應(yīng)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(cè)量值為例，分析測(cè)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(tǒng)與傳統(tǒng)系統(tǒng)的比較對(duì)象。

任取一點(diǎn)，用帶濾波功能的液壓比例同步頂升系統(tǒng)和傳統(tǒng)系統(tǒng)分別在不同時(shí)刻測(cè)量一枚硬幣的高度（1.9 mm），其相關(guān)數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 數(shù)據(jù)平滑性比較Tab.2 Comparison of data smoothing

經(jīng)過(guò)濾波后的液壓比例同步頂升系統(tǒng)的測(cè)量值波動(dòng)均在0.08 mm以下，小于等于傳統(tǒng)系統(tǒng)測(cè)量值的所有波動(dòng)值；與傳統(tǒng)系統(tǒng)相比，液壓比例同步頂升系統(tǒng)的數(shù)據(jù)較為平滑。液壓比例同步頂升系統(tǒng)測(cè)量值的標(biāo)準(zhǔn)差為0.047 mm，小于傳統(tǒng)系統(tǒng)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(tǒng)測(cè)量到的數(shù)據(jù)平滑性更好。

用液壓比例同步頂升系統(tǒng)和傳統(tǒng)系統(tǒng)分別對(duì)8根柱子上的部分橋梁頂升2.0 mm，其相關(guān)數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 數(shù)據(jù)同步性比較Tab.3 Comparison of data synchronization

液壓比例同步頂升系統(tǒng)所對(duì)應(yīng)的8個(gè)點(diǎn)的行程絕對(duì)誤差最大為0.08 mm，小于等于傳統(tǒng)系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的所有值，同時(shí)也滿足了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求即小于0.1 mm。液壓比例同步頂升系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)差為0.046 mm，小于傳統(tǒng)系統(tǒng)的0.291 mm，其離散程度更低。與傳統(tǒng)系統(tǒng)相比，液壓比例同步頂升系統(tǒng)的同步性更好。

從以上兩套系統(tǒng)應(yīng)用效果的比較與分析中可以看出，液壓比例同步頂升系統(tǒng)的數(shù)據(jù)不僅更精確、更平滑，而且其同步性也更好。

4 結(jié) 論

基于集中式網(wǎng)絡(luò)液壓同步頂升控制系統(tǒng)同步性更好且更加穩(wěn)定；該控制系統(tǒng)完全滿足設(shè)計(jì)所提出來(lái)的要求，實(shí)現(xiàn)比例同步頂升的自動(dòng)運(yùn)行；操作人員不僅可以在現(xiàn)地、遠(yuǎn)方控制，還可以通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，實(shí)現(xiàn)多種控制手段；根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)的需求，該系統(tǒng)可以拆分、重新組裝，這樣就不需將所有設(shè)備都帶到現(xiàn)場(chǎng)，減少運(yùn)輸成本；0.1 mm的控制精度已經(jīng)能滿足國(guó)內(nèi)絕大多數(shù)橋梁維修所需的要求；自2014年9月投入使用以來(lái)，該控制系統(tǒng)運(yùn)行良好。

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