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甘秋萍 （1966-）

女，高級(jí)工程師，現(xiàn)就職于柳州歐維姆機(jī)械股份有限公司，從事自動(dòng)控制產(chǎn)品開(kāi)發(fā)工作。

摘要：在桅桿起重和各種高聳結(jié)構(gòu)中，纜風(fēng)繩是重要的穩(wěn)定系統(tǒng)，起著穩(wěn)定桅桿并承受桅桿起重吊裝中部分載荷的作用。本文介紹了一種用于纜風(fēng)繩預(yù)緊及放松設(shè)備的控制系統(tǒng)，包括控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)配置、軟件結(jié)構(gòu)等。

關(guān)鍵詞：控制系統(tǒng)；纜風(fēng)繩；桅桿；預(yù)緊；放松；網(wǎng)絡(luò)

Abstract: In the application of backstay lifting and high structural frameworks, cable 
mooring rope is an important stabilization system, which can make the cable mooring rope
 stable and tolerate the weight from the lift. This article introduces a new control system
 for tightening and loosening Cable mooring rope according of hardware, network confi-
guration, softwar.

Key words: Control System; Cable mooring rope; Backstay; Tighten; Loosen

1 前言 

    在桅桿起重和各種高聳結(jié)構(gòu)中，纜風(fēng)繩是重要的穩(wěn)定系統(tǒng)，起著穩(wěn)定桅桿并承受桅桿起重吊裝中部分載荷的作用。在桅桿承載前必須對(duì)桅桿的纜風(fēng)繩施以適量的預(yù)緊力，其目的是在桅桿加載后仍可基本保證預(yù)定的吊裝參數(shù)。

    大噸位桅桿都設(shè)6~8條纜風(fēng)繩（如圖1所示），傳統(tǒng)的纜風(fēng)繩預(yù)緊是針對(duì)獨(dú)立的某一條，每次預(yù)緊力只能依靠操作者的經(jīng)驗(yàn)加以控制，采用這種方法容易出現(xiàn)桅桿失去穩(wěn)定的情況，特別是在進(jìn)行一些大噸位反應(yīng)塔的吊裝時(shí)，由于其就位后桅桿需平移一定的距離才能拆卸桅桿。在這過(guò)程中，纜風(fēng)繩力的調(diào)節(jié)很難保證一致，因而穩(wěn)定性較差。

    針對(duì)以上問(wèn)題，本文介紹一種大噸位桅桿多根纜風(fēng)繩同時(shí)預(yù)緊或放松設(shè)備的控制系統(tǒng)，以解決上述桅桿移動(dòng)中采用傳統(tǒng)的纜風(fēng)繩的預(yù)緊及放松過(guò)程中存在的穩(wěn)定性較差的問(wèn)題。該設(shè)備實(shí)現(xiàn)了多條纜風(fēng)繩同時(shí)調(diào)節(jié)，受力可精確控制。

                        圖1   桅桿纜風(fēng)繩示意圖

2 控制系統(tǒng)構(gòu)成及參數(shù)

    桅桿高度一般為幾十米甚至上百米，每條纜風(fēng)繩用一臺(tái)千斤頂對(duì)其施加預(yù)緊力，由液壓泵站提供動(dòng)力，千斤頂之間通常相距100多米。對(duì)如此分散的千斤頂，若采用集中控制方式，則需要大量的長(zhǎng)距離信號(hào)電纜及控制電纜，給施工帶來(lái)不便。同時(shí)每個(gè)工程的工況不一樣，系統(tǒng)的配置也不相同，為適應(yīng)工程的多樣性，每個(gè)現(xiàn)場(chǎng)控制器要求既能就地控制，也能遠(yuǎn)程控制，因此控制系統(tǒng)采用網(wǎng)絡(luò)控制（如圖2所示）。

                        圖2   控制系統(tǒng)框圖

    纜風(fēng)繩控制系統(tǒng)由主控計(jì)算機(jī)（上位機(jī)）、現(xiàn)場(chǎng)控制器（下位機(jī)）、傳感器組及通信電纜組成。每個(gè)泵站配置一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)控制器，每個(gè)現(xiàn)場(chǎng)控制器可控制1臺(tái)泵站及2臺(tái)千斤頂。其性能參數(shù)見(jiàn)表1。

                                     表1

3 通信網(wǎng)絡(luò)配置

3.1 網(wǎng)絡(luò)概述

    纜風(fēng)繩控制系統(tǒng)的主控計(jì)算機(jī)采用工控機(jī)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的監(jiān)控和數(shù)據(jù)檢測(cè)。現(xiàn)場(chǎng)控制器采用可靠性高、維護(hù)方便且抗干擾能力強(qiáng)的可編程控制器（PLC），本控制系統(tǒng)采用OMRON系統(tǒng)PLC。工控機(jī)PCI插槽上擴(kuò)展了Controller Link 支持卡3G8F7-CLK21-E，通過(guò)在現(xiàn)場(chǎng)級(jí)PLC的Controller Link線纜通信單元，將主控計(jì)算機(jī)和現(xiàn)場(chǎng)控制器組成Controller Link網(wǎng)絡(luò)（如圖3所示）。Controller Link網(wǎng)絡(luò)是OMRON工廠自動(dòng)化領(lǐng)域用于PLC之間、計(jì)算機(jī)和PLC之間進(jìn)行大容量數(shù)據(jù)交換的網(wǎng)絡(luò)。它可用于CQM1H、C200Ha、CJ1、CS1、CV1系列的PLC間靈活地進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞。網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可作為主站進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，通過(guò)設(shè)置數(shù)據(jù)鏈接表可自動(dòng)完成多節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)鏈接。計(jì)算機(jī)作為一個(gè)節(jié)點(diǎn)可對(duì)PLC進(jìn)行監(jiān)控，編程運(yùn)行組態(tài)軟件。

    本系統(tǒng)采用屏蔽雙絞線作為Controller Link網(wǎng)絡(luò)的通信介質(zhì)，介質(zhì)訪問(wèn)方式為令牌總線方式。通信速率與通信距離的關(guān)系為：通信速率為2Mbps時(shí)，通信距離500m；通信速率為1Mbps，通信距離800m；通信速率為500Kbps，通信距離1km。若使用中繼放大器，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)通信距離可達(dá)3km。

    為了使現(xiàn)場(chǎng)控制器具有互換性，本纜風(fēng)繩控制系統(tǒng)的6個(gè)現(xiàn)場(chǎng)控制器均采用CJ1M系列PLC，通信速率設(shè)為500Kbps，通信距離1km，滿足了長(zhǎng)距離通信的要求。

                        圖3   Controller Link網(wǎng)絡(luò)示意圖

3.2 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)鏈接

    Controller Link網(wǎng)絡(luò)在完成物理連接后，必須進(jìn)行必要的參數(shù)設(shè)置，設(shè)置的參數(shù)包括通信單元的單元號(hào)、所在網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)號(hào)、數(shù)據(jù)鏈接等。完成這些必要的工作后，即可實(shí)現(xiàn)PLC間、PLC和計(jì)算機(jī)間的互連。

    數(shù)據(jù)鏈接表可自動(dòng)設(shè)定也可手動(dòng)設(shè)定。自動(dòng)設(shè)定僅限于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)（DM區(qū)），每個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)區(qū)大小相等，所有的節(jié)點(diǎn)共享相同的數(shù)據(jù)區(qū)；手動(dòng)設(shè)定可靈活的設(shè)定每個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)及發(fā)送的字?jǐn)?shù)，發(fā)送區(qū)及接收區(qū)包括I/O區(qū)（CIO區(qū)）、鏈接區(qū)（LR區(qū)）、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器區(qū)（DM區(qū)）和擴(kuò)展數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器區(qū)（EM區(qū)）。每個(gè)節(jié)點(diǎn)也可以僅僅接收或僅僅發(fā)送，甚至可以是僅接收某一節(jié)點(diǎn)的部分?jǐn)?shù)據(jù)。

    本控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)鏈接表采用手動(dòng)設(shè)定，鏈接數(shù)據(jù)為CIO區(qū)210個(gè)字，DM區(qū)140個(gè)字（如圖4所示）。

                        圖4   數(shù)據(jù)鏈接示意圖

3.3 PLC與組態(tài)軟件的通信方式

    當(dāng)網(wǎng)絡(luò)建立以后，在計(jì)算機(jī)上通過(guò)用Controller Link支持板可使用組態(tài)軟件進(jìn)行上位機(jī)監(jiān)控。組態(tài)軟件和OMRON  PLC的通信方式主要有如下幾種方式。

    (1) 通過(guò)串口通信：由于OMRON的Hostlink命令公開(kāi)，所以各組態(tài)軟件廠家編寫(xiě)了支持OMRON的Hostlink驅(qū)動(dòng)程序。如組態(tài)王中的SysmacWay，這樣不需要OMRON提供中間層的支持軟件。

    (2) 通過(guò)OMRON的FinsGateway中間層軟件和PLC通信，F(xiàn)insGateway帶有以太網(wǎng)，CLK，SLK，Serial port，SysmacBoard 的驅(qū)動(dòng)程序，可以驅(qū)動(dòng)計(jì)算上的以太網(wǎng)卡，CLK板卡，SLK板卡和串口等。

    (3) 通過(guò)OPC（OLE for Process Control）Server訪問(wèn)OMRON的PLC，OPC是現(xiàn)在較流行的工業(yè)統(tǒng)一接口，OMRON有Sysmac OPC，凡是支持OPC接口的組態(tài)軟件都可以可以通過(guò)OPC訪問(wèn)OMRON PLC，而組態(tài)軟件廠家不需要再編寫(xiě)新的驅(qū)動(dòng)，只要支持OPC接口即可。

    本系統(tǒng)采用組態(tài)王軟件作為上位機(jī)開(kāi)發(fā)平臺(tái)進(jìn)行監(jiān)控，通過(guò)FinsGateway中間層軟件實(shí)現(xiàn)組態(tài)王與OMRON PLC之間的通信。

4 系統(tǒng)軟件組成

    纜風(fēng)繩控制軟件包括下位機(jī)軟件和上位機(jī)軟件（如圖5所示）。下位機(jī)軟件運(yùn)行在各現(xiàn)場(chǎng)控制器的PLC中，上位機(jī)軟件運(yùn)行在主控計(jì)算機(jī)中。

                        圖5   系統(tǒng)軟件組成框圖

    下位機(jī)軟件采用Cx-Programmar，用梯形圖方式編程，包括自動(dòng)控制、手動(dòng)控制、調(diào)整控制。自動(dòng)控制為系統(tǒng)的主要運(yùn)行方式，正常的提升和下降均采用此方式；手動(dòng)控制為系統(tǒng)的輔助運(yùn)行方式，局部調(diào)節(jié)采用此方式；調(diào)整控制與手動(dòng)控制的區(qū)別在于手動(dòng)控制時(shí)每臺(tái)頂?shù)纳舷洛^具必須有一個(gè)處于鎖緊狀態(tài)才能松開(kāi)另一個(gè)錨具，而調(diào)整控制時(shí)每臺(tái)頂?shù)纳舷洛^具可同時(shí)處于松開(kāi)狀態(tài)。此方式用于系統(tǒng)的安裝和解除。

    自動(dòng)控制程序中又包括邏輯控制主程序、位移控制子程序、壓力控制子程序。

    (1) 邏輯控制主程序

    邏輯控制是指提升千斤頂集群動(dòng)作控制和作業(yè)流程控制。即按照預(yù)緊或放松的流程正確執(zhí)行伸缸、縮缸、緊上錨、松上錨、緊下錨、松下錨指令，同時(shí)還要控制每個(gè)動(dòng)作時(shí)間的長(zhǎng)短。因此邏輯控制的主要工作是：不斷檢測(cè)上下夾持器的狀態(tài)和主頂活塞的位置，將信號(hào)輸入PLC后，經(jīng)判斷與決策，再由PLC發(fā)出控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)安裝在泵站上的電磁換向閥，實(shí)現(xiàn)千斤頂集群控制。

    (2) 位移控制子程序

    由于預(yù)緊纜風(fēng)繩的頂分布在不同的工作點(diǎn)上，要實(shí)現(xiàn)千斤頂?shù)耐娇刂疲鸵x其中一個(gè)點(diǎn)為主令點(diǎn)，其余點(diǎn)為跟隨點(diǎn)。在預(yù)緊或放松過(guò)程中，設(shè)主令點(diǎn)比例閥電流恒定，進(jìn)而油缸的伸缸速度恒定。PLC通過(guò)比較主令點(diǎn)與每個(gè)跟隨點(diǎn)的位移得出跟隨點(diǎn)同主令點(diǎn)的位移差。PLC根據(jù)跟隨點(diǎn)當(dāng)前的位移差，依照一定的控制算法，決定相應(yīng)比例閥的控制量大小，實(shí)現(xiàn)每一跟隨點(diǎn)與主令點(diǎn)的同步。

    同時(shí)，系統(tǒng)還設(shè)置了超差自動(dòng)報(bào)警停機(jī)功能，一旦某跟隨點(diǎn)同主令點(diǎn)的位移差超過(guò)某一設(shè)定值，系統(tǒng)將自動(dòng)報(bào)警停機(jī)，以便檢查。

    (3) 壓力控制子程序

    由于纜風(fēng)繩的預(yù)緊采用了千斤頂張拉，而且每臺(tái)頂上又設(shè)有壓力變送器，可準(zhǔn)確地檢測(cè)每條纜風(fēng)繩的承載力的大小，同時(shí)，可根據(jù)預(yù)先設(shè)定的力的大小通過(guò)計(jì)算機(jī)控制準(zhǔn)確的實(shí)現(xiàn)每條纜風(fēng)繩預(yù)緊力的精確調(diào)節(jié)。如果某臺(tái)頂?shù)妮d荷有異常的突變，則系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)停機(jī)，并報(bào)警示意。

    上位機(jī)軟件采用組態(tài)王，組態(tài)王是運(yùn)行在Window2000/XP/NT上的一種組態(tài)軟件，由工程瀏覽器TouchMAK和畫(huà)面運(yùn)行系統(tǒng)TouchVEW兩部分組成。TouchMAK是組態(tài)王軟件的核心部分和管理開(kāi)發(fā)系統(tǒng),它的功能是建立動(dòng)畫(huà)顯示窗口。通過(guò)它提供的工具箱可方便建立實(shí)時(shí)曲線圖、歷史趨勢(shì)圖和報(bào)警記錄顯示。TouchVEW是顯示TochMAK中建立的圖形窗口的運(yùn)行環(huán)境。組態(tài)王驅(qū)動(dòng)程序通過(guò)Controller Link網(wǎng)絡(luò)與PLC進(jìn)行通信，分別訪問(wèn)相應(yīng)的寄存器，以獲取現(xiàn)場(chǎng)各工藝參數(shù)的實(shí)際值或?qū)ΜF(xiàn)場(chǎng)的開(kāi)關(guān)量和模擬量進(jìn)行控制。

    上位機(jī)軟件包括工藝流程畫(huà)面、各千斤頂及泵站實(shí)時(shí)參數(shù)顯示畫(huà)面、系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定畫(huà)面、系統(tǒng)操作畫(huà)面、歷史曲線畫(huà)面、報(bào)表畫(huà)面、數(shù)據(jù)庫(kù)查詢畫(huà)面。上位機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)了對(duì)纜風(fēng)繩預(yù)緊及放松過(guò)程的測(cè)量和控制，形象、直觀地模擬了千斤頂及泵站的工藝流程，操作人員能在中央控制室的計(jì)算機(jī)屏幕上了解現(xiàn)場(chǎng)的全部運(yùn)行狀況，包括各種報(bào)警。取得授權(quán)的操作人員能在中央控制室實(shí)現(xiàn)對(duì)任何一臺(tái)千斤頂及泵站的單獨(dú)操作或聯(lián)機(jī)操作。圖6為纜風(fēng)繩預(yù)緊及放松設(shè)備運(yùn)行畫(huà)面。

                        圖6   纜風(fēng)繩預(yù)緊及放松設(shè)備運(yùn)行畫(huà)面

5 控制系統(tǒng)的特點(diǎn)

5.1 可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制

    由于采用分布式網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)，系統(tǒng)可以很方便地讓用戶遠(yuǎn)程起動(dòng)、停止泵站，遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)泵站的流量、壓力以及控制泵站完成各種動(dòng)作（如主頂?shù)纳旄住⒖s缸；上下夾持器的緊與松）。在聯(lián)機(jī)狀態(tài)下，所有的操作均由主控計(jì)算機(jī)完成，現(xiàn)場(chǎng)控制器只進(jìn)行急停操作；在脫機(jī)狀態(tài)下，每個(gè)現(xiàn)場(chǎng)控制器可對(duì)現(xiàn)場(chǎng)千斤頂中的任何一臺(tái)或多臺(tái)進(jìn)行自動(dòng)、手動(dòng)等操作。同時(shí)專家可以通過(guò)Internet在異地實(shí)時(shí)觀察現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的工作狀態(tài)。

5.2 容錯(cuò)能力強(qiáng)，可靠性高，安全性好

    控制系統(tǒng)硬件上由于采用了分布式控制技術(shù)，可確保整個(gè)網(wǎng)絡(luò)不會(huì)因某個(gè)站點(diǎn)故障而崩潰，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。同時(shí)遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)、現(xiàn)場(chǎng)控制箱均設(shè)有緊急制動(dòng)鍵實(shí)現(xiàn)緊急停止，確保系統(tǒng)安全。

    軟件上實(shí)現(xiàn)了不同級(jí)別的系統(tǒng)管理權(quán)限，操作員可以選擇操作模式，查看趨勢(shì)曲線及報(bào)表等；系統(tǒng)工程師可以根據(jù)實(shí)際情況對(duì)監(jiān)控軟件和下位機(jī)軟件進(jìn)行修改。取得權(quán)限的操作人員能在中央控制室實(shí)現(xiàn)對(duì)任何一臺(tái)千斤頂及泵站的單獨(dú)操作或聯(lián)機(jī)操作。

5.3 擴(kuò)展性、適應(yīng)性強(qiáng)

    由于采用了分布式結(jié)構(gòu)，可根據(jù)每個(gè)工程的具體要求進(jìn)行硬件配置，同時(shí)通過(guò)軟件可以現(xiàn)場(chǎng)對(duì)硬件配置進(jìn)行“邏輯組合”，極大地提高了控制系統(tǒng)的適應(yīng)性。

6  結(jié)束語(yǔ)

    本文論述的纜風(fēng)繩預(yù)緊及放松設(shè)備的控制系統(tǒng)充分利用了ＰＬＣ抗干擾能力強(qiáng)、組網(wǎng)方便、適用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的特點(diǎn)，融合了先進(jìn)的自動(dòng)化技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、通訊技術(shù)、故障診斷技術(shù)和軟件技術(shù)，再加上組態(tài)軟件強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理和圖形表現(xiàn)的能力，使得該系統(tǒng)具有了功能強(qiáng)大、操作方便、可靠性高、組網(wǎng)簡(jiǎn)單、維護(hù)容易等特點(diǎn)。該系統(tǒng)目前正應(yīng)用于廣船國(guó)際龍門(mén)吊安裝工程。