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甘秋萍 （1966-）

女，高級工程師，現就職于柳州歐維姆機械股份有限公司，從事自動控制產品開發工作。

摘要：在桅桿起重和各種高聳結構中，纜風繩是重要的穩定系統，起著穩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繩預緊及放松設備的控制系統，包括控制系統的硬件結構、網絡配置、軟件結構等。

關鍵詞：控制系統；纜風繩；桅桿；預緊；放松；網絡

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構中，纜風繩是重要的穩定系統，起著穩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桅桿的纜風繩施以適量的預緊力，其目的是在桅桿加載后仍可基本保證預定的吊裝參數。

    大噸位桅桿都設6~8條纜風繩（如圖1所示），傳統的纜風繩預緊是針對獨立的某一條，每次預緊力只能依靠操作者的經驗加以控制，采用這種方法容易出現桅桿失去穩定的情況，特別是在進行一些大噸位反應塔的吊裝時，由于其就位后桅桿需平移一定的距離才能拆卸桅桿。在這過程中，纜風繩力的調節很難保證一致，因而穩定性較差。

    針對以上問題，本文介紹一種大噸位桅桿多根纜風繩同時預緊或放松設備的控制系統，以解決上述桅桿移動中采用傳統的纜風繩的預緊及放松過程中存在的穩定性較差的問題。該設備實現了多條纜風繩同時調節，受力可精確控制。

                        圖1   桅桿纜風繩示意圖

2 控制系統構成及參數

    桅桿高度一般為幾十米甚至上百米，每條纜風繩用一臺千斤頂對其施加預緊力，由液壓泵站提供動力，千斤頂之間通常相距100多米。對如此分散的千斤頂，若采用集中控制方式，則需要大量的長距離信號電纜及控制電纜，給施工帶來不便。同時每個工程的工況不一樣，系統的配置也不相同，為適應工程的多樣性，每個現場控制器要求既能就地控制，也能遠程控制，因此控制系統采用網絡控制（如圖2所示）。

                        圖2   控制系統框圖

    纜風繩控制系統由主控計算機（上位機）、現場控制器（下位機）、傳感器組及通信電纜組成。每個泵站配置一個現場控制器，每個現場控制器可控制1臺泵站及2臺千斤頂。其性能參數見表1。

                                     表1

3 通信網絡配置

3.1 網絡概述

    纜風繩控制系統的主控計算機采用工控機，實現整個系統的監控和數據檢測?，F場控制器采用可靠性高、維護方便且抗干擾能力強的可編程控制器（PLC），本控制系統采用OMRON系統PLC。工控機PCI插槽上擴展了Controller Link 支持卡3G8F7-CLK21-E，通過在現場級PLC的Controller Link線纜通信單元，將主控計算機和現場控制器組成Controller Link網絡（如圖3所示）。Controller Link網絡是OMRON工廠自動化領域用于PLC之間、計算機和PLC之間進行大容量數據交換的網絡。它可用于CQM1H、C200Ha、CJ1、CS1、CV1系列的PLC間靈活地進行數據傳遞。網絡中的每個節點都可作為主站進行數據的發送和接收，通過設置數據鏈接表可自動完成多節點間的數據鏈接。計算機作為一個節點可對PLC進行監控，編程運行組態軟件。

    本系統采用屏蔽雙絞線作為Controller Link網絡的通信介質，介質訪問方式為令牌總線方式。通信速率與通信距離的關系為：通信速率為2Mbps時，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，整個網絡通信距離可達3km。

    為了使現場控制器具有互換性，本纜風繩控制系統的6個現場控制器均采用CJ1M系列PLC，通信速率設為500Kbps，通信距離1km，滿足了長距離通信的要求。

                        圖3   Controller Link網絡示意圖

3.2 網絡數據鏈接

    Controller Link網絡在完成物理連接后，必須進行必要的參數設置，設置的參數包括通信單元的單元號、所在網絡的節點號、數據鏈接等。完成這些必要的工作后，即可實現PLC間、PLC和計算機間的互連。

    數據鏈接表可自動設定也可手動設定。自動設定僅限于數據存儲區（DM區），每個節點發送的數據區大小相等，所有的節點共享相同的數據區；手動設定可靈活的設定每個節點發送的數據及發送的字數，發送區及接收區包括I/O區（CIO區）、鏈接區（LR區）、數據存儲器區（DM區）和擴展數據存儲器區（EM區）。每個節點也可以僅僅接收或僅僅發送，甚至可以是僅接收某一節點的部分數據。

    本控制系統的數據鏈接表采用手動設定，鏈接數據為CIO區210個字，DM區140個字（如圖4所示）。

                        圖4   數據鏈接示意圖

3.3 PLC與組態軟件的通信方式

    當網絡建立以后，在計算機上通過用Controller Link支持板可使用組態軟件進行上位機監控。組態軟件和OMRON  PLC的通信方式主要有如下幾種方式。

    (1) 通過串口通信：由于OMRON的Hostlink命令公開，所以各組態軟件廠家編寫了支持OMRON的Hostlink驅動程序。如組態王中的SysmacWay，這樣不需要OMRON提供中間層的支持軟件。

    (2) 通過OMRON的FinsGateway中間層軟件和PLC通信，FinsGateway帶有以太網，CLK，SLK，Serial port，SysmacBoard 的驅動程序，可以驅動計算上的以太網卡，CLK板卡，SLK板卡和串口等。

    (3) 通過OPC（OLE for Process Control）Server訪問OMRON的PLC，OPC是現在較流行的工業統一接口，OMRON有Sysmac OPC，凡是支持OPC接口的組態軟件都可以可以通過OPC訪問OMRON PLC，而組態軟件廠家不需要再編寫新的驅動，只要支持OPC接口即可。

    本系統采用組態王軟件作為上位機開發平臺進行監控，通過FinsGateway中間層軟件實現組態王與OMRON PLC之間的通信。

4 系統軟件組成

    纜風繩控制軟件包括下位機軟件和上位機軟件（如圖5所示）。下位機軟件運行在各現場控制器的PLC中，上位機軟件運行在主控計算機中。

                        圖5   系統軟件組成框圖

    下位機軟件采用Cx-Programmar，用梯形圖方式編程，包括自動控制、手動控制、調整控制。自動控制為系統的主要運行方式，正常的提升和下降均采用此方式；手動控制為系統的輔助運行方式，局部調節采用此方式；調整控制與手動控制的區別在于手動控制時每臺頂的上下錨具必須有一個處于鎖緊狀態才能松開另一個錨具，而調整控制時每臺頂的上下錨具可同時處于松開狀態。此方式用于系統的安裝和解除。

    自動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作控制和作業流程控制。即按照預緊或放松的流程正確執行伸缸、縮缸、緊上錨、松上錨、緊下錨、松下錨指令，同時還要控制每個動作時間的長短。因此邏輯控制的主要工作是：不斷檢測上下夾持器的狀態和主頂活塞的位置，將信號輸入PLC后，經判斷與決策，再由PLC發出控制信號，驅動安裝在泵站上的電磁換向閥，實現千斤頂集群控制。

    (2) 位移控制子程序

    由于預緊纜風繩的頂分布在不同的工作點上，要實現千斤頂的同步控制，就要定義其中一個點為主令點，其余點為跟隨點。在預緊或放松過程中，設主令點比例閥電流恒定，進而油缸的伸缸速度恒定。PLC通過比較主令點與每個跟隨點的位移得出跟隨點同主令點的位移差。PLC根據跟隨點當前的位移差，依照一定的控制算法，決定相應比例閥的控制量大小，實現每一跟隨點與主令點的同步。

    同時，系統還設置了超差自動報警停機功能，一旦某跟隨點同主令點的位移差超過某一設定值，系統將自動報警停機，以便檢查。

    (3) 壓力控制子程序

    由于纜風繩的預緊采用了千斤頂張拉，而且每臺頂上又設有壓力變送器，可準確地檢測每條纜風繩的承載力的大小，同時，可根據預先設定的力的大小通過計算機控制準確的實現每條纜風繩預緊力的精確調節。如果某臺頂的載荷有異常的突變，則系統會自動停機，并報警示意。

    上位機軟件采用組態王，組態王是運行在Window2000/XP/NT上的一種組態軟件，由工程瀏覽器TouchMAK和畫面運行系統TouchVEW兩部分組成。TouchMAK是組態王軟件的核心部分和管理開發系統,它的功能是建立動畫顯示窗口。通過它提供的工具箱可方便建立實時曲線圖、歷史趨勢圖和報警記錄顯示。TouchVEW是顯示TochMAK中建立的圖形窗口的運行環境。組態王驅動程序通過Controller Link網絡與PLC進行通信，分別訪問相應的寄存器，以獲取現場各工藝參數的實際值或對現場的開關量和模擬量進行控制。

    上位機軟件包括工藝流程畫面、各千斤頂及泵站實時參數顯示畫面、系統參數設定畫面、系統操作畫面、歷史曲線畫面、報表畫面、數據庫查詢畫面。上位機軟件實現了對纜風繩預緊及放松過程的測量和控制，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算機屏幕上了解現場的全部運行狀況，包括各種報警。取得授權的操作人員能在中央控制室實現對任何一臺千斤頂及泵站的單獨操作或聯機操作。圖6為纜風繩預緊及放松設備運行畫面。

                        圖6   纜風繩預緊及放松設備運行畫面

5 控制系統的特點

5.1 可實現遠程控制

    由于采用分布式網絡控制技術，系統可以很方便地讓用戶遠程起動、停止泵站，遠程調節泵站的流量、壓力以及控制泵站完成各種動作（如主頂的伸缸、縮缸；上下夾持器的緊與松）。在聯機狀態下，所有的操作均由主控計算機完成，現場控制器只進行急停操作；在脫機狀態下，每個現場控制器可對現場千斤頂中的任何一臺或多臺進行自動、手動等操作。同時專家可以通過Internet在異地實時觀察現場設備的工作狀態。

5.2 容錯能力強，可靠性高，安全性好

    控制系統硬件上由于采用了分布式控制技術，可確保整個網絡不會因某個站點故障而崩潰，提高了系統的穩定性。同時遠程計算機、現場控制箱均設有緊急制動鍵實現緊急停止，確保系統安全。

    軟件上實現了不同級別的系統管理權限，操作員可以選擇操作模式，查看趨勢曲線及報表等；系統工程師可以根據實際情況對監控軟件和下位機軟件進行修改。取得權限的操作人員能在中央控制室實現對任何一臺千斤頂及泵站的單獨操作或聯機操作。

5.3 擴展性、適應性強

    由于采用了分布式結構，可根據每個工程的具體要求進行硬件配置，同時通過軟件可以現場對硬件配置進行“邏輯組合”，極大地提高了控制系統的適應性。

6  結束語

    本文論述的纜風繩預緊及放松設備的控制系統充分利用了ＰＬＣ抗干擾能力強、組網方便、適用于工業現場的特點，融合了先進的自動化技術、計算機技術、通訊技術、故障診斷技術和軟件技術，再加上組態軟件強大的數據處理和圖形表現的能力，使得該系統具有了功能強大、操作方便、可靠性高、組網簡單、維護容易等特點。該系統目前正應用于廣船國際龍門吊安裝工程。