基于集中式网络液压同步顶升控制系统的设计

吕国芳，赵 鹏，陈 亮

（河海大学 能源与电气学院，江苏 南京 211100）

随着国民经济水平的不断提高，公路交通日益发展致使公路桥梁越来越多，而公路上存在的车型日益复杂化及屡禁不止的超载现象，对桥梁的正常运营及使用寿命造成极大威胁，尤其是一些早期建造的老桥。为了保证桥梁的使用寿命及其承载能力，需对桥梁进行必要的维修和改造。由于设计、施工及材料老化的原因，板式橡胶支座在使用过程中，易发生异常变形、开裂、滑动等问题。而梁底面和支座垫石顶面不水平是该问题发生的主要原因，用顶升法将梁端顶起，调整支座垫石和梁底钢板的水平，并更换支座[1]。针对连云港某高速路段高架桥改造工程的需求以及旧设备存在的问题，结合现代测试计量技术，本文设计了一套新的基于集中式网络的液压比例同步顶升控制系统。

1 系统设计要求

为了实现系统的稳定、安全运行，对系统的设计提出以下要求：1）为减小因顶升控制误差过大导致桥梁结构变形、损坏的威胁，系统顶升与下降精度控制在0.1 mm以内；2）在操作方式上，可实现现地、远方、远程控制；3）为便于系统设备的搬运及系统今后的升级改造，系统需可拆分成和添加若干独立控制的子系统；4）数据需实时存储，以便在在线、离线的状态下对其进行查看、分析。

2 控制系统设计

根据系统设计的要求，为了实现系统的远方、远程控制，为了实现系统的重新组装、增减设备，控制系统采用集中式网络，使用光纤交换机作为中央节点，使用热备份方法的双机作为中心系统，其控制系统网络架构见图1。

为了实现系统的现地控制，控制系统使用腾控T－910 PLC和触摸屏TK6070iH完成子系统的数据采集、显示及控制，子系统架构见图2。

为了实现数据的实时存储，控制系统使用研华网际组态软件WebAccess作为工控机的人机交互界面。由于该软件提供实时趋势的显示模板以显示数据趋势图，用户可以指定趋势采样频率，也可以任意添加或更新实时趋势点。该软件将每个点的数据记录到单独的数据库中，而且不会丢失历史数据。

图1 控制系统网络架构Fig.1 Control system network architecture

图2 子系统架构Fig.2 Subsystem architecture

实现0.1 mm的控制精度，控制系统选用型号为RPS0500MD60A10的16位高精度磁滞伸缩位移传感器作为主位移传感器，其量程为500 mm，输出电流为4～20 mA，精度为0.005 mm；选用型号为T－910的PLC作为控制系统的逻辑控制器，通过硬件配置将模拟量输入类型设置为电流输入类型（0～20 mA），PLC通过16位A/D转换器将此范围内的模拟量值转换为0～20000之间的数字量值[2]。

2.1 控制系统配置

为了实现系统各设备间的数据传递、协调运作，必须对控制系统进行优化配置，配置主要包括以下几个方面：

1）双机热备份：集中式网络对中心系统的依赖性较高，为解决此问题，采用双机热备份的方法。当主监控节点出现故障时，将Hardkey（加密狗）移至热备份监控节点上，便可以达到监控节点的目的。

2）组态配置：包括对工程节点与监控节点的名称、IP地址及主次TCP端口等的设置；包括对通讯端口的通讯方式、端口号等的设置；包括对设备的驱动程序、IP地址等的设置；包括对数据库的数据导入导出、存档途径及有效期等的设置；包括对控制系统I/O点转换的设置。

3）路由器配置：为客户通过互联网对系统进行远程控制，在与光纤交换机直接相连的路由器上使用NAT（Network Addressing Translation）进行工程节点 IIS Web服务器端口、工程与监控节点主要 TCP端口及监控节点次要TCP端口的映射。在客户端一侧，客户可以通过带端口编号的路由器连接到公共 IP地址，从而对工程节点与监控节点进行访问，其格式为 http://ipaddress:port。

4）触摸屏、变频器配置：均采用RS－485屏蔽总线连接PLC实现数据的通信。

2.2 数字滤波

为了达到较高的控制精度，除了将所有动力线与信号传输线分开排布及使用屏蔽线单端接地的方法之外，还在软件上对信号进行滤波。针对该系统模拟量信号变化缓慢、有较强干扰的特性，对模拟量信号采用惯性值滤波法[3－4]。腾控T－910专用编程软件MULTIPROG EXPRESS 5.35中相关程序如下：

对以上程序封装处理生成功能块并直接调用。

由于灵敏度不完全相同，在实际操作中，触摸屏上的数字量按钮存在抖动现象。在PLC编程软件中用定时器对数字量信号进行滤波，并在触摸屏编程软件EB8000中延长最小按键时间。

2.3 控制算法

在顶升前，很难准确知道各点的重力；对于这种多变量耦合的系统，在顶升和下降的过程中，各个被控对象所对应点的重力又会发生变化；因此，很难找到固定不变的PID参数。

并且保证在使用时，进行定期的检查。气象站的仪器设备使用必须要接触到自然界的环境，因此，需要具有一定的应对恶劣天气的能力，尤其在夏季的暴雨多发季节和冬季的寒冷低温季节，都对设备的维护做出了考验。[2]在气象站中，应该建立严格的轮班制度进行检查，一旦发现问题及时处理。并且保证负责气象站仪器维护和检查的工作人员具有丰富的经验，能够针对各项问题都进行科学的维护与修理，保证气象站的运行不会受到仪器故障的不良影响。

在一次试顶时，采用阶跃响应法求出PID参数。阶跃响应法是使控制系统产生0～100%的阶跃输出MV，求出输入值变化对输出的动作特性参数：滞后时间L、最大斜率R[5－7]；如图3所示。

图3 阶跃响应法检测输入变化的动作特性Fig.3 Step response method to detect the input change action features

再通过Ziegler－Nichols经验公式来换算出PID的3个常数，如表1所示。

表1 输入动作特性与3个常数的关系Tab.1 Relations between input characteristics and three constant

腾控 T－910专用编程软件 MULTIPROG EXPRESS 5.35中相关程序如下：

对以上程序封装处理生成功能块Jieyue_1并直接调用。阶跃响应法相关梯形图如图4所示。

图4 阶跃响应法相关梯形图Fig.4 Ladder diagram related step response method

结合PLC自带的PID功能块及自编的功能块，在一次试顶时，求出PID的3个参数；利用求得的参数进行二次试顶，若能满足要求，则继续完成顶升工作；否则重新试顶，求出新的PID的3个参数。

2.4 人机界面

人机界面遵循直观易懂、简单易操作的原则 ，主界面如图5所示。

图5 主界面Fig.5 The main interface

系统共有5种工作方式：1）顶升自动控制模式；2）下降自动控制模式；3）顶升手动控制模式；4）下降手动控制模式；5）回油控制模式。

3 应用效果比较与分析

以连云港某高速路段高架桥改造工程的测量值为例，分析测量值的平滑性及同步性，并将其作为液压比例同步顶升系统与传统系统的比较对象。

任取一点，用带滤波功能的液压比例同步顶升系统和传统系统分别在不同时刻测量一枚硬币的高度（1.9 mm），其相关数据如表2所示。

表2 数据平滑性比较Tab.2 Comparison of data smoothing

经过滤波后的液压比例同步顶升系统的测量值波动均在0.08 mm以下，小于等于传统系统测量值的所有波动值；与传统系统相比，液压比例同步顶升系统的数据较为平滑。液压比例同步顶升系统测量值的标准差为0.047 mm，小于传统系统的0.226 mm，其离散程度更低。由此可见，液压比例同步顶升系统测量到的数据平滑性更好。

用液压比例同步顶升系统和传统系统分别对8根柱子上的部分桥梁顶升2.0 mm，其相关数据如表3所示。

表3 数据同步性比较Tab.3 Comparison of data synchronization

液压比例同步顶升系统所对应的8个点的行程绝对误差最大为0.08 mm，小于等于传统系统对应的所有值，同时也满足了系统设计的要求即小于0.1 mm。液压比例同步顶升系统的标准差为0.046 mm，小于传统系统的0.291 mm，其离散程度更低。与传统系统相比，液压比例同步顶升系统的同步性更好。

从以上两套系统应用效果的比较与分析中可以看出，液压比例同步顶升系统的数据不仅更精确、更平滑，而且其同步性也更好。

4 结 论

基于集中式网络液压同步顶升控制系统同步性更好且更加稳定；该控制系统完全满足设计所提出来的要求，实现比例同步顶升的自动运行；操作人员不仅可以在现地、远方控制，还可以通过互联网进行远程控制，实现多种控制手段；根据施工现场的需求，该系统可以拆分、重新组装，这样就不需将所有设备都带到现场，减少运输成本；0.1 mm的控制精度已经能满足国内绝大多数桥梁维修所需的要求；自2014年9月投入使用以来，该控制系统运行良好。

[1]乔乃洪，陈向辉.公路桥梁板式橡胶支座的病害及维修方法[J].交通运输工程与信息学报，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]吕国芳，吉鹏，李中豪.液压同步顶升控制系统传感器误差标定[J].测控技术，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]杨红梅，马茂冬.PLC系统中的数字滤波技术[J].自动化技术与应用，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.

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[5]史国生，王念春，赵阳.电气控制与可编程控制器技术[M].北京：化学工业出版社，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]关中玉，马亚鹏.二维搜索法处理对象阶跃响应曲线的研究[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.