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李振興 （1963-）
男，碩士，高級工程師，研究方向為變頻調速控制，自動化控制。東北大學在讀博士。現任傳動事業部副部長。
摘要：北京第29屆奧運會主火炬是歷屆奧運會構思最獨特、造型最完美、史無前例的火炬塔，集中體現了中華名族的智慧，展現的是中華民族屹立于世界東方的風采。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，對整個中國必將產生巨大的社會效益；火炬塔自動化控制系統包括水平移動的變頻控制和火炬塔舉升的液壓控制，由總裝備部設計研究院做一次設計，北京首鋼自動化信息技術有限公司做二次設計、設備制造、安裝、調試及操作任務，本文對火炬塔制作工藝、自動化控制系統硬件及軟件配置、關鍵技術做了較詳細的闡述。
關鍵詞：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，變頻器將驅動電機以一個變給定的速度向碗口方向運行到翻轉位置，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則，設備重量較重，翻轉過程中油缸行程很長，負載變化非常大，既有正負載又有負負載，且無法準確地計算出變化曲線，而且舉升機構安裝空間非常狹小，故給液壓控制系統的設計和參數調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的獨特性，使其從眾多的常規控制系統中脫穎而出。
1.2.1舉升機構的結構特點
舉升時隨著高度變化自動實現推力的階梯遞減。兩條同規格的大型三級伸縮油缸即主舉升缸和兩條同規格的中型二級伸縮油缸即輔助舉升缸組成“人”字形的穩定連桿機構，輔助舉升缸缸體側分別穿在兩條自由缸體內，主舉升缸缸體和自由缸缸體的耳環通過同心軸連接成“人”字的頭部，主舉升缸和輔助舉升缸的桿端耳環分別固定在輥道梁的兩根橫梁上，形成人字的底部。此機構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8400mm，輔助舉升缸最大行程可達3560mm，以滿足巨大的火炬翻轉軌跡和較小的安裝空間要求?？蛰d時主缸和輔缸同時工作按自身的軌跡實現該機構的升降功能，帶負載時輔缸脫離作用點但不脫離舉升機構，主缸按火炬翻轉的軌跡行走?；鹁骐S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，高位時推力相應變小。
1.2.2舉升機構的同步控制方式
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行高精度的同步調節。兩缸的位移檢測后返回計算機進行比較，當其中某條缸速度較慢時，則由高精度的同步調節閥補沖油液直至達到同步為止。這樣計算機只需對一個閥門進行調節控制就解決了兩缸同步精調問題，如果用常規辦法則需用兩閥分別控制兩缸，且主閥大不易控制精度，在翻轉時負載變化巨大且有負負載存在，使主閥的流量特性不穩定，控制程序較復雜，很難達到所需精度。
1.2.3火炬舉升時的負載特性
火炬在其翻轉過程中的力控制尤為重要，出現了一些超出原設計控制能力的現象，顯示出較強的產品研制特性。以至于調試過程中即時變更力控制方式，使火炬能平穩安全地運行。舉升機構負載調試時出現回程阻力較大，多級缸拉力不夠，當火炬翻轉過零界點后巨大的負負載使火炬快速翻起，主比例閥的節流特性不足以在有桿腔中產生足夠的背壓來平衡負載，而由于主比例閥的節流作用又使得無桿腔的油液供應不足形成抽真空現象。針對以上問題設計和制作團隊及時分析研究，調整力控制方案，最終確定在舉升機構的對側增加四條頂升缸，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，然后平穩安全地完成零界點后的翻轉動作。同時將泵源的溢流閥改為比例調節閥，通過計算機控制實現推力大小的適時調節。
1.2.4主火炬舉升的工藝過程
自動化控制系統通過調節液壓動力以及各執行機構的速度和方向，實現火炬向鳥巢內沿的翻轉。
（1）小車固定與火炬低位連接
主火炬塔在水平狀態由運行小車從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構準確運行到與火炬塔的低位連接點處，此時設于舉升機構頂部的兩條火炬連接插銷缸推出，將舉升機構與火炬塔連接在一起。
（2） 火炬翻起與固定
主舉升缸繼續推出使火炬塔繞著位于前端主動小車處的轉軸向上旋轉，使火炬塔緩緩升起；同時輔舉升缸也斷續推出，通過位移控制使輔舉升缸既脫離翻轉作用力點，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，使舉升機構不至于拉脫損壞；與此同時位于火炬塔轉軸另一側的四條頂升缸推出到行程920mm處，等待火炬翻轉到一定角度時接住火炬。當主舉升缸運行到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，同時主舉升缸轉換至較低壓力繼續運行以減小推力。當主舉升缸運行到8041mm時，頂升缸退到0位，火炬塔翻起到位，舉升機構和頂升缸停止動作，位于最前端的火炬翻起定位銷油缸推出，將火炬前側固定在導輥梁上。
（3） 舉升機構收回
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，舉升機構下落回到原位。
（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構上升至高位連接點處，火炬連接銷油缸推出將舉升機構與火炬塔相連，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收回，通過位移控制使輔舉升缸既脫離翻轉作用力點，又始終控制在自由缸行程范圍內不拉脫。當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，舉升機構與火炬脫離，主舉升缸和輔助舉升缸退回至原位。
2 自動化系統
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，獨立于控制程序之外，在緊急狀態下切斷電源，保證人身及設備安全。
AC1：主運行系統，主要設備包括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動；1套S7-300 PLC系統，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、設備的狀態檢測、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、備用系統的通訊，實現數據的共享及控制。
AC2：含1套S7-300 PLC系統，為主PLC故障時液壓控制的備用系統，具有與AC1柜的主PLC相同的功能；含1套MP270操作屏，為備用系統的操作臺。
KZT：主操作臺，包含MP370操作屏、操作按鈕及狀態顯示燈等，火炬的運行操作在這里完成。
主PLC、備用PLC、主備變頻器、主備操作臺等設備實現DP網絡通訊，系統的數據在主備系統間共享，大大的提高了系統的可靠性。
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的軟件，通訊方便，兼容性好。應用軟件全部由我公司自主開發。
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。
整個自動化控制系統采用兩級網絡通訊，第一級采用MPI網，用于PLC與上位監控PC之間交換數據。第二級網絡采用PROFIBUS-DP網絡協議，用于主、備PLC之間的數據交換及向傳動系統發送控制指令及傳動系統返回工作狀態。主PLC、備用PLC、主備變頻器、主備操作臺等設備實現DP網絡通訊，系統的數據在主備系統間共享，大大的提高了系統的可靠性。
PROFIBUS-DP網絡是國際上普遍采用的現場總線網絡，通訊速率1.5MB/S，通訊介質采用屏蔽雙絞電纜，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個節點(不帶REPEATER)。PROFIBUS-DP網絡為帶有主從方式的令牌網絡，適用于工業實時控制，可以自動檢測網絡節點的加入和退出。
2.3 檢測儀表
為了完成自動化控制，設備上設有很多檢測儀表。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，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
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網通訊。
如圖2所示，電機在啟動時，以一定斜率加速到最大運行速度，之后保持這個最大速度，當位置檢測信號顯示火炬將要到達翻起位置時，再以一定的斜率減速，在翻起位置使電機正好減速到零，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，對設備無沖擊。
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；
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，通過對電機編碼器計數脈沖的計算，得到準確的位置信號，并根據位置信號實時快速調節變頻器的速度，確保變頻器的同步運行，控制邏輯如圖3：
3.3 火炬水平移動高精度定位控制
電機上安裝有編碼器，將實際碼數讀到變頻器中做精確定位。畫面設定的目標位置為毫米數，要將毫米數轉換為對應變頻器的碼數--車輪一周25個齒,齒間距25.13mm，則車輪一周為25.13X25=628.25mm，電機減速比79.34，則電機轉一圈為628.25/79.34=7.918mm，電機轉一圈4096個碼,則每個碼為7.918/4096=0.001933mm。
當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條液壓缸協調動作，按照一定的軌跡運行，才能完成整個支撐架的運動。在設計階段，由于運行軌跡相當復雜，無法精確計算并給出軌跡點，只能靠調試時實際摸索，再把數據寫入程序中。主、輔缸的位置實測了16點，根據實測值，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而發生損壞設備的變形。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，不會給支撐點施加推力或拉力。在火炬的翻轉過程中，其重心在逐步移動，當超過一定的角度時，變成負力矩，液壓頂升系統投入，其簡單的工作原理是：當火炬翻轉到一定角度，出現負力矩前，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，平穩的實現火炬的翻起。在火炬翻起過程中，頂升缸首先推出，當主缸位置到達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，同步比例閥參與調節。
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，同步比例閥參與調節。
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，同步比例閥參與調節。
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。當兩側位置差大于2mm時，同步比例閥開始調節，兩側位置差在2mm窗口內時，同步調節停止。如果南側慢，同步比例閥給定在12-20mA，如果南側快，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節閥，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。
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程序按步運行，無需人工干預，安全可靠。
4 結束語
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。為了給現場的觀眾及全世界電視機前的觀眾一個驚喜，主火炬塔一直隱藏在鳥巢的頂部。8月8日晚22點08分，當各國運動員正在進場的時候，按照奧組委的指令，我們火炬團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悄悄的巍然屹立，直到12點04分，當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了，全場觀眾為之驚訝，為之歡呼。奧運圣火成功點燃了，標志著奧運火炬點燃自動化控制系統按照原設計程序準確無誤地運行，確保了奧運主火炬塔的準確就位，實現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。
參考文獻
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北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號