試驗裝備電液控制系統設計與穩定性監測分析

李成剛

(中國電子科技集團公司第三十研究所，四川成都610041)

0 前言

起重裝備作為一種現代機電搬運機械，以其方便快捷占地面積小、結構簡單等優點，廣泛應用于重型電子試驗裝備，車間建筑工地、岸邊裝卸等生產的各個領域。塔式起重裝備是其中比較常見的一種，其起重機臂架安置在垂直的塔身頂部，并且可以自由回轉［1－2］。隨著自動化控制以及計算機管理系統的廣泛應用，起重裝備從單一的搬運工具逐步演變成柔性化生產中的重要組成部分［2－3］。

與其他控制系統相比，起重裝備對電液控制系統較高，需要保證負載重物能夠停穩、停準。在對起重裝備的控制上，就要求控制設備要接線方便、工作可靠、控制靈活等［4－5］。目前國內裝備控制系統絕大多數使用繼電器－接觸器的控制方式，功能差、故障率高。而可編程序控制器(PLC)是以微處理器為核心，具有結構簡單、性能優越、易于編程、使用方便等優點［6－7］。所以，基于PLC 的試驗裝備控制系統替代傳統控制方式將成為發展的必要趨勢［8］。然而，起重裝備作為一種作業設備，有著眾多的安全上的隱患。在研究起重裝備控制系統的同時，對裝備系統穩定性的分析來滿足運行安全和人身防護等方面的需要，變得尤為重要。本文為了研究起重裝備的控制和穩定性問題，設計了一種基于PLC 控制系統的試驗裝備，確定其控制方案結構，然后，對裝備其穩定性進行分析，并將編寫裝備穩定性監測系統，對四種工況下裝備的穩定性進行比較。

1 系統描述

根據試驗裝備工作方式的不同，可以基本分成三部分:起升機構，變幅機構和回轉機構，如圖1所示。

圖1 試驗裝備控制系統結構組成示意圖

設計試驗裝備電液控制系統用于控制這3 種機構的動作，裝備的控制系統包含3 個機構，起升機構和回轉機構由液壓馬達驅動，變幅機構由液壓缸驅動。針對每個液壓馬達和液壓缸需要用PLC 進行調速控制。在裝備系統工作的同時，需要針對不同的復雜工作環境，對其工作穩定性進行分析。

2 電液控制系統設計

2.1 液壓控制系統

試驗裝備控制系統主要用于對液壓缸和液壓馬達的驅動和控制。從而完成作業對象的提升、回轉和變幅的動作。根據系統的構成，設計裝備的液壓系統圖。

如圖2所示，回轉馬達控制試驗裝備的左右回轉，卷揚機馬達控制作業對象的起升，伸縮油缸控制試驗裝備的變幅。3 個模塊相對獨立，在變幅運行機構和作業對象起升機構中加入了限位開關。另外，為了更加準確地停止，在每個模塊中都加入了制動器。圖3—5 分別顯示了3 個模塊的液壓系統。

圖2 試驗起重裝備液壓系統

圖3 起升回路

圖4 變幅回路

圖5 回轉回路

圖3所示的是試驗裝備的起升回路液壓原理圖。當換向閥處于左位時，液壓油經過換向閥、平衡閥進入液壓馬達，重物起升。當換向閥處于右位時，液壓油經過換向閥進入液壓馬達，并且作用于平衡閥，推動閥芯換向，重物在平衡閥的作用下限速下降。圖4為變幅機構的液壓原理圖。當換向閥左位接通，即P口與A 口相通，油液流經平衡閥中的單向閥到達變幅缸的大腔，變幅缸小腔油液通過T 口流回油箱，油缸的活塞桿被推出，支起吊臂，變幅角度增大;當換向閥右位接通時，油液經過分流閥回油箱，變幅缸大腔的油液經過多路閥中的順序閥由A 口回油箱，此時在重力作用下變幅缸7 的活塞桿縮回。圖5 為回轉機構液壓原理圖。變量泵用來調節回轉馬達的轉速?；剞D液壓系統的壓力由溢流閥設定，溢流閥在系統受到大的沖擊載荷時起緩沖及安全保護作用。電磁換向閥具有控制回轉馬達A、B 口通斷的功能，實現轉臺的自由滑轉。

2.2 PLC 控制系統

設計的PLC 試驗裝備控制系統，輸入包括液壓缸伸縮、卷揚機升降開關信號、起重臂回轉開關信號、停止開關信號等信號;輸出包括前進、后退接觸器驅動信號、上升下降接觸器驅動信號、順時針逆時針回轉接觸器信號及各部分制動接觸器信號等輸出信號。其中，以西門子S7-200 系列的可編程控制器為例，進行電機的控制研究。首先，分配系統I/O 接口功能，控制器的PLC 接線圖如圖6所示。

圖6 電液控制系統PLC 接線圖

根據接線圖和I/O 接口的設定，在西門子PLC專用編程軟件Step7-Mirco/Win 中，對控制系統的動作進行PLC 的編程。裝備控制系統PLC 程序由主程序模塊OB1 和4 個子程序模塊構成。

主程序根據安全裝置的信號決定是否執行此子程序，例如當力矩限制器報警時不允許運行起升程序。子程序分別是試驗裝備變幅子程序FC1、回轉子程序FC2、起升子程序FC3 和制動子程序FC4。PLC 控制系統軟件設計的流程見圖7。

圖7 控制器主程序流程圖

3 試驗裝備穩定性監測分析

3.1 穩定性校驗

試驗裝備的穩定性是指其抵抗外載荷如風載荷、吊重載荷等的作用而保持整機穩定性的能力。當風力或者外載荷達到一定的臨界點，起重機會失衡，從而發生安全事故。根據試驗裝備的工作狀況，將它分為4 種工況進行驗算。工況1:靜態無風的工作狀態;工況2:有風，動載荷工作狀態;工況3:暴風影響的非工作狀態;工況4:料斗卸載下的工作狀態。

試驗裝備穩定性的判斷標準為:各項載荷(包括自重和風力)對傾覆邊的力矩之和大于或者等于零［9－10］。如果滿足這個標準，則表明裝備沒有傾覆的危險;反正，將存在安全威脅。驗算是在對穩定性最不利的載荷組合條件下進行的，4 種工況的驗證均需要滿足以下條件:

式(1)中，所有力矩包括兩種:試驗裝備穩定力矩和傾覆力矩。穩定力矩是裝備自重和其基礎所產生MG;傾覆力矩包括起升載荷所產生的MQ、風載所產生的載荷MW及慣性載荷所產生的MH。式(1)也可表示為:

根據試驗裝備的結構參數，計算各個力矩的大小，可以得出:

式中:Fi代表基礎力和傾覆力，li代表其力臂。

根據式(3)，結合各種工況的受力狀態，可以得到各種工況的力矩之和為

其中:G 表示裝備的自重;FQ表示起升載荷;Rmax表示最大工作幅度;a 表示底架跨距的一半;b 表示重心離回轉軸的距離;c 表示重心與后傾翻邊之間的距離;FWi表示風載荷;FP表示作用在載荷上的離心力;h1、h2表示風力作用點的高度。

3.2 監測系統的硬件結構

試驗裝備穩定系監控系統為遠程監控系統。傳感器采集現場數據，然后通過數據采集卡信息通道傳送至上位機，由上位機對數據進行分析和處理，并實時顯示，試驗起重裝備監控系統結構如圖8所示。

圖8 試驗裝備檢測系統結構簡圖

如圖8所示，控制系統主要包括裝備控制部分和傳感器監測部分?？刂撇糠种饕蒔LC 控制，檢測部分包括傳感器、數據采集卡和上位機。其中，采用加速度檢測吊裝物體的運動狀態，采用位移傳感器檢測小車行走距離，風速傳感器用來檢測風速和風力，用于計算風載荷，光柵傳感器用來記錄電機的轉角。所用傳感器如圖9—11所示。

圖9 加速度傳感器

圖10 位移傳感器

圖11 風速傳感器

3.3 監測系統運行結果

監測系統的軟件系統在上位機上運行。根據裝備穩定性計算公式和系統的軟件結構圖，編寫穩定性監控程序，并且利用LabVIEW 軟件編寫可視化監控界面。根據4 種工作狀態，分別仿真計算其載荷總量，軟件運行后，得到的結果如圖12、13所示。

圖12 試驗裝備穩定性監測界面

如圖12所示，試驗裝備監控分為4 個模塊，分別仿真監測4 種工況。程序啟動后，點擊其中的任一種工況運行按鈕，此工況將分別運行，根據系統給定和采集的各種載荷，計算該工況下的裝備系統穩定性，如果載荷力矩之和小于零，系統將自動報警，指示燈由綠色變為紅色，這時，為了安全起見，起重工作應該立即停止。

圖13 表示了4 種工況下，不同的載荷和風速下，100 s 內試驗裝備的穩定性曲線?？v坐標代表的是試驗裝備力矩之和，橫坐標代表的是工作時間。4 種情況下，工況四出現傾覆的可能性最小，穩定性較好。在其他3 種工況下，都有較大的機會出現不穩定，而且工況2 和工況3 所出現的傾覆的可能性較大，在實際的工作環境中需要注意安全防護。

圖13 試驗裝備穩定性工況

4 結論

(1)以可編程控制器PLC 為基礎，設計了一種試驗裝備的電液控制系統，確定了液壓基本原理結構和3 種控制回路方案，給出了PLC 系統的運行方式，并且編寫了控制程序;

(2)設計了試驗裝備的穩定性監控系統，探討了4 種工況下穩定性分析方法;確定了以傳感器為輸入，數據采集卡為媒介，上位機為處理中心的監控系統的基本結構;

(3)對試驗裝備的穩定性進行仿真計算，通過監控界面實時監控危險狀況的發生，得出了4 種工況下的穩定性工況圖，結果表明，工況4 的穩定性較好。

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