（机械电子工程专业论文）昆明世博园艺术广场动态建筑的机电系统设计与研究.pdf

圭墼望壁型笪堕堕一 摘要 昆明世博园艺术广场为了即能与周围环境相协调，又能起到遮阳避雨功能，上海交通大学为其 设计了活动建筑，该建筑包括观众席雨蓬上下开启系统和舞台雨蓬平移系统两部分。动态建筑是建 筑、结构、控制、机械的多学科交叉的产物，是一座离开机械控制系统就无法实现的建筑由此可 见，机电系统是建筑运动机构、运动控制、运动寒全的关键技术之一，而安全可靠是设计的首要准 则。 从可靠性角度来看系统结构的选择对监控系统、驱动系统、运动机构、锁紧固定装置等各单 元的可靠性都会产生较大影响，通过分析动态建筑工作过程，采刚了固定铰点在前，升降机构在后 的方案该方案利于机械锁紧固定，并能够平衡一部分旋转力矩，比固定铰点在后，升降机构在前 的方案安全可靠性大大提高。 由r 该动态建筑的特蛛应_ e = | 场合，即7 f 面经常驻留大量观众，结合该工程具体情况提出了“静 一动一静”设计原9 1 l j ，并从埂件和软件方证对世博园艺术广场的动态建筑可靠性进行了深入分析， 并据此提出了系列合理化建议，以保证动态建筑运行的安全、可靠。 为了实时检测和控制动态建筑的运行状态，设计了包含故障诊断、报警及处理功能的动态建筑 ， 远程监控系统。 角度传感器安装在雨蓬土铰旋转轴上，通过p l c 和r s 一4 8 5 与主控机进行通讯，针 对角度跳动情况，通过理论分析和结合动态建筑工作特点，从硬件和软件上提出了一些列解决方案， 保证了测量角度的精确性。另外，由于该动态建筑处于断崖对面，风力风向变幻莫测，为此设计了 风速检测报警系统，以保证该动态建筑安全可靠地运行。￥7 j 被称为“云南一绝”的国内首座大型活动建筑世博园艺术广场动态建筑已投入使用，在此 处已经成功地举办了国际旅游节开幕式等大型活动，获得了很好的效果。经实际运行证明，机械和 控制方案可行、监控系统先进，保证了整个动态建筑运行安全、可靠、平稳。 关键词昆明世k 潼7 串行通讯 动岙莛甄 可编程控制器 监控系统 可靠性 上淘交通大学博士后_ t f w 告 a b s t r a c t i no r d e rf o r t h ea r tp l a z ai nk u n m i n gw o r l d e x p o s i t i o ng a r d e nb o t ht o h a r m o n i z ew i t hi t s s u r r o u n d i n g sa n dt os c r e e no f ft h es u na n dr a i n ，s h a n g h a ij i a o t o n gu n i v e r s i t yd e s i g n e dak i n e t i c a r c h i t e c t u r ew h i c hc o n s i s t so fa nu p - d o w nt u r n - o ns y s t e mf o r t h ea u d i t o r i aa w n i n ga n dat r a n s l a t i n gs y s t e m f o rt h es t a g ea w n i n g k i n e t i ca r c h i t e c t u r ei st h e i n t e r d i s c i p l i n a r yo f f s p r i n go fa r c h i t e c t u r e ，s t r u c t u r e ， c o n t r o l l i n ga n dm e c h a n i s m ，a n di su n a b l et or e a l i z ew i t h o u tm e c h a n i c a lc o n t r o ls y s t e m e l e c t r i cm a c h i n e r y s y s t e mi so n eo ft h ec r u c i a lt e c h n i q u e si n v o l v e di nk i n e t i ca r c h i t e c t u r a lf r a m e w o r k ，m o v e m e n tc o n t r o la n d i t ss a f e t y ，a n dr e l i a b l ed e s i g ni st h ep r i m a r yp r i n c i p l e a sf a ra sr e l i a b i l i t yi sc o n c e r n e d ，t h ec h o i c eo ft h es y s t e ms t r u c t u r ed e c i d e st oa l a r g ee x t e n tt h e r e l i a b i l i t yo ft i l em o n i t o r e dc o n t r o ls y s t e m ，d r i v i n gs y s t e m ，k i n e t i cf r a m e w o r ka n dt h el o c k i n ga n df i x i n g d e v i c e s o nt h eb a s i so fa na n a l y s i so ft h eo p e r a t i o np r o c e s so ft h ek i n e t i ca r c h i t e c t u r e ，as c h e m ew a s a d o p t e dw h i c ha r r a n g e dt h ef i x i n gr e a mi nt h ef r o n ta n dt h ee l e v a t i n gd e v i c ea tt h eb a c kc o m p a r e dt ot h e s c h e m ew i t ht h ef i x i n gr e a ma tt h eb a c ka n dt h ee l e v a t i n gd e v i c ei nt h ef r o n t ，t h i ss c h e m ei sc o n d u c i v et o t h el o c k i n ga n df i x i n go f t h em a c h i n e r ya n dc a nb a l a n c ep a r to f t h er o t a r ym o m e n t ，t h u sg r e a t l yi n c r e a s i n g t h er e l i a b i l i t y c o n s i d e r i n gt h ef a c t t h a tt h i sk i n e t i ca r c h i t e c t u r ei su s e du n d e rs p e c i a lc i r c u m s t a n c e s ，t h i ni s ，t h e r ea r e o f t e nm u l t i t u d e so fs p e c t a t o r su n d e ri t ，a n dt h es p e c i f i cc h a r a c t e r i s t i c so ft h ep r o j e c t ，ap r i n c i p l eo f “s t i l l m o v e s t i l l ”w a sp r o p o s e d o nt h eo t h e rh a n d ，t h er e l i a b i l i t yo f t h ek i n e t i ca r c h i t e c t u r eo f t h ea r tp l a z a i nk u n m i n gw o r l de x p o s i t i o ng a r d e ni st h o r o u g h l ya n a l y z e df r o mt h es t a n d p o i n to fb o t hh a r d w a r ea n d s o f t w a r ev i e wa n das e r i e so f r a t i o n a ls u g g e s t i o n sw e r ep u tf o r w a r do nt h i sb a s i st og u a r a n t e et h es a f e t ya n d r e l i a b i l i t yo f t h eo p e r a t i o no f t h ek i n e t i ca r c h i t e c t u r e t oc a r r yo u tr e a l - t i m ee x a m i n a t i o na n dc o n t r o lo ft h eo p e r m i o no ft h ek i n e t i ca r c h i t e c t u r e ，ar e m o t e m o n i t o r e dc o n t r o ls y s t e mi si n c l u d e di nt h ed e s i g nw i t ht h ef u n c t i o no f e x c e p t i o nd i a g n o s i n g ，a l a r m i n ga n d m a l f u n c t i o nh a n d l i n gt h ea n g l es e n s o ri si n s t a l l e do nt h em a i nr e a mr o t a t i o na x i sa n dc o m m u n i c a t e sw i t h t h em a j o rc o m p u t e rt h r o u g hp l ca n dr s - 4 8 5 g i v e nt h ec h a n g e so f t h ea n g l e ，b a s e do nt h e o r e t i c a la n a l y s i s a n dt h eo p e r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fk i n e t i ca r c h i t e c t u r e ，as e r i e so fs o l u t i o n sc o n c e r n i n gb o t hh a r d w a r ea n d s o f t w a r ec a nb ep r o p o s e d ，t h u se n s u r i n gt h ea c c u r a c yo ft h ea n g l em e a s u r e m e n t o nt h eo t h e rh a n d ，s i n c e t h i sk i n e t i ca r c h i t e c t u r ei sa c r o s sae l i f f , t oc o p ew i t ht h ec o n s t a n tc h a n g i n go f t h ew i n di nb o t hs t r e n g t ha n d 上淘交通大学博士后工作报告 d i r e c t i o n ，aw a r n i n gs y s t e mi sd e s i g n e dt oc h e c kt h ew i n ds p e e ds o a st og u a r a n t e es a f ea n dr e l i a b l e o p e r a t i o no f t h ek i n e t i ca r c h i t e c t u r e t h ef i r s tl a r g e - s c a l ek i n e t i ca r c h i t e c t u r ei no u rc o u n t r y , “au n i q u ei ny u n n a n ”b yn a m e t h ea r tp l a z a i nk u n m i n gw o r l de x p o s i t i o ng a r d e nh a sb e e np u tt ou s e s o m el a r g e s c a l ea c t i v i t i e ss u c ha st h eo p e n i n g c e r e m o n yo ft h ei n t e r n a t i o n a lt r a v e l i n gf e s t i v a lh a v eb e e ns u c c e s s f u l l yh e l di nt h ep l a z a ，a n de v e r y t h i n g g o e ss m o o t h l y t h r o u g hp r a c t i c e ，i th a sb e e np r o v e dt h a ti t sm a c h i n e r ya n dc o n t r o ls c h e m ea r ef e a s i b l e ，i t s m o n i t o r e dc o n t r o ls y s t e mi sa d v a n c e d ，w h i c he n s u r e st h es a f e ，r e l i a b l ea n ds m o o t ho p e r a t i o no ft h ew h o l e k i n e t i ca r c h i t e c t u r e k e yw o r d s ：k u n m i n gw o r l de x p o k i n e t i ca r c h i t e c t u r em o n i t o r e dc o n t r o ls y s t e m s e r i a lc o m m u n i c a t i o n p r o g r a m m a b l ec o n t r o l l e rr e l i a b i l i t y 上海交通大学博士后工作报告 第一章绪论 1 1 工程背景概述 世界吲艺博览园位于设在昆明东北郊的金殿风景名胜区，距昆明市区约4 公里，博览园占地面 积约2 1 8 公顷，共有9 个国家和国际组织分别在这里建立了自己的专题展示台，国内许多省市区也 都建有能反映本地区园林艺术的展示场所，这是个汇集了全世界园艺风景的超大型博览场所。 昆明世博园艺术广场( 包括观众席和舞台) ，位于世博园国际室外展区中心地带，与国际馆、科 技馆遥相呼应，并正处在主景山崖与观景塔的视景轴线上。艺术广场自建成起，一直在进行改造完 善，己形成以歌舞表演、音乐喷泉、水幕电影、激光表演等为代表的系列节目演出广场。整个广场 景观丰富多彩、气势恢弘，既是白天园区内重要游览景点之一，又是夜晚游客聚集观看文艺表演的 中心。为加强艺术广场演出效果、完善防雨功能、增强剧场驻留观众的能力，世博园决定在原露天 观众席及舞台上空加盖雨篷，并要求对艺术广场进行高适应性改造。依照原艺术广场格局，以舞台 为中，山放射形布置观众席雨蓬。为满足艺术广场游览、演出和景观的综合需要，特将观众席雨蓬和 舞台雨蓬设计成动态形式，即观众席雨蓬为跷跷板结构形式( 俯仰运动) ，舞台雨蓬安装在移动小车 上( 平移运动) 。 覆盖形式采用附着式膜结构。膜材本身材质轻盈，理化性能优良，构造工艺精美，对建筑形象 和结构体系均起到良好作用。膜结构的应用，不仅大大降低了雨蓬的重量，而且提高了其透光性。 该j j 程的动态形式不仅能很好地满足该剧场独特的观演要求，还可凭借自身形态的变化参与表 演。孔雀开屏的形象创意独具一格，寓意贴切、内涵丰富，体现云南风情、展示世博园风貌，具有 较强的标志性。 白天，观众席雨篷闭拢低伏( 仰角1 4 度) ，舞台雨篷向两侧滑开。游人在友谊路上，视线越过 观众席雨篷可望到山崖上的“e x p 0 9 9 ”标志，进入观众席后廊，可看到2 0 0 米外的主景山崖山顶( 6 0 米高) 。室内室外，视线均畅通无阻。立面轮廓优美，空间序列丰富，形成主干道旁一个新的风景亮 点。 晴夜，观众席雨篷张开( 仰角3 8 度) ，形成高视线角度、广视野宽度、阔空间范围，观众完全 置身于山水自然之中，充分满足观赏音乐喷泉( 6 0 米高，8 0 米宽) 、水幕电影( 直径5 0 米) 、激光 表演( 依山势立体分布) 等的需求。雨篷开启后形成的开放、向上的体形，更加烘托了表演现场的 热烈气氛。 第l 页 上海交通大学博士后工作报告 雨夜，观赏歌舞表演时，观众席雨篷闭拢低伏( 仰角1 4 度) ，舞台雨篷滑至中心，形成良好的 室内观演空间。观赏音乐喷泉及水幕电影时，观众席雨篷打开( 仰角2 5 度) ，舞台雨篷滑至两侧， 现线无阻隔，形成室内外交融的独特观演空间。如图1 1 所示为2 0 0 1 年1 月1 0 日国际旅游节开幕 式的演出盛况。图12 为昆明世博园艺术广场活动建筑全景。 图1 1 国际旅游节演出盛况 图1 2 世博园艺术广场活动建筑 第2 页 上海交通大学博士后工作报告 1 2 开启式活动建筑 动态建筑是随着现代体育场馆及文化娱乐场所向多功能化方向发展而产生的一种建筑形式，体 育馆的多功能化不仅能提高利用率，而且能为投资者带来更高的利润回报。多功能体育馆要能适应 日照、场地和气候的变化，以及音响系统的不同要求。例如：加拿大天拱巨馆的观众席可整体移动， 以适应大场地和小场地比赛的变化。法国巴黎贝尔西体育馆的可升降式顶篷系统，可以适应体育场 地利音乐场地对音响系统的不同要求吼 多功能体育场馆要适应“室外比赛室内化”带来的环境和空间的可变性。位于气候多变地区的 体育馆，在夏季应当是开放式的，保证草坪得到阳光雨露的滋润。在雨季或雪季则要封闭，提高体 育馆的利用率。近年来新建的多功能体育馆通过覆盖系统或天花板的变化来实现以上功能，包括： 采用膜结构或玻璃结构的屋顶或顶蓬，增加采光面积： 采用可开启式屋顶系统，增加比赛的全天候性； 采用可调节高度和体积的天花板系统，适应场地的不同功能要求。 具有可开启式顶篷的体育馆自1 9 9 1 年后相继出现，主要集中在气候多变的国家和i 地区，如臼本、 加拿大、荷兰和美国。表1 1 给出了世界上具有可开启式屋顶的主要体育场馆。其中大跨度的屋顶 又称为穹顶| = 。 表1 1 世界上具有可开启式穹顶的主要体育馆 名称位置结构 福冈体育馆 日本 钢架 小松穹顶日本 膜结构 但马穹顶 日本 钢架 仙台穹顶日本钢架 丰田体育场看台屋面日本钢缆 九州大分线运动公园体育场 日本 膜结构 阿贾克斯体育场荷兰 天拱巨馆加拿大 e n r o n f i e l d 美国钢架 s a f e c of i e l d 美国钢架 第3 页 上海交通大学博士后工作报告 1 9 9 1 年加拿大多伦多b l u ej a y s 可容纳5 3 ，0 0 0 人的足球和棒球场建成了一个大型活动项篷， 图13 所示。在美国德克萨斯州霍士顿的e n r o n 棒球馆也安装了活动顶篷，图14 所示“1 。 图15 是1 9 9 9 年兴建的日本福冈体育馆，是日本首座具有可开启式屋顶的棒球馆。屋顶结构为 旋转开启式屋顶，屋顶的投影面积为1 6 9 1 6 0 删2 ，屋顶直径为2 1 0 米。由三片扇形球面屋顶组成。 屋顶为钢结构，总重1 2 万吨。 图1 3加拿大多伦多b l u ej a y s 足球和棒球场的活动项篷结构 图1 4e n r o n 棒球馆顶棚结构( 为三层目前开启为3 n ) 第4 页 上海交通大学博士后工作报告 图1 5日本福冈体育馆水平旋转活动顶篷 图i 6 北京钓鱼台国宾馆内的开启式网球馆外观 在我国首座开启式的活动顶篷安装于北京钓鱼台国宾馆内的网球馆中图1 6 和图1 7 所示。 网球馆外围尺寸为4 0 x 4 0 m ，屋顶为三片拱架，两片固定拱架跨度为4 0 m ，一片活动拱架跨度为 4 1 5 m 。拱下最高点净高1 3 米，活动屋盖拱架开启宽度l o r e 。最近，由上海交通大学设计的云南 第5 页 上海交通大学博士后工作报告 世博园艺术广场活动顶篷也已安装完毕并投入使用如图1 8 所示。 a ) 开启状态 b ) 关闭状态 图1 7 北京钓鱼台国宾馆内的开启式网球馆 第6 页 上海交通大学博士后工作报告 图1 8云南世博园艺术场活动顶篷 可开启屋顶的开启方向包括水平、垂直、平行、扇形旋转和中心旋转等。开启的类型包括：重 叠式、折叠式和移动式。平行开启、移动式的屋顶在大跨度的体育馆中应用最广。 平行移动式开启系统 平行移动式开启系统的机构可以看作是移动的重载机器，例如龙门吊车、水压机或牵引机车。 此类机器的机构包括钢轮导轨式、液压式和缆索式，体育馆普遍采用了钢轮导轨移动系统。 折叠移动式开启系统 采用折叠移动式开启系统的通常是小跨度屋顶，如温室、天井等。该类系统的机构可以被看作 可伸缩机构，例如电动伸缩大门，通常采用缆索式结构。 世博园艺术广场动态建筑的观众席雨蓬采用的是杠杆原理的升降运动，即以前端主铰为圆心进 行旋转，便可实现雨蓬的打开与合拢。而观众席雨蓬采用的是以小车为载体的平行移动，即舞台两 侧各有- - + 车，同时向舞台方向移动，便可实现雨蓬合拢，反之则打开。 1 3 研究报告组成 云南昆明世博园艺术广场为了即能与周围环境相协调，又能起到遮阳避雨功能，上海交通大学 建筑设计院和机械工程学院联合为其设计了世博园活动建筑，该建筑包括能容纳6 0 0 0 余名观众的观 众席雨蓬上下开启系统和容纳2 0 0 多演员的舞台平移机构，观众席雨蓬和舞台雨蓬可共同实现“孔 雀开屏”的效果，为演出增添风采。机电系统是建筑运动机构、运动控制、运动安全的关键技术之 第7 页 上海交通大学博士后工作报告 一。我们主要负责该活动建筑的机电控制系统设计、安装、调试。 第一章：首先论述了该研究项目的工程背景，并介绍了国内外活动建筑的发展情况及活动建筑 的有关特点。 第二章：讨论了观众席雨蓬的结构方案设计，通过对两种方案进行深入研究比较，选用了中间 支撑、后端升降的方案。并对观众席雨蓬的开启闭合工作过程进行了介绍。同时也简要介绍了 舞台雨蓬的结构方案设计和工作过程。 第三章：介绍了监控系统硬件和软件组成，并对实际运行过程中出现的一些关键问题进行了深 入分析，提出了有效的解决方案。 第四章：针对观众席雨蓬和舞台雨蓬，从硬件和软件两个方面对其可靠性进行了详细分析。 第五章：对本文的所作的研究工作进行总结。 第8 页 兰塑奎圣荃兰堕圭量三堑墨童一 第二章动态建筑机械结构设计 昆明世博园艺术广场为了即能与周围环境相协调，又能起到遮阳避雨功能，上海交通大学为其 设计了活动建筑，该建筑包括观众席雨蓬上下开启系统和舞台雨蓬平移系统两部分。动态建筑是建 筑、结构、控制、机械等多学科交叉的产物，是一座离开机械控制系统就无法实现的建筑。由此可 见，机电系统是建筑运动机构、运动控制、运动安全的关键技术之一，而安全可靠是设计的首要准 则。 2 1 观众席雨蓬 观众席雨篷总覆盖面积约2 2 7 0 平方米，分成五个可开启的分体，每个分体长3 7 7 米，前窄后 宽，前端宽8 5 米，后端宽1 8 米，重约4 0 吨。每个单体在液压系统的作用下旋转开启，作用铰点 靠近后端铰点距后端8 5 米。图2 1 所示。 图2 1 观众席雨蓬 2 1 1 方案设计 当初进行方案论证时，根据每片雨蓬固定铰点位置的不同，设计了两种方案。 1 固定铰点在后，升降机构在前 第9 页 上海交通大学博士后工作报告 如图2 2 所示。该结构对建筑设计稍为有利，即外观造型和布局较为容易。但是由于升降部分 是以后铰点为圆心的弧线运动，因此前端需要加两个铰点。另外升降机构不能承受侧向力。因此需 要加导向机构，同时需要两套同步装置驱动。如果不加导向机构，则前铰点需要上下加十字铰，且 后端受力较大，悬臂较长，这样雨蓬侧向晃动较大，对结构要求比较高d s - 1 8 1 。 更主要的是如果升降机构在观众席中间作弧线运动，并且液压升降系统在工作过程中会产生一 定的噪声，这势必会给观众带来不安全的感觉，从而影响观看演出的效果。 图2 2 方案1 示意图 a ) b ) 图2 3 方案2 示意图 第1 0 页 钢丝绳 油缸或螺杆机构 上海交通大学博士后工作报告 该种方案的升降运动可以由油缸或螺母螺杆来实现。 升降机构采用液压系统的结构特点为： 结构比较紧凑； 液压系统推力大： 液压技术比较成熟、而且可靠： 价格相对较高。 升降机构采用螺母螺杆机构。即电机经过减速器驱动螺杆、螺母来实现升降运动。其结构 特点为： 结构比较紧凑； 技术比较成熟、可靠： 不会造成环境污染； 价格较便宜。 2 固定铰点在前，升降机构在后 图2 3 所示为固定铰点在前，升降机构在后的示意图。 该方案由前铰点支承整个结构重量，并可承受侧向力，因此可不需要加导向机构。另外，该方 案还可以降低系统绕铰点的回转力矩。另外比较重要的一点是，由于固定铰点靠近前端，因此该方 案可以增强整个系统的刚度和稳定性，也就是大大增加了系统的安全性和可靠性。 升降运动可由钢丝绳机构或液压系统等来实现。其结构特点如下： 无需导向机构，结构更加简单、安全； 不存在同步问题； 设计锁紧固定装置比较简便： 对建筑结构十分有利； 价格便宜； 技术非常成熟、可靠： 维修十分方便。 第一种方案即中间铰支，后端顶升的形式主要存在如下的不足： 不好安装雨蓬的锁紧固定装置，这样安全性就难以保证； 由于雨篷的重心远离铰支点，自重不能得到平衡。而雨蓬的转动惯量和质量都较大，要求液 第1 i 页 上海交通大学博士后工作报告 压油缸作用力及功率较大，这样锁紧装置受力必定增大，系统的安全性和可靠性就会降低。 从可靠性角度来看，系统结构的选择对控制和监控系统、驱动系统、运动机构、锁紧固定装置 等各单元的可靠性都会产生较大影响。 通过分析、比较，尤其从安全性和可靠性考虑，我们采用了第二种方案，即后端顶升，中间铰 支结构。其中的铰点结构如图2 4 所示。同时采用液压系统作为升降驱动。 3 锁紧固定装置设计 图2 4 观众席雨蓬主铰结构图 度测 装置 图21 照片中的右侧装置即为观众席雨蓬的锁紧固定装置。观众席雨蓬根据演出及景观需要分 别停留三个位置，即1 4 度、2 5 度和3 8 度。停在每一个位置的时候，虽然液压系统本身具有锁定功 能，但是由于雨蓬下面经常有大量的观众，而且考虑到艺术广场所处位置风力较大，从安全性考虑 必须从机械上加以锁紧固定，该锁定功能也是通过液压系统实现的。 如图2 5 所示，雨蓬降留在1 4 度时，液压油缸的活塞伸出至最高位置，此时雨蓬的尾粱上端 靠在锁紧支架上，只需要从下面用一个销子( 锁紧插销】) 锁紧即可。雨蓬停留在2 5 度时，液压油 缸的活塞伸出至中间位置，此时雨蓬的尾梁需要从上下两面( 锁紧插销2 和3 ) 锁紧。雨蓬停留在 3 8 度时，液压油缸的活塞缩短至最低位，此时雨蓬的尾梁只需要从上面( 锁紧插销4 ) 锁紧，尾梁 的下面靠在锁紧支架上。 观众席雨蓬平时状态为开启1 4 度。 第1 2 页 上淘交通大学博士后工作报告 锁紧支架 锁紧油缸及锁紧插销 - i“i 肛 ! r i 延。 7 fl1 1 r f 刖 ll 2 1 2 雨蓬运动过程描述 图2 5 锁紧油缸位置图 该液压系统分为升降泵机组、插销泵机组。 升降油缸在正常工作时根据需要可以停留三个位置，分别为最高、最低和中间位置，每个位 置装有行程开关。另外，在三个位置需要机械锁紧固定，因此每片雨蓬需要四组锁紧行程开关( 每 组需要两个信号，拔销到位和插销到位信号) 。低位和高位各一组，中位2 组，如图2 5 所示。四组 销子分为两次动作，即插销1 和插销2 一组，插销3 和插销4 一组。 1 雨蓬开启 开启顺序为a l 、a 2 、a 3 单元，为了缩短雨蓬开启时间，a 2 、a 3 单元可以两组油缸同时动作。 以半自动工作方式下a 1 单元开启为例，来描述工作过程，a 2 、a 3 单元重复其过程。 低位到中位( 雨蓬开启由1 46 到2 5 。) 电机启动，选择a 1 单元由低位升至中位按钮，首先系统会自动拔掉销子1 和2 ，然后电磁换向 阀通电，升降油缸活塞杆收缩，a 1 单元开启，此时电磁溢流阀的电磁铁带电，系统处于高压工作状 态。当a l 单元活塞杆到达所需位置时，由位置传感器发出停止信号即该电磁换向阀断电，油缸a 1 停止、定位，此时液压锁关闭，保证油缸处于静止。系统自动插销1 和2 ，当插销传感器发出完成 第1 3 页 上海交通大学博士后工作报告 a 1 单元位置锁定信号后，表明a 1 单元被锁定。 万一油缸由于外力或其它原因发生位移，行程开关将自动发出信号，使油缸恢复到原来位置。 中位到高位( 雨蓬打开由2 5 。到3 8 。) 系统处于中位( 雨蓬开启2 5 。) ，将要升至高位时，将插销3 和4 拔掉，收到销子拔出信号后， 油缸活塞杆收缩，a 1 单元开启，活塞杆到达所需位置时，由位置传感器关发出停止信号，油缸停止， 开始插销3 和4 当插销到位后，传感器发出信号，表明完成a 1 单元位置锁定。 2 雨蓬闭合 闭合顺序为a 3 、a 2 、a 1 单元，其中a 2 、a 3 可两组油缸同时动作。首先a 3 单元闭合，然后a 2 、 a 】分别重复其过程。 高位到中位( 雨蓬闭合由3 8 。到2 5 。) 当a 3 单元要求从高位f 降到中位时，先将销3 和4 拔出，a 3 单元油缸活塞杆伸出，雨蓬下降， 当降至中位时，位置传感器发出到位信号，油缸停止运动。此时锁紧油缸开始插销3 和4 ，当插销 到位后，传感器发出信号，表明完成a 3 单元位置锁定。 中位到低位( 雨蓬闭合由2 5 。到1 4 。) 当a 3 单元要求从中位下降到低位时，先将销1 和2 拔出，a 3 单元油缸活塞杆伸出，雨蓬下降， 当降至低位时，位置传感器发t t i n 位信号，油缸停止运动。此时锁紧油缸开始插销1 和2 ，当插销 到位后，传感器发出信号，表明完成a 3 单元位置锁定。 因为5 片雨蓬在高度上是错开的，a l 最高，a 2 次之，a 3 最低。而为了实现防雨功能，每片之 间有重叠部分。为了避免相互碰撞，通过程序进行互锁，即如果上一个动作没有完成( 包括开启和 锁定) ，下一个动作不会开始，并有暂停功能。因此，操作时需严格按照操作手册进行。观众席雨蓬 工作流程如图2 6 所示。 液压系统的操作方式可分为自动、半自动、手动三种。自动与半自动方式由p l c 程序控制实现， 手动方式通过按钮直接控制接触器驱动油缸。自动时雨蓬按照程序设置完成整个雨蓬升降、插销、 拔销动作，即上升顺序为a 1 单元、a 2 单元、a 3 单元，下降时则相反。此时p l c 可控制a 2 单元、 a 3 单元同步连续升降。半自动时，p l c 可控制单屏连续升降。手动时每片雨篷可单步执行动作。 第1 4 页 上海交通大学博士后工作报告 i选择雨蓬开启方式 i i选择雨蓬开启方向 t 拔销厉，雨蓬运动 j 雨蓬到位后，插销 2 2 舞台雨蓬 2 2 1 结构设计 共有自动、半自动、手动三种方 式。一般情况下，选择半自动 上升：低位到中位，中位到高位 下降：高位到中位，中位到低位 自动和半自动方式：自动拔销 手动方式：按动拔销开关 自动和半自动方式：自动插销 手动方式：按动插销开关 图2 6 观众席雨蓬工作流程图 由于艺术广场的外部环境极为独特，观演性质有别于普通露天剧场，加设的雨蓬一定不能对观 众视线造成遮挡。因此，舞台雨蓬由两个可相对滑动的单体构成，两个单体结构在空间上沿舞台和 观众席纵轴线呈镜面对称，前檐高1 7 1 m ，后檐高1 1 3 m ，舞台雨篷呈孔雀开屏状。舞台雨篷通过 树枝状钢杆件支撑于两侧的弧形托架上，托架固定在宽8 m ，长1 9 3 m ，高1 5 m 的钢结构行走小车 上， i 走小车连同上部结杳句在间距6 m 的轨道上运行，以完成舞台雨篷的开合。图2 7 为雨蓬示意 图，舞台雨篷总覆盖面积约5 0 8 m 2 。小孔雀完全合拢，既遮挡风雨，又限制表演区，类似于镜框式 舞台。小孔雀不完全合拢，依据演出要求，随意扩大镜框宽度，以增加表演区面积。小孔雀完全分 开时，形成以山水为背景的天地大舞台。 由于舞台移动小车高度较高、面积较大，运行时惯性较大，并且运行时的倾覆力矩也较大，因 此采用了平衡对重方法，同时采用变频调速电机驱动。另外，为了保证整个小车的运行安全，尤其 是风力较大的时候保证安全可靠，采用了防倾勾装置和使用了顶轨器。其一台小车的结构如图2 7 第1 5 页 上海交通大学博士后工作报告 所示。 2 2 2 控制系统 图2 7 舞台雨蓬示意图 | | 呻_ j l、 o f 扣。一 图2 8 舞台雨蓬小车结构图 卜一挡板2 一防倾勾3 一锚定装置 每个雨篷小车控制系统主要由1 台西门子p l cs 7 2 2 4 、2 台西门子m d l l 0 0 变频器、2 台顶轨 第1 6 页 上海交通大学博士后工作报告 器以及其它控制元件组成。如图2 9 所示。 通过操作人员手动输入电信号，为防止通电后舞台移动小车自动滑行，在设计中考虑了要手动 扳起小车轨道锚钉器的限位，方可进入系统工作状态，上电的同时左右二根轨道上的顶轨器松开。 然后操作人员输入前进或后退信号，经p l c 程序输出到4 台1 1 k w 的西门子变频器，通过变频器预先 设置各种运行速度的参数，由变频器直接驱动7 5 k w 的变频电机，每台电机各有一套三相液压制动 器。舞台雨蓬小车运行状况可通过p l c 的r s 一4 8 5 通讯口实时传输到上位总监控机，主监控室的操 作人员既能实时观察到舞台小车的运行状况，同时也可发送命令至舞台小车，小车根据命令信号实 时前进，后退、暂停等。软件流程如图2 ，1 0 所示。 图2 9 移动小车硬件控制系统 根据世博园艺术广场舞台的实际需要，舞台移动小车正反方向的行程各大约为1 8 米，同时也要 考虑到舞台演出根据灯光及场景的需要，随时都能调节其移动速度的快慢。变频器运行工作频率曲 线如图2 1 1 所示。 第1 7 页 上海交通大学博士后工作报告 开始 j 上 通讯端口初始化 上 解除顶轨器 ， 上上上上 小车自动前进 小车自动后退 小车自动后退 小车自动后退【 上j上上 解除制动 解除制动延时 ， 碰限位开关1 减速 上 碰限位开关2 停止 上 碰极限位开关断电 图21 0 舞台雨蓬小车控制流程 在舞台小车实际调试过程中发现，台车在启动与停止时有剧烈振动及噪声较大的现象，以致于 高达1 7 米左右的雨篷顶端出现2 度左右的晃动。且振动噪声达7 5 分贝左右，这种情况严重影响 舞台的演出效果及周围观众观看演出的效果。另外，如果设备在使用过程中经常产生振动，虽然其 加速度未超过设备所承受的极限加速度值，但由于受长期振动、冲击的影响会导致设备因疲劳而断 第1 8 页 上海交通大学博士后工作报告 翌i 订 曼型厂_ - - ! ! 型厂 b 堡巡厂 图21 1 变频器工作频率曲线 t l 一加速时间t 2 一第一减速时间t 3 一第二减速时间 t 裂损坏。 经过对舞台小车运动状况的实际研究和理论分析，确认有如下几个因素是引起振动和噪声的原 因。 台车运行轨道铺设不平整； 几台变频器同步启动的频响特性一致性较差； 舞台小车上面的雨篷重心位置对变频器工作性能的影响。 采取纠正的措施如下。 调整台车轨道平整度及平行度； 调整变频器修正有关参数： 第1 9 页 上海交通大学博士后工作报告 调换隔振吸声阻尼材料及雨蓬安装位置。 在调整变频器的频响特性一致性的情况下，适当调整变频器的加减速时间。由于舞台雨篷的整 体重心位置靠近小车前部，故小车启动、停止时加速度受重力影响，使小车后轮启停的运行速度与 前轮不一致而产生共振，冈此采取有效的配重措施。另外考虑减振降噪，通常采用隔振器隔振或使 用吸声较好的阻尼材料，例如在舞台轨道两端终点的限位处加设消振效果较好的橡胶等办法。同时 经过分析、计算后，在所选变频器、电机功率允许情况下，仪用前面二台变频器驱动台车前部车轮， 而后二轮则作为被动轮来考虑。经过实际运行，证实了以上方法的可行性，原来所产生的共振及噪 声现象完全消失了。 2 3 小结 本章对观众席雨蓬系统的方案设计进行了介绍，同时描述了观众席雨蓬开启闭合工作过 程。同时对舞台移动小车的方案设计进行了简单介绍，并对实际调试过程中遇到的问题提出了解决 方法。 第2 0 页 上街交迎大学博j + 后工作报告 4 1 前言 第四章监控系统设计 机电系统是建筑运动机构、运动控制、运动安全的关键技术之一。充分考虑了雨蓬重量、空间 大小及观众视线等已知条件，还考虑剑i l 向、) z l j j 等一系列不定因素，设计了包含故障诊断的状态 监控系统，保证了挚个系统运行平稳、安全、可靠、戋观。 本监控系统是采用v b 语言开发的。v i s u a lb a s i c ( 简称v b ) 是m i c r o s o f t 公司推出的w i n d o w s 应粥程序开发工具，它继承了b a s i c 简便易学的优点，同时具有友好的可视化编程界面，编程方便， 而且功能强大，v b 的出现，使w i n d o v , ，s 环境j i 的编程，尤其是用户界面的设计，变得十分简单快 捷。并且v b 带有专门管理串行通讯的m s c o m m 控件，用户无须深入串行口编程，只需设置几个参 数就可以按查询或事件驱动方式实现串行迎使通讯编程大为简化，冈此非常适合编写w i n d o w s 环境下的串行通讯稃序。 4 8 5 由 图4 1 盟控系统硬件总体构成 第2 l 页 上；向交迎大学储l 詹工作报告 表t i1 端口分配表 卡号端口号 i 0 地址号中断号i r q 地址连接设备 p o r l33 0 0 h2 8 0 h左侧小车p l c 通讯 1 p o r t 43 0 8 l 2 8 0 h右侧小车p l c ( p c l 一8 4 6 ) 3 1 ( ) i i 2 8 0 h液压p l cp o r t 5 p o r t 63 1 8 2 8 0 h 雨蓬a 3 单元左p l c p o r 372 2 0 9 2 6 0 h雨蓬a 2 单元左p l c 通讯卡2 p o r l 8 2 2 8 l i9 2 6 0 h雨蓬a 1 单元p l c ( p c l 一8 4 6 ) p o r t 92 3 0 l l92 6 0 h 雨蓬a 2 单元右p l c p o r t l 02 3 8 1 i92 6 0 h 雨蓬a 3 单元右p l c 】j o 卡 2 1 ) 8 l l 风速仪 ( p c l 一7 3 3 ) 蚓4 2 监控系生屯软件总体构成 第2 2 页 上海交通大学博士后工作报告 3 2 监控系统组成 总控制系统主要由主监控系统、观众席雨蓬控制系统、舞台小车控制系统及风速报警系统组成， 其硬件组成如图31 所示。表31 为端口分配表。主监控系统通过p c l 一8 4 6 串行通讯卡与小车控制 系统及雨蓬角度测试系统进行远距离通讯，通过p c l 一8 4 6 串行通讯卡与液压控制系统通讯，通过 p l c 一7 3 3 端口卡与风速测试系统进行通讯。监控系统软件构成如图3 2 所示。图3 3 为监控系统主 菜单。 1 风速钡4 试报警系统 风速仪位置的选择，首先考虑到能够准作反映观众席雨蓬所承受的实际风力大小，另外需要安 装、布线方便，并且不能破坏艺术广场的整体美观，我们将其安放在主控制室后面的a 1 单元的锁 紧支架上。 风速传感器测量风速大小，通过适当设置后可以实现当风速超过一定阈值时发出报警信号。该 信号被主监控系统接收、显示，同时也可把该信号传送给移动小车和液压控制系统。 图3 3 监控系统主菜单 第2 3 页 圭塑奎望茎兰堡主堕三堡塑堂 图3 4 舞台小车状体监控 2 移动小车( 两台) 监控系统 主监控系统通过p c l 一8 4 6 串行通讯卡与移动小车控制系统通讯。主要包括如下内容，如图3 4 所示。 当小车变频器发生故障时，主监控系统可以故障显示。 主监控系统可实时显示移动小车运动状态( 包括前进方向、运行、停止、暂停等) 。 主监控系统可实时显示小车所停位置( 图形显示在原点、终点还是中间位置) 。 主监控系统可显示制动器及顶轨器工作状态。 主监控系统可向移动小车控制系统发送使能信号和风速报警信号。 第2 4 页 上淘交通大学博士后工作报告 3 雨蓬状态监控系统 图3 5 观众席雨蓬角度动态显示 雨蓬角度监控( 5 片) 角度传感器安装在主铰轴上，经过p l cs 7 2 0 0 、p l c - 8 4 6 串行通讯卡与主监控系统实现通讯。 主要包括以下内容，如图3 5 所示。 主监控系统可实时显示每片雨蓬开启角度及位置( 图形动态显示) 。 主监控系统可向雨蓬角度测试系统发送初始化信号。 液压系统( 5 组) 状态监控 液压升降及锁紧控制系统通过p l c c q m l 、p l c 一8 4 6 串行通讯卡与主监控机实现通讯。主要包括 以下内容，如图3 6 所示。 主监控系统可实时显示雨蓬运行状态( 包括开启方向、运行、停止等) 。 主监控系统可实时显示每片雨蓬上下锁紧插销