自由塔雙電機(jī)同步提升控制的實(shí)現(xiàn)與失效風(fēng)險(xiǎn)分析

饒 雷

（廣東金馬游樂(lè)股份有限公司，廣東中山 528400）

0 引言

飛行塔類是游樂(lè)設(shè)備的一種類型，主要實(shí)現(xiàn)在一定高度下的升降或繞垂直旋轉(zhuǎn)的運(yùn)行形式［1］。自由塔屬于飛行塔類游樂(lè)設(shè)備，既有升降運(yùn)動(dòng)也有繞垂直旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，其中升降高度超過(guò)40 m。這類高空運(yùn)行設(shè)備要求在發(fā)生故障、斷電或其他可預(yù)見(jiàn)的意外情況時(shí)，應(yīng)避免長(zhǎng)時(shí)間的高空滯留，保證乘客的安全［2］。隨著當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)傳播速度的加快，如何避免高空救援的產(chǎn)生，減少負(fù)面影響，是很多樂(lè)園所關(guān)注的，也是設(shè)備制造時(shí)需要提前考量的問(wèn)題［3］。由于自由塔是搭載乘客一起提升，因此要求設(shè)備在提升過(guò)程中穩(wěn)定、安全運(yùn)行。

自由塔主要由提升架、托架、座艙、塔體、卷?yè)P(yáng)系統(tǒng)、緩沖裝置和電氣控制系統(tǒng)等組成。設(shè)備運(yùn)行時(shí)，座艙與托架在塔底上客位置，提升架在頂部，然后卷?yè)P(yáng)系統(tǒng)緩緩放下提升架，提升架下降到位后，提升架上的掛鉤鉤住托架的提升軸，座艙的軌道在托架的托輪上，卷?yè)P(yáng)系統(tǒng)緩緩將提升架、托架及座艙一起提升。在提升過(guò)程中，座艙緩緩轉(zhuǎn)動(dòng)，乘客可以觀賞四周的風(fēng)景。當(dāng)提升到頂部時(shí)，掛鉤與托架的提升軸脫離，座艙與托架一起在重力的作用下作自由落體運(yùn)動(dòng)，使乘客體驗(yàn)到失重的極限刺激。在下降到大約3 ／ 5 行程時(shí)，永磁制動(dòng)開(kāi)始起作用，使座艙與托架快速制動(dòng)，乘客體驗(yàn)到超重的刺激。最后在永磁制動(dòng)和緩沖油缸的共同作用下，座艙與托架緩慢停在初始位置。

自由塔如圖1 所示，該設(shè)備的提升系統(tǒng)是由兩臺(tái)直流電機(jī)提供動(dòng)力，驅(qū)動(dòng)兩個(gè)卷筒鋼絲繩作用在提升架的左右兩個(gè)吊點(diǎn)，從而帶動(dòng)提升架往上提升。由于采用雙電機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)，在60 m的提升高度過(guò)程中，如果兩臺(tái)電機(jī)提升速度不一致，則極容易導(dǎo)致座艙傾斜，進(jìn)而導(dǎo)致設(shè)備保護(hù)停機(jī)，需要進(jìn)行高空救援，影響設(shè)備的運(yùn)行和乘客的安全。因此，如何實(shí)現(xiàn)自由塔雙電機(jī)提升速度同步控制以減少設(shè)備停機(jī)及高空救援的概率，提高設(shè)備的運(yùn)行可靠性和安全性，是本文的研究重點(diǎn)。

圖1 自由塔

1 控制要求

自由塔的塔架高65 m，是設(shè)備的主體結(jié)構(gòu)，也是提升架及托架的運(yùn)行軌道。座艙固定在托架上，托架與提升架通過(guò)掛鉤鎖緊連接，提升架與位于塔頂?shù)木頁(yè)P(yáng)系統(tǒng)固定連接構(gòu)成提升系統(tǒng)。提升時(shí)，卷?yè)P(yáng)系統(tǒng)把座艙、托架、提升架一起沿著塔體進(jìn)行提升。由于該提升架的兩個(gè)吊點(diǎn)連接的卷?yè)P(yáng)系統(tǒng)由兩臺(tái)直流電機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)，當(dāng)電機(jī)運(yùn)行速度不一致時(shí)，提升架左右吊點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生位移差，引起提升架傾斜，當(dāng)提升架左右吊點(diǎn)的位移差超過(guò)80 mm時(shí)就會(huì)導(dǎo)致提升架上的平衡架與塔體干涉，引起設(shè)備故障停機(jī)、乘客高空滯留及恐慌。因此在60 m的提升運(yùn)動(dòng)過(guò)程中需要控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)抑制兩電機(jī)傳動(dòng)的位移差，保持提升架左右吊點(diǎn)位移差控制在80 mm 以內(nèi)，確保提升時(shí)的平穩(wěn)安全運(yùn)行。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)提升運(yùn)動(dòng)過(guò)程中維持雙電機(jī)傳動(dòng)的位移差在一定范圍要求內(nèi)，控制系統(tǒng)采用雙閉環(huán)調(diào)節(jié)控制方式進(jìn)行控制：由電機(jī)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行速度PID 調(diào)節(jié)，確保雙電機(jī)的速度同步；由主控制器實(shí)現(xiàn)位移差PI調(diào)節(jié)，確保雙電機(jī)傳動(dòng)產(chǎn)生的位移同布，即實(shí)現(xiàn)提升架吊點(diǎn)的提升同步。

PID就是對(duì)輸入偏差進(jìn)行比例積分微分運(yùn)算，用運(yùn)算的疊加結(jié)果去控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)［4］。本設(shè)計(jì)涉及到兩個(gè)輸入偏差：電機(jī)運(yùn)行速度偏差和提升架的提升位移偏差。控制系統(tǒng)通過(guò)對(duì)兩個(gè)偏差量的運(yùn)算疊加控制提升電機(jī)的提升速度，最終確保提升架左右吊點(diǎn)的位移差在設(shè)計(jì)要求范圍內(nèi)。

雙閉環(huán)調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)：系統(tǒng)采用國(guó)際知名品牌西門子S7－1200 PLC作為主控制器，兩臺(tái)直流電機(jī)分別由兩臺(tái)直流調(diào)速器進(jìn)行調(diào)速驅(qū)動(dòng)，主控PLC 同時(shí)給兩個(gè)驅(qū)動(dòng)器速度控制指令［5］。相對(duì)于傳統(tǒng)的速度開(kāi)環(huán)控制，具有速度負(fù)反饋的直流調(diào)速系統(tǒng)具有更高的速度精度控制能力［6］。在每臺(tái)直流電機(jī)高速軸側(cè)各安裝一個(gè)旋轉(zhuǎn)編碼器（編碼器HC1 ／ 2），編碼器信號(hào)直接反饋回各自的直流調(diào)速器中做速度反饋，通過(guò)直流調(diào)試器實(shí)現(xiàn)速度PID運(yùn)算，調(diào)節(jié)電機(jī)輸出速度，進(jìn)行速度閉環(huán)控制；由于塔身高60 m，無(wú)法采用拉線編碼器實(shí)現(xiàn)提升架的位移檢測(cè)，因此采用間接測(cè)量方法測(cè)量提升架的提升位移。在每個(gè)卷筒低速端各安裝一個(gè)旋轉(zhuǎn)編碼器（編碼器HC3 ／ 4），編碼器信號(hào)反饋回主控制器PLC，通過(guò)編碼器反饋的卷筒轉(zhuǎn)動(dòng)的圈數(shù)，間接計(jì)算提升架提升的位移做位移反饋，由主控制器進(jìn)行位移PI運(yùn)算，調(diào)節(jié)直流調(diào)試器的速度給定，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)位移調(diào)節(jié)的位移閉環(huán)控制。由于卷筒低速端的編碼器是通過(guò)檢測(cè)卷筒轉(zhuǎn)動(dòng)的圈數(shù)來(lái)間接計(jì)算提升架提升的位移，這種計(jì)算方式存在由于卷筒直徑過(guò)大、制作誤差等引起的計(jì)算位移與真實(shí)位移的誤差，該誤差過(guò)大時(shí)會(huì)使位移調(diào)節(jié)系統(tǒng)失真。因此，為了矯正該誤差，設(shè)計(jì)了如圖2 所示的提升平衡架水平限位檢測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用了3 個(gè)電感式接近開(kāi)關(guān)來(lái)檢測(cè)平衡架的真實(shí)水平位置。如圖所示，3 個(gè)電感式接近開(kāi)關(guān)并列豎直安裝，當(dāng)最上面和中間兩個(gè)開(kāi)關(guān)有信號(hào)時(shí)，說(shuō)明提升架到達(dá)正調(diào)節(jié)閾值；當(dāng)最下面和中間兩個(gè)開(kāi)關(guān)有信號(hào)時(shí)，說(shuō)明提升架到達(dá)負(fù)調(diào)節(jié)閾值；當(dāng)只有最上面或最下面的檢測(cè)開(kāi)關(guān)有信號(hào)時(shí)，說(shuō)明達(dá)到報(bào)警閾值。該水平檢測(cè)系統(tǒng)作為位移差值調(diào)節(jié)的冗余檢測(cè)，確保設(shè)備的功能可靠性。

圖2 水平限位檢測(cè)系統(tǒng)

PLC的速度命令同時(shí)通過(guò)Profinet通信協(xié)議發(fā)送給兩臺(tái)直流調(diào)速器，兩臺(tái)直流調(diào)速器根據(jù)電機(jī)編碼器的反饋分別做速度閉環(huán)控制以保證速度精度。考慮到在啟動(dòng)和停止時(shí)電機(jī)軸的液壓制動(dòng)器和卷筒上的氣動(dòng)制動(dòng)器會(huì)打開(kāi)和閉合，作用在電機(jī)的負(fù)載會(huì)有較大的波動(dòng)影響到速度精度，可能產(chǎn)生較大的位移差。為了抑制該位移差，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了位移差PI調(diào)節(jié)閉合系統(tǒng)，當(dāng)兩卷筒編碼器反饋的位移差或水平限位檢測(cè)達(dá)到調(diào)節(jié)閥值時(shí)，位移差PI調(diào)節(jié)系統(tǒng)被激活［7］，當(dāng)位移差或水平限位檢測(cè)達(dá)到報(bào)警閥值時(shí)，系統(tǒng)將保護(hù)停機(jī)。

設(shè)備通過(guò)雙閉環(huán)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了自由塔提升過(guò)程中雙電機(jī)提升的速度同步控制，即實(shí)現(xiàn)了在提升運(yùn)動(dòng)過(guò)程中對(duì)兩電機(jī)傳動(dòng)的位移差范圍的控制［8］，保持提升架左右吊點(diǎn)位移差控制在20 mm以內(nèi)的控制效果。

整個(gè)雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的拓?fù)鋱D及功能框圖分別如圖3 ～4所示。

圖3 雙閉環(huán)控制系統(tǒng)拓?fù)鋱D

圖4 雙閉環(huán)控制系統(tǒng)功能框圖

3 失效風(fēng)險(xiǎn)分析（FMEA）

失效風(fēng)險(xiǎn)分析是通過(guò)對(duì)設(shè)備各部件的潛在失效模式、失效后果以及失效引起的原因進(jìn)行全方位地分析，并提出防止部件失效所需要采用的措施，降低部件失效概率，提高設(shè)備的可靠性和安全性［9－10］。自由塔提升控制系統(tǒng)的失效風(fēng)險(xiǎn)分析如表1所示。

表1 失效風(fēng)險(xiǎn)分析

4 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)自由塔的結(jié)構(gòu)以及工作特性的描述，根據(jù)提升架提升過(guò)程中左右吊點(diǎn)位移差不能超過(guò)80 mm的雙電機(jī)提升的速度同步控制要求，提出了由速度環(huán)和位移環(huán)構(gòu)成的雙閉環(huán)控制調(diào)節(jié)系統(tǒng)，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了提升架提升過(guò)程中左右吊點(diǎn)位移差在20 mm以內(nèi)的控制效果，滿足設(shè)備控制要求。文中對(duì)雙閉環(huán)控制調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的具體實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了說(shuō)明，并對(duì)控制系統(tǒng)關(guān)鍵部件進(jìn)行了失效風(fēng)險(xiǎn)分析，有效提高設(shè)備運(yùn)行的可靠性和安全性；對(duì)采用多電機(jī)提升游樂(lè)設(shè)備的提升同步控制上提供了有效的控制方案，具有實(shí)用參考意義。