高層建筑開(kāi)合屋頂TTC控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

郭西進(jìn)，王廣勝，孫曉燕

（中國(guó)礦業(yè)大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院，江蘇 徐州 221008）

高層建筑開(kāi)合屋頂TTC控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

郭西進(jìn)，王廣勝，孫曉燕

（中國(guó)礦業(yè)大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院，江蘇 徐州 221008）

現(xiàn)代高層建筑開(kāi)合屋頂，因其特殊的高空運(yùn)行位置、高空風(fēng)力影響，具有高風(fēng)險(xiǎn)性，控制系統(tǒng)需滿足易操作、維護(hù)簡(jiǎn)單、美觀性要求，但達(dá)到安全性要求將是最困難的。闡述了基于計(jì)算機(jī)監(jiān)控、TTC控制器、CAN網(wǎng)絡(luò)、伺服電機(jī)同步及變頻調(diào)速技術(shù)的控制系統(tǒng)硬件與軟件實(shí)現(xiàn)，該系統(tǒng)通過(guò)德國(guó)TUV安全性認(rèn)證，且經(jīng)1 a多的使用，充分證明了該系統(tǒng)的安全性、穩(wěn)定性，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，實(shí)現(xiàn)了開(kāi)合屋頂?shù)淖詣?dòng)控制，也為將來(lái)同類高層建筑開(kāi)合屋頂提供了借鑒。

高層建筑開(kāi)合屋頂，控制區(qū)域網(wǎng)絡(luò)，伺服電機(jī)同步，變頻調(diào)速

玻璃幕墻因其重量輕、強(qiáng)度大、美觀、易生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，在超高層建筑中獲得了廣泛使用［1］。但玻璃幕墻易受污染的缺點(diǎn)逐漸暴露，幕墻漸漸失去光澤，為保持建筑美觀，需要定期維護(hù)清洗幕墻，這將帶來(lái)新的難題。

以阿聯(lián)酋中心市場(chǎng)為例，屋頂亦采用玻璃幕墻。常見(jiàn)建筑幕墻維護(hù)設(shè)備置于建筑頂部，而該建筑群均為傾斜式屋頂，維護(hù)設(shè)備若置于屋頂將暴露在外嚴(yán)重影響建筑美觀性，且放置難度大。為解決該問(wèn)題，建筑采用了2塊方形開(kāi)合屋頂，結(jié)構(gòu)如圖1所示。單個(gè)開(kāi)合屋頂寬4.5 m，長(zhǎng)8.2 m，活動(dòng)部分重約7 t。

圖1 開(kāi)合屋頂結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure schematic of retractable dome

建筑幕墻維護(hù)期間，控制系統(tǒng)將活動(dòng)屋頂向外舉出屋頂平面，接著向上平拉，屋頂將打開(kāi)方形洞口，方便維護(hù)設(shè)備進(jìn)出建筑，維護(hù)結(jié)束后，系統(tǒng)將按相反動(dòng)作順序關(guān)閉屋頂，恢復(fù)建筑外觀，不影響建筑美觀性。

1 開(kāi)合屋頂動(dòng)作安全性分析

活動(dòng)屋頂為玻璃幕墻，運(yùn)行過(guò)程中必須保持運(yùn)行平穩(wěn)，若發(fā)生形變或震動(dòng)，將使玻璃破碎墜落地面，對(duì)地面行人造成重大傷亡的威脅。為此，系統(tǒng)舉升采用4臺(tái)伺服電機(jī)同步動(dòng)作，拉動(dòng)采用2臺(tái)異步電機(jī)，PID速度控制方式。由于處于300 m以上高空，風(fēng)力較大，增大了系統(tǒng)運(yùn)行負(fù)載，容易出現(xiàn)過(guò)載狀況，為此，系統(tǒng)配備風(fēng)速傳感器，輸出模擬量至控制器，當(dāng)風(fēng)速小于10 m/s，系統(tǒng)負(fù)載處于承受范圍內(nèi)才可運(yùn)行，當(dāng)連續(xù)10 s風(fēng)速大于10 m/s，系統(tǒng)自動(dòng)停止運(yùn)行并報(bào)警。

當(dāng)開(kāi)合屋頂處于平拉環(huán)節(jié)，由鏈條拉動(dòng)屋頂行走機(jī)構(gòu)向上運(yùn)動(dòng)，為防止鏈條斷裂發(fā)生意外，需檢測(cè)鏈條運(yùn)動(dòng)狀況，并安裝屋頂抱死裝置。系統(tǒng)采用反射式激光傳感器檢測(cè)鏈條運(yùn)行。正常運(yùn)行時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)鏈條銷軸通過(guò)傳感器次數(shù)固定，控制器收到固定數(shù)量脈沖；意外發(fā)生時(shí)，脈沖數(shù)將發(fā)生變化，系統(tǒng)立即輸出停止電機(jī)運(yùn)行指令并啟動(dòng)抱死裝置。抱死裝置使用液壓抱閘制動(dòng)器，由三相異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)，配備壓力傳感器、閘口檢測(cè)感應(yīng)器。開(kāi)閘時(shí)，啟動(dòng)電機(jī)，開(kāi)啟閘口，當(dāng)液壓油達(dá)到設(shè)定壓力時(shí)停止電機(jī)，并通過(guò)閘口檢測(cè)傳感器確認(rèn)閘口已完全打開(kāi)，此時(shí)開(kāi)合屋頂方可運(yùn)行，若發(fā)生意外，則立即釋放液壓閘制動(dòng)開(kāi)合屋頂防止滑落。

2 開(kāi)合屋頂TTC控制系統(tǒng)

將計(jì)算機(jī)和智能控制器等智能設(shè)備用于現(xiàn)代樓宇控制，實(shí)現(xiàn)樓宇的網(wǎng)絡(luò)化智能控制，早已成為現(xiàn)代智能樓宇的發(fā)展方向。下面以中心市場(chǎng)為案例，從硬件與軟件2方面，闡述開(kāi)合屋頂智能控制。

案例建筑處于熱帶地區(qū)，夏季平均溫度40℃，設(shè)備處于建筑頂部玻璃幕墻下，受陽(yáng)光直射，控制柜表面溫度超過(guò)50℃，常見(jiàn)控制器早已無(wú)法正常工作。因此，系統(tǒng)采用德國(guó)TTControl公司TTC系列200高速控制器，其最高工作溫度達(dá)到85℃，自帶2個(gè)CAN通訊接口，方便設(shè)備接入監(jiān)控計(jì)算機(jī)，編程軟件采用CoDeSys，支持IL，F(xiàn)BD，LD，ST，SFC，CFC 6種編程語(yǔ)言，編程方便。

2.1 控制系統(tǒng)整體硬件架構(gòu)

樓宇總控室采用WinCC監(jiān)控整棟樓宇，作為樓宇控制的一部分，系統(tǒng)接入WinCC開(kāi)合屋頂界面，受總控室監(jiān)控，總體架構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件架構(gòu)Fig.2 Hardware structure of the system

結(jié)合安全性與負(fù)載要求，系統(tǒng)以工控機(jī)作為控制頂層，同時(shí)控制2面開(kāi)合屋頂，以TTC200控制器控制具體環(huán)節(jié)，舉升環(huán)節(jié)采用4臺(tái)5.5 kW倫茨伺服電機(jī)置于開(kāi)合屋頂4個(gè)拐角，伺服電機(jī)使用倫茨8400TopLine驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)；平拉環(huán)節(jié)采用2臺(tái)2.2 kW異步電機(jī)置于開(kāi)合屋頂兩側(cè)，拉動(dòng)鏈條，電機(jī)采用西門子MM440變頻器驅(qū)動(dòng)，額定功率3 kW。2臺(tái)TTC200 CAN0口接入工控機(jī)，CAN1口通過(guò)CANopen協(xié)議控制4臺(tái)倫茨8400TopLine驅(qū)動(dòng)器。TTC200的RS-485接口外接RS-485轉(zhuǎn)Profibus-DP模塊，MM440亦選擇Pofibus-DP選件板，使得控制器可使用Profibus協(xié)議控制變頻器。

2.2 控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成

2.2.1 頂層網(wǎng)絡(luò)——CAN網(wǎng)絡(luò)

監(jiān)控室內(nèi)放置1臺(tái)工控機(jī)，運(yùn)行WinCC程序，其部分界面與開(kāi)合屋頂相關(guān)聯(lián)，主要作用是操作員可直接控制2面屋頂?shù)拈_(kāi)關(guān)，觀察屋頂運(yùn)行狀況、電機(jī)運(yùn)行參數(shù)等。工控機(jī)PCI插槽拓展連接PCI-1680U CAN通信卡，實(shí)現(xiàn)與TTC200 CAN0口的CAN總線硬件連接，同時(shí)也作為TTC200的程序下載接口。因WinCC不含TTC200驅(qū)動(dòng)程序，需采用OPC通訊方式，具體為ZOPC_Server服務(wù)器（基于CAN總線的OPC服務(wù)器），實(shí)現(xiàn)WinCC與TTC200的CAN連接。

2.2.2 異步電機(jī)控制網(wǎng)絡(luò)——Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)

作為現(xiàn)代工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)最具代表的通訊網(wǎng)絡(luò)之一，PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)早已被廣泛使用，本案中異步電機(jī)控制亦采用此方式。以TTC200做主站，2臺(tái)MM440為從站，主站通過(guò)RS-485串口外接串口轉(zhuǎn)Profibus-DP模塊，9針連接從站Profibus-DP選件板SUB-D插座，實(shí)現(xiàn)主從間通訊網(wǎng)絡(luò)建立。變頻器的從站地址（參數(shù)P0918）正確配置，且2臺(tái)地址必須唯一，主站采用PPO1型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，只發(fā)送過(guò)程數(shù)據(jù)。

2.2.3 伺服電機(jī)網(wǎng)絡(luò)——CAN網(wǎng)絡(luò)

伺服驅(qū)動(dòng)器采用了德國(guó)倫茨公司8400系列TopLine驅(qū)動(dòng)器，其是8400系列中擁有最高級(jí)別功能和最佳驅(qū)動(dòng)性能的驅(qū)動(dòng)器，適合伺服電機(jī)定位控制方式，自帶的CAN接口支持CANopen協(xié)議與TTC200 CAN1口連接，接收TTC200控制指令并返回運(yùn)行參數(shù)。伺服通訊程序使用倫茨公司Engineer軟件編寫(xiě)，下載到驅(qū)動(dòng)器。

2.3 伺服同步控制

傳統(tǒng)的伺服系統(tǒng)控制信號(hào)是以脈沖形式發(fā)出，通過(guò)脈沖當(dāng)量的控制來(lái)實(shí)現(xiàn)電機(jī)的控制，此種控制方式易受干擾并發(fā)生脈沖丟失現(xiàn)象。隨著對(duì)控制要求的提高，多軸、高精度系統(tǒng)所要求的控制系統(tǒng)與伺服驅(qū)動(dòng)間的通信大大提高［2］，傳動(dòng)的脈沖式數(shù)據(jù)傳輸已經(jīng)很難滿足要求。

本案采用新型的基于CAN總線的多軸伺服控制系統(tǒng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)脈沖形式，如圖3所示。采用主從控制方式［3］，1臺(tái)為主機(jī)，3臺(tái)為從機(jī)，建立網(wǎng)絡(luò)，主機(jī)接收TTC200控制信號(hào)，并負(fù)責(zé)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行和管理。

圖3 伺服系統(tǒng)主從模式Fig.3 Servo system master-slave model

倫茨8400Topline是一款基于CANopen協(xié)議的全數(shù)字伺服驅(qū)動(dòng)器，內(nèi)置有CANopen通信對(duì)象字典，連接著CANopen設(shè)備的通訊接口和應(yīng)用部分。

如表1和表2所示，CAN報(bào)文包括幀起始、仲裁字段、數(shù)據(jù)段、CRC校驗(yàn)以及幀結(jié)束幾大部分。其中，數(shù)據(jù)段包含了CANopen數(shù)據(jù)服務(wù)報(bào)文（SDO）信息，SDO將8字節(jié)數(shù)據(jù)段分為請(qǐng)求碼、對(duì)象和子對(duì)象索引以及4字節(jié)數(shù)據(jù)，從而進(jìn)行對(duì)象字典數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)［4］。

表1 請(qǐng)求幀（主站-數(shù)字伺服）Tab.1 Request frames（master-digital servo）

表2 響應(yīng)幀（主站-數(shù)字伺服）Tab.2 Response frames（master-digital servo）

2.4 異步電機(jī)恒速控制

目前，基于異步電機(jī)動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的矢量控制系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)異步電機(jī)高動(dòng)態(tài)性能調(diào)速［5］。矢量控制實(shí)現(xiàn)的重要方程式為

式中：Te為轉(zhuǎn)子磁鏈定向坐標(biāo)系中的電磁轉(zhuǎn)矩；np為極對(duì)數(shù)；Lr為轉(zhuǎn)子等效兩相繞組的自感；ist為定子電流轉(zhuǎn)矩分量；Ψr為轉(zhuǎn)子磁鏈旋轉(zhuǎn)矢量；Lm為定子與轉(zhuǎn)子同軸等效繞組間的互感；p為微分算子；Tr為轉(zhuǎn)子電磁時(shí)間常數(shù)；ism為定子電流勵(lì)磁分量；ωs為轉(zhuǎn)差角頻率；ω1為旋轉(zhuǎn)角頻率；ω為輸出角速度。

按照矢量控制系統(tǒng)基本方程，異步電機(jī)數(shù)學(xué)模型等效分解成ω和Ψr2個(gè)子系統(tǒng)，如圖4所示，解耦成ism和ist2個(gè)分量，但是，由于Te同時(shí)受到ist和Ψr的影響，2個(gè)子系統(tǒng)仍舊耦合。因此，設(shè)置磁鏈調(diào)節(jié)器AΨR和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR分別控制Ψr和ω。當(dāng)勵(lì)磁分量ism為常值時(shí)，如果ist變化，轉(zhuǎn)矩Te將立即隨之成比例變化，沒(méi)有任何滯后，得到滿意的轉(zhuǎn)矩控制特性。

圖4 矢量控制系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Vector control system principles structure chart

矢量變換控制的數(shù)學(xué)依據(jù)是坐標(biāo)變換，坐標(biāo)變換需要轉(zhuǎn)子磁鏈方向角φ，其估算基本原理如下：

采用西門子MM440變頻器，其內(nèi)部集成有矢量控制方式，可以很好地滿足電機(jī)控制，并且，應(yīng)用其自帶的PID控制功能，使電機(jī)迅速而準(zhǔn)確地到達(dá)設(shè)定速度［6］，省去了TTC200內(nèi)部復(fù)雜的PID編程，只需簡(jiǎn)單設(shè)定變頻器參數(shù)，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試即可投入運(yùn)行。實(shí)際速度檢測(cè)使用安裝于2條鏈條從動(dòng)輪的宜科編碼器EC58P，單圈4 000A/B差分脈沖。利用TTC200最高達(dá)10 kHz的高速計(jì)數(shù)端，將編碼器脈沖輸入TTC200，由TTC200計(jì)算轉(zhuǎn)速后，從2路模擬量輸出端輸出相應(yīng)的2～10 V電壓信號(hào)接入MM440模擬量輸入端，作為PID速度反饋，實(shí)現(xiàn)電機(jī)速度閉環(huán)控制。變頻器MM440主要參數(shù)設(shè)定參見(jiàn)表3。

表3 變頻器主要參數(shù)設(shè)定Tab.3 The main parameters settings for converter

2.5 控制系統(tǒng)軟件

2.5.1 程序模塊

系統(tǒng)分2種運(yùn)行狀態(tài)：開(kāi)啟屋頂、關(guān)閉屋頂，還包括有報(bào)警異常處理等。

1）初始化子程序：檢測(cè)主電源，檢測(cè)風(fēng)速傳感器模擬量信號(hào)，Profibus-DP通信初始化，CAN通信初始化，檢測(cè)開(kāi)合屋頂當(dāng)前位置，輸出準(zhǔn)備就緒信號(hào)。

2）伺服控制子程序：判斷伺服電機(jī)原點(diǎn)是否就緒，若未就緒，先驅(qū)動(dòng)電機(jī)搜索原點(diǎn)，原點(diǎn)搜索完成后，啟動(dòng)定位模式，帶動(dòng)開(kāi)合屋頂垂直運(yùn)動(dòng)。

3）液壓抱閘制動(dòng)器驅(qū)動(dòng)子程序：進(jìn)入開(kāi)合屋頂拉動(dòng)環(huán)節(jié)前，啟動(dòng)制動(dòng)器電機(jī)，待液壓油達(dá)到設(shè)定壓力，停止電機(jī)并保持打開(kāi)狀態(tài)，閘口金屬傳感器反饋真實(shí)閘口狀態(tài)。報(bào)警狀況下，立即實(shí)施制動(dòng)。

4）異步電機(jī)控制子程序：控制2臺(tái)異步電機(jī)啟動(dòng)、停止，讀取電機(jī)電流、電壓和故障信息，讀取編碼器速度信息。

5）故障處理子程序：故障發(fā)生時(shí)，鎖死啟動(dòng)程序，停止所有電機(jī)，啟動(dòng)液壓制動(dòng)器，啟動(dòng)報(bào)警指示燈與報(bào)警蜂鳴器。故障解除后，解鎖啟動(dòng)程序，消除報(bào)警指示。

2.5.2 計(jì)算機(jī)監(jiān)控界面

利用WinCC編寫(xiě)的監(jiān)控界面如圖5所示，實(shí)現(xiàn)開(kāi)合屋頂實(shí)時(shí)監(jiān)控。

圖5 計(jì)算機(jī)控制界面Fig.5 Computer control interface

3 結(jié)論

本文闡述了由WinCC為人機(jī)界面，TTC控制為核心，配合伺服同步控制、變頻同步拖動(dòng)的高層建筑開(kāi)合屋頂自動(dòng)控制系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)自動(dòng)化程度較高，完全滿足安全性要求。系統(tǒng)在阿聯(lián)酋中心市場(chǎng)超高層建筑得以成功應(yīng)用，通過(guò)了德國(guó)TUV安全性認(rèn)證，單次運(yùn)行時(shí)間約30 min，狀況良好。在滿足使用功能與易操作的同時(shí)，保證了建筑整體美觀性，對(duì)于同類高層建筑設(shè)計(jì)具有極大借鑒意義。

［1］胡琳琳.幕墻與采光工程施工問(wèn)答實(shí)例［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2012.

［2］Liu Huashan，Shi Jijun，Sun Peide.Developments and Recent Patents on Motion Control System［J］.Recent Patents on Mechanical Engineering，2015，8（2）：140-147.

［3］江小玲，舒志兵.基于CAN總線多軸伺服電機(jī)的同步控制［J］.機(jī)床與液壓，2012，40（8）：140-142.

［4］韓江，黃濤，董伯麟，等.基于CANopen協(xié)議的數(shù)字伺服電機(jī)通信主站研究［J］.輕工機(jī)械，2010，30（1）：67-71.

［5］雷丹.運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)［M］.北京：人民郵電出版社，2013.

［6］李偉，王友權(quán)，董繼先，等.自整定PID控制在卷取張力中的設(shè)計(jì)與仿真［J］.包裝工程，2014，35（11）：67-70.

Control System Based on TTC of Retractable Dome in High-rise Buildings

GUO Xijing，WANG Guangsheng，SUN Xiaoyan
（School of Information and Electrical Engineering，China University of Mine&Technology，Xuzhou221008，Jiangsu，China）

As the influence of special high-altitude running position and the wind，the control system of retractable dome in modern high-rise buildings should meet the requirement of user-friendly，easy maintenance and aesthetic，and to meet the requirement of safety will be the most difficult problem.Elaborated the hardware and software of the control system，which was based on visible monitoring，TTC，CAN network，synchronous servo motors and frequency control technology.The system，with the safety certificate of TUV，had been used for more than 1 year，certainly demonstrated its safety and stability.And it has achieved the design requirement，realizing the automatic control of retractable dome，which can be referred to resemble design in the further.

retractable dome of high-rise buildings；control area network；synchronous servo motors；frequency control

TP273

A

10.19457/j.1001-2095.20161214

2015-11-14

修改稿日期：2016-06-10

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（61473298）

郭西進(jìn)（1962—），男，博士，教授，Email：xjguo@cumt.edu.cn