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李振興 （1963-）

男，碩士，高級工程師，研究方向為變頻調(diào)速控制，自動化控制。東北大學(xué)在讀博士。現(xiàn)任傳動事業(yè)部副部長。

摘要：北京第29屆奧運會主火炬是歷屆奧運會構(gòu)思最獨特、造型最完美、史無前例的火炬塔，集中體現(xiàn)了中華名族的智慧，展現(xiàn)的是中華民族屹立于世界東方的風(fēng)采。自2001年7月13日申辦成功以來，北京奧運會一直是大家共同關(guān)注的一件大事，火炬塔的點燃圓了中華民族百年的奧運夢想，對整個中國必將產(chǎn)生巨大的社會效益；火炬塔自動化控制系統(tǒng)包括水平移動的變頻控制和火炬塔舉升的液壓控制，由總裝備部設(shè)計研究院做一次設(shè)計，北京首鋼自動化信息技術(shù)有限公司做二次設(shè)計、設(shè)備制造、安裝、調(diào)試及操作任務(wù)，本文對火炬塔制作工藝、自動化控制系統(tǒng)硬件及軟件配置、關(guān)鍵技術(shù)做了較詳細(xì)的闡述。

關(guān)鍵詞：水平運動；液壓舉升；變給定控制；同步控制；精確定位

Abstract: The 29th Beijing Olympic torch tower is from the most unique idea, and of the 
most perfect shape of all. It embodies the wisdom of the Chinese shows the Chinese nation 
are standing in the Oriental style.  Since its successful bid on July 13, 2001Beijing 
Olympic Game has always been a concern for all of us. It realizes the Olympic dream of the
 Chinese nation for centuries and will bring enormous social benefits to the whole China.
 Torch tower automation control system includes the variable frequency control of 
horizontal movement and the hydraulic lift controls.  Primary design is completed by Design
 Research Institute of the General Armament Department， and Beijing Shougang Automation 
Information Technology Co., Ltd.  implements the second design, equipments manufacture, 
installation, debug and operation，  In this paper, we describe in detail the hardware and 
software configuration and the key technology of the torch tower manufacturing, automation 
control system.

Key words: horizontal movement; hydraulic lift; variable setpoint control; synchronous 
control; precise location

1 工藝描述

    主火炬塔總長約32米、厚度6.8米、寬度約13.2米,安裝在鳥巢東北角的上表面，火炬的運行可分為水平移動和90度翻轉(zhuǎn)兩個過程。

1.1 水平運動

    火炬本體由兩臺小車拖動行走，分別運行在2個平行的軌道梁上，每臺小車由1臺變頻器控制，2臺變頻器為主從控制方式。平時主火炬平臥在軌道上，停留在離碗口31米處，為火炬的初始位置，平移時，變頻器將驅(qū)動電機(jī)以一個變給定的速度向碗口方向運行到翻轉(zhuǎn)位置，水平移動距離31米。

1.2 液壓舉升

    由于該主火炬塔外型尺寸巨大且不規(guī)則，設(shè)備重量較重，翻轉(zhuǎn)過程中油缸行程很長，負(fù)載變化非常大，既有正負(fù)載又有負(fù)負(fù)載，且無法準(zhǔn)確地計算出變化曲線，而且舉升機(jī)構(gòu)安裝空間非常狹小，故給液壓控制系統(tǒng)的設(shè)計和參數(shù)調(diào)試帶來了很大的困難。也正是由于以上原因，成就了該液壓控制系統(tǒng)的獨特性，使其從眾多的常規(guī)控制系統(tǒng)中脫穎而出。

1.2.1舉升機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特點

    舉升時隨著高度變化自動實現(xiàn)推力的階梯遞減。兩條同規(guī)格的大型三級伸縮油缸即主舉升缸和兩條同規(guī)格的中型二級伸縮油缸即輔助舉升缸組成“人”字形的穩(wěn)定連桿機(jī)構(gòu)，輔助舉升缸缸體側(cè)分別穿在兩條自由缸體內(nèi)，主舉升缸缸體和自由缸缸體的耳環(huán)通過同心軸連接成“人”字的頭部，主舉升缸和輔助舉升缸的桿端耳環(huán)分別固定在輥道梁的兩根橫梁上，形成人字的底部。此機(jī)構(gòu)收回時能以較小的尺寸臥在輥道梁里，伸出時主舉升缸最大行程可達(dá)8400mm，輔助舉升缸最大行程可達(dá)3560mm，以滿足巨大的火炬翻轉(zhuǎn)軌跡和較小的安裝空間要求。空載時主缸和輔缸同時工作按自身的軌跡實現(xiàn)該機(jī)構(gòu)的升降功能，帶負(fù)載時輔缸脫離作用點但不脫離舉升機(jī)構(gòu)，主缸按火炬翻轉(zhuǎn)的軌跡行走。火炬隨著翻起角度的增大，所需推力逐漸減小，多級主舉升缸倒置的設(shè)計可使推力逐級變小，使得火炬在低位時獲得較大的推力，高位時推力相應(yīng)變小。

1.2.2舉升機(jī)構(gòu)的同步控制方式

    兩條主舉升缸由同一個比例閥控制其運動方向和總速度，用分流閥來達(dá)到兩缸的粗同步控制，再用一個精度較高的小通徑比例閥進(jìn)行高精度的同步調(diào)節(jié)。兩缸的位移檢測后返回計算機(jī)進(jìn)行比較，當(dāng)其中某條缸速度較慢時，則由高精度的同步調(diào)節(jié)閥補沖油液直至達(dá)到同步為止。這樣計算機(jī)只需對一個閥門進(jìn)行調(diào)節(jié)控制就解決了兩缸同步精調(diào)問題，如果用常規(guī)辦法則需用兩閥分別控制兩缸，且主閥大不易控制精度，在翻轉(zhuǎn)時負(fù)載變化巨大且有負(fù)負(fù)載存在，使主閥的流量特性不穩(wěn)定，控制程序較復(fù)雜，很難達(dá)到所需精度。

1.2.3火炬舉升時的負(fù)載特性

    火炬在其翻轉(zhuǎn)過程中的力控制尤為重要，出現(xiàn)了一些超出原設(shè)計控制能力的現(xiàn)象，顯示出較強的產(chǎn)品研制特性。以至于調(diào)試過程中即時變更力控制方式，使火炬能平穩(wěn)安全地運行。舉升機(jī)構(gòu)負(fù)載調(diào)試時出現(xiàn)回程阻力較大，多級缸拉力不夠，當(dāng)火炬翻轉(zhuǎn)過零界點后巨大的負(fù)負(fù)載使火炬快速翻起，主比例閥的節(jié)流特性不足以在有桿腔中產(chǎn)生足夠的背壓來平衡負(fù)載，而由于主比例閥的節(jié)流作用又使得無桿腔的油液供應(yīng)不足形成抽真空現(xiàn)象。針對以上問題設(shè)計和制作團(tuán)隊及時分析研究，調(diào)整力控制方案，最終確定在舉升機(jī)構(gòu)的對側(cè)增加四條頂升缸，并重點控制頂升缸的速度和背壓，使火炬在過零界點前被頂升缸接住，然后平穩(wěn)安全地完成零界點后的翻轉(zhuǎn)動作。同時將泵源的溢流閥改為比例調(diào)節(jié)閥，通過計算機(jī)控制實現(xiàn)推力大小的適時調(diào)節(jié)。

1.2.4主火炬舉升的工藝過程

    自動化控制系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)液壓動力以及各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的速度和方向，實現(xiàn)火炬向鳥巢內(nèi)沿的翻轉(zhuǎn)。

    （1）小車固定與火炬低位連接

    主火炬塔在水平狀態(tài)由運行小車從31米處運行到0米處后，兩條小車定位插銷缸推出，將前端的主動小車固定在輥道梁上，同時四條輔助閉鎖缸推出，將隨動小車固定住。然后同步控制的兩條主舉升缸和兩條輔助舉升缸推出，通過位移控制將舉升機(jī)構(gòu)準(zhǔn)確運行到與火炬塔的低位連接點處，此時設(shè)于舉升機(jī)構(gòu)頂部的兩條火炬連接插銷缸推出，將舉升機(jī)構(gòu)與火炬塔連接在一起。

    （2） 火炬翻起與固定

    主舉升缸繼續(xù)推出使火炬塔繞著位于前端主動小車處的轉(zhuǎn)軸向上旋轉(zhuǎn)，使火炬塔緩緩升起；同時輔舉升缸也斷續(xù)推出，通過位移控制使輔舉升缸既脫離翻轉(zhuǎn)作用力點，使火炬不受輔舉升缸推力，又始終控制在自由缸行程范圍內(nèi)，使舉升機(jī)構(gòu)不至于拉脫損壞；與此同時位于火炬塔轉(zhuǎn)軸另一側(cè)的四條頂升缸推出到行程920mm處，等待火炬翻轉(zhuǎn)到一定角度時接住火炬。當(dāng)主舉升缸運行到4500mm處接近零界點時，四條頂升缸接住火炬后反向退回，并控制其退回速度和背壓，使其速度與主舉升缸速度匹配并獲得適中的托舉力，同時主舉升缸轉(zhuǎn)換至較低壓力繼續(xù)運行以減小推力。當(dāng)主舉升缸運行到8041mm時，頂升缸退到0位，火炬塔翻起到位，舉升機(jī)構(gòu)和頂升缸停止動作，位于最前端的火炬翻起定位銷油缸推出，將火炬前側(cè)固定在導(dǎo)輥梁上。

    （3） 舉升機(jī)構(gòu)收回

    輔舉升缸上升至自由缸頂部，火炬連接銷油缸退回，到位后主舉升缸和輔助舉升缸退回，舉升機(jī)構(gòu)下落回到原位。

    （4）火炬塔收回

    主舉升缸和輔助舉升缸推出，通過位置控制舉升機(jī)構(gòu)上升至高位連接點處，火炬連接銷油缸推出將舉升機(jī)構(gòu)與火炬塔相連，火炬翻起定位油缸收回拔出定位銷，然后主舉升缸收回，同時頂升缸推出，將火炬塔緩慢放倒，同時輔舉升缸也斷續(xù)收回，通過位移控制使輔舉升缸既脫離翻轉(zhuǎn)作用力點，又始終控制在自由缸行程范圍內(nèi)不拉脫。當(dāng)火炬放倒至水平位置時，輔舉升缸推出到低位連接點處，火炬連接銷油缸收回，舉升機(jī)構(gòu)與火炬脫離，主舉升缸和輔助舉升缸退回至原位。

2 自動化系統(tǒng)

2.1 硬件配置

    AC0：電源柜，提供380V動力電源及24V控制電源。

    KZTZ：急停控制系統(tǒng)，獨立于控制程序之外，在緊急狀態(tài)下切斷電源，保證人身及設(shè)備安全。

    AC1：主運行系統(tǒng)，主要設(shè)備包括2臺5.5KW的SEW變頻器，分別控制火炬的2臺行走小車；1臺11KW的SEW變頻器，用于2臺行走小車的備用驅(qū)動；1套S7-300 PLC系統(tǒng)，完成火炬的水平運行控制、火炬翻起的液壓控制、操作信號的輸入、動作指令的輸出、設(shè)備的狀態(tài)檢測、火炬運行全過程的自動時序控制、手動控制等，同時與變頻器、操作臺、備用系統(tǒng)的通訊，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享及控制。

    AC2：含1套S7-300 PLC系統(tǒng)，為主PLC故障時液壓控制的備用系統(tǒng)，具有與AC1柜的主PLC相同的功能；含1套MP270操作屏，為備用系統(tǒng)的操作臺。

    KZT：主操作臺，包含MP370操作屏、操作按鈕及狀態(tài)顯示燈等，火炬的運行操作在這里完成。

    主PLC、備用PLC、主備變頻器、主備操作臺等設(shè)備實現(xiàn)DP網(wǎng)絡(luò)通訊，系統(tǒng)的數(shù)據(jù)在主備系統(tǒng)間共享，大大的提高了系統(tǒng)的可靠性。

2.2 軟件配置

    編程軟件采用西門子STEP7 V5.3軟件，其中包括LAD、STL、FBD、S7-graph語言；上位監(jiān)控軟件同樣采用西門子公司的Protool軟件，全部采用西門子公司生產(chǎn)的軟件，通訊方便，兼容性好。應(yīng)用軟件全部由我公司自主開發(fā)。

    在PLC控制策略上，我們采用了3中控制方式：手動控制方式、自動時序控制方式和全自動一鍵控制方式。這3種控制方式優(yōu)先級是由高到低，自動化程度則是由低到高。盡管我們在平時演練時，很多情況采用手動單步控制，每一步和每個參數(shù)都熟記在心，而這些都只是為以防萬一。在正式場合下，我們總是選擇全自動一鍵控制方式，這樣可以大大減少人為操作的失誤幾率。

                                   圖1   控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)組成

    整個自動化控制系統(tǒng)采用兩級網(wǎng)絡(luò)通訊，第一級采用MPI網(wǎng)，用于PLC與上位監(jiān)控PC之間交換數(shù)據(jù)。第二級網(wǎng)絡(luò)采用PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，用于主、備PLC之間的數(shù)據(jù)交換及向傳動系統(tǒng)發(fā)送控制指令及傳動系統(tǒng)返回工作狀態(tài)。主PLC、備用PLC、主備變頻器、主備操作臺等設(shè)備實現(xiàn)DP網(wǎng)絡(luò)通訊，系統(tǒng)的數(shù)據(jù)在主備系統(tǒng)間共享，大大的提高了系統(tǒng)的可靠性。

    PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)是國際上普遍采用的現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)，通訊速率1.5MB/S，通訊介質(zhì)采用屏蔽雙絞電纜，最大通訊距離取決于通訊速率，若保證1.5MB/S的通訊速率，最大通訊距離<200M，每段總線上最多可有32個節(jié)點(不帶REPEATER)。PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)為帶有主從方式的令牌網(wǎng)絡(luò)，適用于工業(yè)實時控制，可以自動檢測網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的加入和退出。

2.3 檢測儀表

    為了完成自動化控制，設(shè)備上設(shè)有很多檢測儀表。主缸無桿腔、頂升缸有桿腔各安裝了一個壓力傳感器，用于監(jiān)測主缸及頂升缸的壓力，各插銷插、拔到位位置都安裝了限位開關(guān)，用于檢測插銷是否插拔到位，主缸、輔缸、頂升缸安裝了拉線編碼器，用于檢測缸的實際位置。

3 控制技術(shù)

3.1 火炬水平移動變給定控制

    火炬水平行走由SEW變頻器控制，PLC與變頻器通過PROFIBUS-DP網(wǎng)通訊。

    如圖2所示，電機(jī)在啟動時，以一定斜率加速到最大運行速度，之后保持這個最大速度，當(dāng)位置檢測信號顯示火炬將要到達(dá)翻起位置時，再以一定的斜率減速，在翻起位置使電機(jī)正好減速到零，這種控制方式保證火炬在運行段的快速，也保證火炬在啟動段及停止段平穩(wěn)，對設(shè)備無沖擊。

                                  圖2   火炬水平移動變給定控制

3.2 火炬水平移動同步控制

    兩臺小車行走必須同步，如果不同步，將會使火炬本體受力變形，在31米長的軌道梁上全速運行的同步精度要求在±5mm之內(nèi)；

    為了保證2臺變頻器同步運行，我們使用了IPOSplus控制，即位置控制和邏輯控制系統(tǒng)，通過對電機(jī)編碼器計數(shù)脈沖的計算，得到準(zhǔn)確的位置信號，并根據(jù)位置信號實時快速調(diào)節(jié)變頻器的速度，確保變頻器的同步運行，控制邏輯如圖3：

                                   圖3   控制邏輯圖

3.3 火炬水平移動高精度定位控制

    電機(jī)上安裝有編碼器，將實際碼數(shù)讀到變頻器中做精確定位。畫面設(shè)定的目標(biāo)位置為毫米數(shù)，要將毫米數(shù)轉(zhuǎn)換為對應(yīng)變頻器的碼數(shù)--車輪一周25個齒,齒間距25.13mm，則車輪一周為25.13X25=628.25mm，電機(jī)減速比79.34，則電機(jī)轉(zhuǎn)一圈為628.25/79.34=7.918mm，電機(jī)轉(zhuǎn)一圈4096個碼,則每個碼為7.918/4096=0.001933mm。

    當(dāng)小車運行到翻起位置時，要求小車要精確定位，定位精度小于±2mm，才能插入定位銷，將小車與軌道梁固定，否則，定位銷就不能插入。

3.4 比例閥控制

    本系統(tǒng)中，主缸速度，主缸同步，頂升缸速度都是由比例閥控制的，由模擬量輸出4-20mA信號。比例閥給定12mA時液壓缸停止，4-12mA時液壓缸收回，12-20mA時液壓缸伸出。上升和下降斜坡可以在畫面設(shè)定。

3.5 主缸、輔缸、頂升缸軌跡控制

    2條主液壓缸與2條輔助液壓缸靠機(jī)械連接，形成一個支撐架，通過支撐架的運動完成與火炬的連接及將火炬翻起，4條液壓缸協(xié)調(diào)動作，按照一定的軌跡運行，才能完成整個支撐架的運動。在設(shè)計階段，由于運行軌跡相當(dāng)復(fù)雜，無法精確計算并給出軌跡點，只能靠調(diào)試時實際摸索，再把數(shù)據(jù)寫入程序中。主、輔缸的位置實測了16點，根據(jù)實測值，利用程序計算出整條軌跡的理論值，需要精確摸索出4條液壓缸的運行軌跡，保證整個支撐架不因為軌跡不準(zhǔn)而發(fā)生損壞設(shè)備的變形。輔缸頂部有個自由缸，在整個翻起、落回過程中要控制自由缸長度在50mm-100mm之間，目的是為了保證火炬運動過程中輔缸處于跟隨狀態(tài)，不會給支撐點施加推力或拉力。在火炬的翻轉(zhuǎn)過程中，其重心在逐步移動，當(dāng)超過一定的角度時，變成負(fù)力矩，液壓頂升系統(tǒng)投入，其簡單的工作原理是：當(dāng)火炬翻轉(zhuǎn)到一定角度，出現(xiàn)負(fù)力矩前，頂升缸升起接住火炬，然后頂升缸以一個和主缸相匹配的速度下降，平穩(wěn)的實現(xiàn)火炬的翻起。在火炬翻起過程中，頂升缸首先推出，當(dāng)主缸位置到達(dá)4538mm時，火炬與頂升缸接觸，這時頂升缸接住火炬落回，在落回過程中，要控制系統(tǒng)壓力在4Mp，頂升缸的速度要與主缸速度匹配，保證不會因為頂升缸速度過快而與火炬分離，也不會因為頂升缸速度過慢而使頂升缸壓力過大。在火炬落回過程中，頂升缸首先推出，當(dāng)火炬與頂升缸完全分離，并且處于拐點以下的安全位置時（主缸位置小于2米），頂升缸收回。在整個運行過程中，主缸或頂升缸的壓力不能大于20 Mp，如果主缸或頂升缸的壓力大于20Mp，做快停處理。

3.6 時序控制

    自動控制時序由S7 GRAPH軟件完成，共6套程序，分別控制火炬翻起、落回的各個階段。

    （1）小車到零位時序

          變頻器向前運行到零位停止。

          溢流閥加壓，車輪定位插銷插，輔助閉鎖插。

    （2）火炬翻起時序

          主缸、輔缸升到火炬連接位。

          火炬連接插銷插。

          主缸、輔缸同時升到火炬翻起后固定位，同步比例閥參與調(diào)節(jié)。

          火炬翻起后固定插銷插。

    （3）液壓缸返回時序

          輔缸上升到3512mm，主缸下降到8041mm（火炬連接位）

          火炬連接插銷拔

          主缸、輔缸同時降低到零位，溢流閥停止

    （4）液壓缸升起時序

          溢流閥加壓，主缸、輔缸同時升到火炬連接位，同步比例閥參與調(diào)節(jié)。

          火炬連接插銷插。

    （5）火炬落回時序

          火炬翻起后固定插銷拔。

          主缸、輔缸同時降低到火炬連接位，同步比例閥參與調(diào)節(jié)。

          火炬連接插銷拔。

          主缸、輔缸降低到零位。

    （6）小車到31m處時序

          車輪定位插銷拔，輔助閉鎖銷拔。

          溢流閥停止。

          變頻器運行到31m處。

3.7 兩側(cè)同步控制

    2條主缸必須保持同步，通過一個同步比例閥控制兩缸同步。當(dāng)兩側(cè)位置差大于2mm時，同步比例閥開始調(diào)節(jié)，兩側(cè)位置差在2mm窗口內(nèi)時，同步調(diào)節(jié)停止。如果南側(cè)慢，同步比例閥給定在12-20mA，如果南側(cè)快，同步比例閥給定在4-12mA。

3.8 火炬翻起精確定位控制

    在支撐架的運行過程需要精確定位火炬的低位連接點和高位連接點，確保支撐架的精確定位是火炬能夠順利翻起的關(guān)鍵。主缸的定位誤差小于1.5mm，輔缸的定位誤差小于2mm，否則火炬連接銷就不能順利插入，火炬也就不能順利翻起。尤其是高位連接點，由于輔缸沒有同步調(diào)節(jié)閥，并且高位連接點的行程較長，因此輔缸的同步誤差會影響主缸同步，為了消除輔缸同步誤差，我們首先要將輔缸全部伸出，然后再定位高位連接點，確保定位誤差在允許范圍內(nèi)。

3.9 一鍵操作

    只要按下翻起全自動或落回全自動的啟動按鈕，整個翻起或落回過程就會自動根據(jù)程序按步運行，無需人工干預(yù)，安全可靠。

4 結(jié)束語

    2008年8月8日晚8時，第29屆奧林匹克運動會在北京國家體育場隆重開幕。為了給現(xiàn)場的觀眾及全世界電視機(jī)前的觀眾一個驚喜，主火炬塔一直隱藏在鳥巢的頂部。8月8日晚22點08分，當(dāng)各國運動員正在進(jìn)場的時候，按照奧組委的指令，我們火炬團(tuán)隊啟動了奧運主火炬塔的運行按鈕，火炬塔在自動程序的控制下，緩緩地移向鳥巢東北碗口，10點26分火炬昂然地矗立起來。這時，很多觀眾都還沒有注意到火炬塔已經(jīng)悄悄的巍然屹立，直到12點04分，當(dāng)原國家體操運動員李寧點燃火炬的時候，一個如夢幻般的驚奇出現(xiàn)了，全場觀眾為之驚訝，為之歡呼。奧運圣火成功點燃了，標(biāo)志著奧運火炬點燃自動化控制系統(tǒng)按照原設(shè)計程序準(zhǔn)確無誤地運行，確保了奧運主火炬塔的準(zhǔn)確就位，實現(xiàn)了由北京奧運工程指揮部提出的“一鍵到底”的全自動化控制目標(biāo)。


參考文獻(xiàn)

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