天津西站主站楼平移动力控制系统设计

□文/杨 勇 张建政 颜秉玮 李 飞

□张建政/天津铁路建设投资控股（集团）有限公司。

□颜秉玮、李 飞/天津城建集团天演建筑物顶升移位工程有限公司。

天津西站主站楼平移动力控制系统设计

□文/杨 勇 张建政 颜秉玮 李 飞

文章以天津西站主站楼的平移工程为背景，从工程的具体需求出发，阐述了同步顶推控制系统的组成和工作原理。

天津西站；主站楼；平移；液压；控制系统；动力

随着城市化进程的不断加快、高速铁路的大力建设，天津西站主站楼列在京沪高铁西站站区总体拆建规划中，从保护文物的角度出发，实施西站主站楼整体平移。平移控制系统的设计将直接影响天津西站主站楼平移的成功与否。

1 平移工艺原理

建筑物平移的位移作为主要控制参数，将收集到的位移信号比较计算，该数据转换成压力信号发送给PLC泵站系统，从而控制各点的液压千斤顶顶推动作。通过各受控点之间的精确控制动作，整个同步控制系统达到一种运动中同步的目的，使建筑物在保持现有姿态的情况下进行整体移位。这种同步移位工艺可以保证建筑物在移位过程中产生的形变非常小，完全控制在建筑物允许产生的形变范围内，从而保证建筑物现有结构的安全，见图1。

2.1 人机交换界面

该系统主要由组态软件监控系统和PLC控制系统组成，下面分别介绍这两大系统在西站主站楼平移过程中起到的作用。

2 组态软件设计

组态（Configuration）是指多个不同模块间的任意组合。采用组态技术构成的计算机系统在硬件设计上，除采用工业PC机外，大量采用各种成熟通用的I/O借口设备和现场设备，基本不需要单独进行具体电路设计。不仅节约了硬件开发时间，更提高了工控系统的可靠性。在软件设计上由于采用成熟的工控专用组态软件进行系统设计，软件开发的周期大大缩短[1]。组态软件开发设计中分为人机交互界面、数据记录部分、实时数据库组态和控制策略模块4个分组。

人机交换图形界面组态就是用生动的图形界面、逼真的动画效果来描述实际工程问题。图形界面是由一个或多个用户窗口组合而成的，在用户窗口中，通过对多种图形对象的组态设置，建立相应的动画连接，用清晰生动的画面反映平移控制过程。用户窗口内的图形对象是以“所见即所得”的方式来构造的，也就是说，组态时用户窗口内的图形对象是什么样，运行时就是什么样，同时打印出来的结果也不变。因此，用户窗口除了构成图形界面以外，还可以作为报表中的一页来打印。把用户窗口视区的大小设置成对应纸张的大小，就可以打印出由各种复杂图形组成的报表。根据平移工程施工要求确定工程界面，其平移主界面见图2。

在平移主界面上，显示出A、B两个泵站连接的液压缸A1-A6、B1-B5顶推着西站主站楼。表格分别显示各泵站液压缸压力的实际值和设定值，位移的实际值和累计值，表示跟变量参数关联，在组态软件运行过程中，该符号显示关联变量的实际值。点击图中相应泵站的液压缸，即可设定该液压缸的参数。

位移传感器和液压缸之间的分组关联是任意的，根据工程实际布置情况现场关联，位移传感器并不固定属于某PLC的某一缸。这种设计方案增加了装备的通用性。实现液压缸和位移传感器的任意组合。

2.2 数据记录部分

1）数据库界面

数据库界面是专门为了记录某些特殊工况的压力和位移而设计的，通过选择数据库路径、连接数据库、创建表格、连接表格等操作之后，就可以随时记录数据和删除数据，为以后进行分析研究提供宝贵工程资料。

2）历史趋势界面

历史趋势界面功能主要是以曲线的方式显示各缸顶推过程中各个时刻的压力和位移，由此可以很容易地看出压力、位移的变化趋势，通过历史趋势界面可以在西站主站楼平移过程中出现问题进行及时分析。

2.3 实时数据库组态

实时数据库系统由管理器和运行系统组成，实时数据库将组态数据、实时数据、历史数据等以一定的组织形式存储在介质上。实时数据库运行系统可以完成对生产实时数据的各种操作：如实时数据处理、历史数据存储、统计数据处理、报警处理、数据服务请求处理等。管理器是管理实时数据库的开发环境（DbManager），通过DbManager可以生成实时数据库的基础组态数据，来供运行系统调用。

2.4 控制策略模块

三维力控组态软件提供了常规PID控制、比值控制、开关控制、斜坡控制。从实时数据库中读取采样值1到采样值k，k为历史采样个数，实时数据库中的采样值是实时更新的，新数据不断替换旧数据。通过预测，得到n个采样周期之后的预测采样值k＋n并将其保存到实时数据库中。然后，从实时数据库中读取设定值和预测采样值k＋n，进行比较，得到误差和误差变化率，将其送入模糊控制器，进行模糊化处理、模糊规则推理、逆模糊化，得到控制输出并将其保存到实时数据库，供I/O设备调用。

3 可编程控制器PLC(ProgrammableLogic Controller)

PLC控制系统是作为整个系统的底层核心所在，它是连接系统硬件的一个中枢神经，组态软件通过连接PLC进行复杂的程序操作。PLC作为一种新型的、通用的可编程控制装置，用软件编程代替原有的继电器硬件布线控制，具有功能强、可靠性高、使用灵活方便、易于编程以及工业环境适应性强等诸多特点。在天津西站主站楼平移工程中应用PLC同时结合组态软件，创建了安全监控的软件平台，为自动控制系统构建检测和故障监控系统[2]。

3.1 PLC硬件

经过多方调研采用日本OMRON公司CJ系列PLC，PLC各输入、输出单元模块在控制系统中的功能见图3。

图3 PLC各输入和输出单元功能

1）数字量输入单元接收泵站启动、停止以及急停按钮信号并将其传送到组态实时数据库中，存储在数字量输入数据区，随时供系统调用。

2）数字量输出单元每一扫描周期都要从实时数据库中的数字量输出数据区提取控制信号并将其传送到相应的执行机构，控制油泵电机、油泵卸荷、顶升或推进、下降或收缸以及液控单向阀的反向压力开启。

3）模拟量输入单元主要是采集压力传感器组和位移传感器组送来的信号并将信号存储到实时数据库中的模拟量输入数据区，以供人机交互界面显示数据和控制策略判断下一时刻输出。

4）模拟量输出单元则是把实时数据库模拟量输出数据区中的控制输出值输出到对应的电液比例减压阀控制器，控制执行机构动作。

3.2 PLC编程环境

OMRON公司的PLC系列的编程软件为CX-Programmer，该软件为梯形逻辑编程提供了灵活性大、可靠性高、生产率高的编程环境。

CX-Programmer软件提供了丰富的编程指令，例如继电器类型指令、计时和计数指令、比较指令、逻辑和算术计算指令、转换和传送指令、文件指令、位移寄存器指令、顺序器指令、程序控制指令、过程控制和信息指令、块传送指令等，利用这些丰富的指令集开发人员可以编写出满足工业控制的PLC运行程序。结合软件的仿真功能，用户可以在启动和运行前测试和调试所有的梯形图逻辑程序。所编写好的程序经过编译测试通过后，下载到PLC的存储器中就可以独立运行，从而实现了PLC对现场设备的过程控制。

4 液压控制系统

为了实现多缸施力同步控制的技术要求，每个液压缸配以电液比例减压阀和压力传感器，组成快速闭环调压回路，每个液压缸的动作情况直接受控于电液比例减压阀。考虑到百年建筑平移施工的平稳性和安全性，出缸速度较慢，最大速度30mm/min。其控制方法根据电液比例减压阀出口和液压缸之间流量确定

式中：l=50m，为高压软管长度；d=10mm，为高压软管孔径；μ为动力粘度；PA为电液比例减压阀出口压力；P为由载荷产生的液压缸内部压力，即平衡压力。

通过实时改变电液比例减压阀出口压力PA，调整高压软管两端的压差，使流过高压软管的流量实时改变，进而达到控制液压缸速度的目的。当PA＞P时，q为正，液压缸大腔供油，活塞伸出；当PA＜P时，q为负，液压缸大腔回油，活塞在外载荷作用下缩回；当PA=P时，q为0，液压缸停止运动。流量调整不能超过该电液比例减压阀的额定流量，虽有一定的局限性，但能够满足工程的实际需求。

5 结语

通过对组态控制系统、PLC控制系统和液压控制系统，各个系统之间实时数据处理、历史数据存储、统计数据处理、报警处理、数据服务请求处理等平移动力控制系统设计，使西站主站楼平移工程得到了顺利实施。整个平移过程的控制实现了计算机自行比较、对比发出指令，操作员仅仅是对每次行程的位移、压力上限进行设定，确保了西站主站楼平移的顺利实施，也为今后建筑物平移留下了宝贵的资料。

[1]袁秀英.组态控制技术[M].北京：电子工业出版社，2003.

[2]钱 昕.基于PLC控制的八层电梯及组态监控系统设计[J].苏州工职院，2008，（1）：10-12.

TU746.4

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1008-3197（2011）02-10-03

2011-02-21

杨 勇/男，1981年出生，工程师，天津城建集团天演建筑物顶升移位工程有限公司主任工程师，从事建筑物顶升移位技术研究工作。

□张建政/天津铁路建设投资控股（集团）有限公司。

□颜秉玮、李 飞/天津城建集团天演建筑物顶升移位工程有限公司。