可开闭游泳馆机电控制的设计

尹海兵，韩兵

0 引言

随着科学技术的不断发展与应用，现代的游泳馆，大型体育场都在不断地改变原有的形态和功能。尤其是屋顶设计，新兴的可开闭场馆在世界上得到广泛的应用。该技术使得馆内或场内观众或运动员在天气良好的情况更亲近自然，反之，她在恶劣天气下为运动员或观众提高庇护场所，可谓一举两得。该新兴技术在国内外发展不一，国外应用已经非常广泛，技术也相对成熟。如美国瑞兰特体育场、美国威斯康星州米勒运动场、英国伦敦Wembley体育场、英国威尔士的卡迪夫千年体育场、德国杜塞尔多夫、德国慕尼黑Allianz体育场、加拿大多伦多天空穹顶、澳大利亚慕尔本斯特拉体育场、日本海洋穹顶、日本大分体育场、日本福冈穹顶体育馆、阿尔及利亚体育场等。在国内，起步较晚，应用也相对没有国外广泛，目前主要有上海旗忠网球中心、南通市体育会展中心体育场、杭州黄龙体育中心体育场，同济大学游泳馆、厦门奥运会网球场、北京龙潭湖公园等。下面就以即将完工的上海安亭镇文化体育中心游泳馆为对象，详细介绍该项目的机械控制系统。

1 对象的结构

1.1 工程对象

□ 安亭镇文体活动中心游泳馆下部结构采用混凝土框架结构，上部屋盖采用开闭式空间钢桁架结构，屋盖覆盖面积约 945.35m2（51.1m×18.5m）。

□ 钢屋盖结构采用倒三角形空间钢管桁架，其中主桁架3榀间距8m，主桁架之间采用7榀次桁架相连，次桁架间距6.0～6.5m。主桁架跨度50米、高度3m（主桁架端部高度过渡为2.3m）。

□ 机械系统驱动车轨道固定于下部混凝土梁顶，车与主桁架端部的次桁架下弦节点连接，每侧 3辆驱动车和 2辆从动车，共10辆。图1为安亭镇文体活动中心效果图。

1.2 机械系统

活动屋盖由单片屋盖组成，分全开、全闭和开关途中状态几种工况，从全开状态到全闭状态的行走时间大约20分钟。当闭合和全开时，安装在活动屋盖上的2套插销机构，可以将活动屋盖固定，增加活动屋盖结构稳定性。

图1 安亭镇文体活动中心效果图

整个结构除钢结构的固定屋架、拱肋、活动屋盖和屋面等外，还包括由行走车、插销机构和车挡等组成的机械开闭系统。活动屋盖支承在行走车上，在钢结构主拱肋上铺设轨道。由自行走车牵引并支撑活动屋盖在轨道上行走，完成屋盖的启闭。

图2 开闭屋盖全闭状态示意图

图3 开闭屋盖全开状态示意图

图4 开闭屋盖机械系统组成示意图

① 活动屋盖由6个驱动车做驱动，支撑在屋盖边桁架支反力较大的部位。

② 另有4个从动车，支撑在其余边桁架的节点部位（支反力较小）。可满足边桁架的整体刚度要求。

③ 驱动车或从动车上配有横向滑动轴承，可以实现横向调整。以适应结构和土建的制造和安装偏差。

④ 因为主桁架即两轨道间跨度为50m，对于这种大跨度的驱动系统，驱动车采用4轮双轨系统，由安装在驱动车上的电机减速器带动链条，再由链条驱动安装在车轮轴上的链轮，带动驱动车的两个轮子，两轮子之间用弹性联轴器联接，确保4轮驱动车有两轮是驱动轮，可避免驱动轮打滑。

⑤ 从动车由于称载力不大，采用双轮车。

⑥ 在驱动车上还安装防浮机构，用于防止在风力或地震等发生时，活动屋盖出现上浮故障。

⑦ 在轨道端部设置4个车挡，负责活动屋盖行程限位。

⑧ 在轨道两侧的中间驱动车上还配有两套安全锁紧插销，并在轨道上相应位置安装插销座，以保证可开闭屋盖在全开和全闭状态安全锁在指定位置。

2 控制系统的应用

在开启和关闭过程中，屋盖行走经历加速、匀速、减速过程。屋盖加速一段时间后进入匀速行走阶段，当屋盖行走行至预停止限位开关后，屋盖开始进入减速阶段直到触到全开限位开关后，电机停止、电机只能反转、使活动屋盖关闭。反之当行走屋顶顶行至全闭限位开关后、电机停止、电机只能正转、使活动屋盖开启。在触摸屏上设有开、闭指示；在自动控制状态下行走活动屋盖关闭时，当环境风速未到设定值时，电机正向启动、行走项开启、至触及全开限位开关，电机停止，活动屋盖开启；在自动控制状态下行走活动屋盖开启时，当室外风速未达到设定值时，电机反向启动、行走活动屋盖关闭至触及全闭限位开关、电机停止、活动屋盖关闭。

在中央控制器和现场控制器中都设有自诊断模块，当发现错误时，会自动通过总线将报警上传并按设定的程序停止。整体控制系统及现场总线布置见图 5（控制系统框架图），为了保证活动屋盖能够快速移动到位，必须采用最优控制策略。每个现场子站控制每侧轨道上的3个驱动车，该子站内的3个驱动车上的电机减速器由变频器恒转距控制；两个现场子站间通过安装在两侧驱动车上编码器采集位移信号，从而实现位置同步闭环控制。控制系统包括以下 4个方面：现场控制系统、中央控制系统、人机界面系统、通讯网络系统。

2.1 现场控制系统

现场控制系统采用西门子CPU224控制单侧轨道上的3台驱动车。它的主要任务是接受中央处理器的指令，把指令传递到变频器，并且同时把设备状态，运行速度，运行位置反馈到中央处理器。目前变频器的控制方式主要有：恒压频比控制、转差频率控制、矢量控制3种。而采用转差频率控制和带速度传感器的矢量控制都需要高精度的PG速度控制卡，并且使用不带速度传感器的矢量控制，也需要正确设定电机的参数，这种方式主要用于厂家指定的变频器专用电机的控制，对普通电机不适用。本系统变频器采用恒压频比控制方式，这种方式结构简单、容易调整、可以用于普通电机并且可以由一个变频器控制多台电机。在这种方式下，只要对相应的变频器参数进行设置就可以实现变频调速，实际工作时，上位机将速度设定值通过网络下传给变频器，变频器根据得到的数值对 3台驱动车上的电机减速器实现无级调速。

2.2 中央控制系统

中央控制器是控制系统的核心部件，是整个系统的中枢。本系统中采用西门子公司 CPU314C-2DP, 带集成数字量和模拟量输入/ 输出和 PROFIBUS DP 主站/ 从站接口的紧凑型 CPU, 带与过程相关的功能, 可以完成具有特殊功能的任务, 可以连接单独的 I/O 设备。现场控制系统主要实现分布控制，而中央控制系统主要是实现集中管理。它一方面将人机界面的控制指令传递给现场控制系统，并控制两个现场控制系统的位移同步；另一方面将现场控制系统的各个现场参数，状况反馈给人机界面。

2.3 人机界面系统

人机界面系统在整个控制系统中扮演的作用越来越重要。操作人员通过人机界面将控制指令下达到中央控制器，然后由中央控制器传递到现场控制器。与此同时，现场控制器将现场各种状态及参数通过中央控制器又反馈给人机界面显示出来，呈现给操作人员面前。

本系统采用西门子公司的多功能面板，MP277 10.4″触摸屏。它操作方便：全图形化TFT显示屏，64K色；分辨率 640x480；36个功能键，也可用作直接按键；内置PROFINET/以太网；支持 Sm@rtService和 Sm@rtAccess；具有可追溯性；免维护、非易失性报警缓存器。而且灵活性好：SD/多媒体卡组合插槽；2个USB端口；多达5种语言在线切换，全球通用。组态软件采用WINCC flexible 2008。

操作人员可以在触摸屏上设定开闭屋顶运行速度，并观察运行状况。当遇到自然情况，如由大风报警器检测到风速超过运行条件，降雪量过大以及其他情况。触摸屏上会产生报警指示，根据情况的恶劣情况产生不同级别的报警。在操作面板上，还设有声光报警复位开关。具有紧急停机功能，对系统的每个极限状态和急停模块进行实时检测，一旦发现某个极限状态和急停模块有问题，控制系统将自动以最安全的方式，迅速停止危险操作，同时提示系统操作人员检修，保证控制系统的高安全性，确保设备和人员安全。此外触摸屏上还设有授权密码，只有那些经授权的操作人员才可以操作，以确保运行安全。

2.4 通讯网络系统

随着3C（Computer、Communication、Control）技术迅速发展，使得网络集成信息自动化正在迅速应用到现场、控制。说明通讯网络在现代控制体系中起到重大得作用。本系统通讯网络采用西门子公司 PROFIBUS现场总线。PROFIBUS是目前国际上通用的现场总线标准之一，以其独特的技术特点、严格的认证规范、开放的标准、众多厂商的支持和不断发展的应用行规，已成为最重要的现场总线标准之一。PROFIBUS协议包括3个主要部分。Profibus-DP：主站和从站之间采用轮询的通讯方式，主要用于制造业自动化系统中单元级和现场级通讯；Profibus-PA：电源和通信数据通过总线并行传输，主要用于面向过程自动化系统中单元级和现场级通讯；Profibus-FMS：定义了主站和主站之间的通信模型，主要用于自动化系统中系统级和车间级的过程数据交换。很显然，本系统中是适合Profibus-DP协议。本系统中除给触摸屏下载人机界面程序时用PC适配器MPI电缆时通过 MPI通讯协议外，其他的都为 Profibus-DP。触摸屏MP277和CPU314C-2DP,CPU314C-2DP和两个CPU224（通过 EM277通讯模块连接）。其中 MP277地址为 1，CPU314C-2DP地址为2，两个CPU224上对应的EM277地址分别为3和4。通信速率设为1.5Mbps。祥见下图5（控制系统框架图）

和下图6（控制系统网络拓扑图－总线网）。

图5 控制系统框架图

图6 控制系统网络拓扑图－总线网

3 结论

系统从人机界面到集中管理再到分布控制最后到交流变频调速，再加上具有一定适应能力的机械系统，为目前较为主流且全面的机电控制系统。由于地处本市且考虑到经济性，本系统没有加入远程监控这一环节，相信加上这一环节会使系统更完美，更方便维护和更好地提供故障技术支持。

展望未来，相信现代机电控制系统会朝着控制能力更强，功能更多；人机界面会朝着更灵活，更便于操作；通讯网络会朝着速度更快，更稳定的方向发展。与此同时，也将会影响现代建筑朝着更智能化，更多功能化的方向发展。

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