基于PLC的盾構拼裝機舉升油缸同步控制

(1.陜西鐵路工程職業技術學院 軌道工程系，陜西 渭南 714099；2.長安大學 機械工程學院, 陜西 西安 710064)

引言

隨著城市的快速發展，地面交通已經遠遠不能滿足人們出行的需求，地下空間的快速崛起給人們的出行帶來了很大方便，盾構機作為目前地鐵施工中應用最廣泛的設備，是一種集機械技術、電子技術、控制技術等多學科融合而成的機電一體化設備[1]。盾構施工法相比于其他隧道施工工法最大的優點就是隧道襯砌一次成型，并且施工過程高效、快速、安全。管片拼裝機是盾構機的重要組成部分，是完成隧道襯砌一次成型的核心裝置。拼裝機有6個自由度，分別可實現鎖緊、升降、平移、回轉、俯仰、橫搖和偏轉7種動作，各種動作通過液壓系統驅動調節，以保證管片的精確就位。管片的舉升是管片精確就位過程中非常重要的一環，舉升油缸的同步精度對拼裝機后續動作的協調起著至關重要的作用。故本研究采用S7-200可編程控制器作為整個閉環控制系統的核心，以磁致伸縮傳感器實時檢測與反饋油缸位移情況，通過PLC分析處理反饋信號，并經放大后控制電磁比例換向閥的開度大小，進而控制進入油缸的流量，實現油缸的同步控制，該控制系統同步精度高，運行穩定可靠，具有較強的工程應用價值。

1 液壓缸系統模型

液壓缸系統的典型形式是對稱式結構，如圖1所示。

圖1 液壓缸系統模型結構圖

磁致伸縮傳感器實時檢測油缸運行狀況并反饋于PLC系統，經控制器分析處理，信號放大器放大，最后將信號傳輸給電磁比例方向閥，通過方向閥閥芯的開度變化實現系統流量和壓力的控制，進而實現舉升油缸的同步控制。該控制系統的關鍵就是在控制信號與活塞缸運行軌跡及位移傳感器之間建立一種閉環反饋機構，以保證舉升油缸的同步精度[2]。

2 液壓缸運行軌跡設計

假設活塞缸初始運動時刻為tB，對應的位置為xB，運動結束時刻為tE，對應的位置為xE，則活塞缸的運動軌跡應滿足如下約束：

x(tB)=xB，x(tE)=xE

(1)

(2)

(3)

公式中的式(1)～式(3)分別代表活塞缸運動過程中的位移、速度與加速度的平滑條件。

根據活塞缸運動的平滑條件構建如下函數：

(4)

公式中的Ta為加減速時間常數；Tb為勻速時間常數，t′=(t-Tb，f1=3Ta/2+Tb

故對液壓缸的運行軌跡設計如下：

(5)

公式(5)形式的液壓缸運行軌跡具有符合式(1)～式(3)的平滑條件，可對活塞運行加速度進行限定，避免過大的液壓沖擊，可對活塞的最大運行速度進行限定等優點。

3 控制系統的硬件組成及參數

3.1 PLC的硬件組成及參數

整體模塊回路圖如圖2所示。

圖2 PLC模塊回路圖

PLC控制器采用了多個模擬量擴展模塊，其主要作用是進行數模轉換，可編程控制器主要進行邏輯運算，發布控制指令。

3.2 液壓系統的硬件組成及參數

液壓系統主要由舉升油缸、磁致伸縮位移傳感器、電磁比例換向閥及液壓泵等組成。系統采用比例閥作為控制元件，舉升油缸的無桿腔最大通油流量為6 L/min，有桿腔最大通油流量為3 L/min，根據系統的控制模式可知，PLC輸出電流與比例換向閥閥口開度的關系曲線如圖3所示。由曲線可以看出，閥口開度與比例電磁鐵b的電流成正比關系，即電流越大，閥口開度越大，與電磁鐵a的電流成反比關系。位移傳感器，量程0～1500 mm，輸出信號為4～20 mA。

圖3 PLC輸出電流與閥的流量關系曲線圖

4 控制系統工作原理及特性分析

4.1 PLC控制原理

控制與檢測是系統的核心環節，其原理圖如圖4所示。

圖4 PLC控制原理圖

拼裝機舉升過程中，磁致伸縮位移傳感器實時檢測左右兩側油缸的位移狀況，輸出4～20 mA電信號，經過EM231擴展模塊進行A/D轉換之后，傳輸給PLC控制器，通過運算判斷兩側油缸的位移是否一致，如果偏差超出范圍，控制器發出指令，經EM231擴展模塊進行D/A轉換，并經信號放大器放大之后，傳輸給比例換向閥，調節閥口開度大小，實現兩側油缸的同步控制。

4.2 舉升油缸同步控制原理

舉升油缸同步控制系統原理圖如圖5所示。

同步控制系統將兩側油缸分別設為主令缸和從令缸，磁致伸縮位移傳感器實時跟蹤、檢測油缸位移情況，并反饋于PLC控制器，經分析判斷后，通過信號放大器傳輸于兩側比例換向閥，調節閥口開度大小。給

圖5 舉升油缸同步控制系統原理圖

定比例電磁鐵b的電流范圍為14～20 mA，此時油缸無桿腔進油，活塞桿伸出，給定電磁鐵a的電流范圍為4～10 mA，此時油缸有桿腔進油，活塞桿縮回，通過不斷調整從令缸的伸出與縮回，實現兩側油缸的同步運動。

4.3 閉環控制回路動態性能及穩定性分析

由液壓控制系統可知，電磁比例閥相當于二階振蕩環節，為進一步分析閉環控制回路的動態性能，建立系統AGC模型如圖6所示。

圖6 閉環控制回路AGC動態檢測模型

通過對AGC動態檢測模型有位移反饋與無位移反饋兩種情況下系統階躍響應曲線進行對比發現，增加位移反饋補償環節，系統響應速度加快，超調量減小，系統在短時間內趨于穩定。而利用改變增益控制超調量的方法會引起系統的不穩定，故采用位移微分反饋環節可有效調節系統的動態性能。系統階躍響應曲線如圖7曲線2所示，曲線1為增加位移微分負反饋后的響應曲線。

圖7 系統階躍響應曲線對比圖

5 舉升油缸同步控制的實現過程

設定控制主令缸的比例電磁鐵電流恒為16 mA，主令缸電磁比例換向閥的函數如式(6)所示：

(6)

令控制從令缸的電磁鐵電流在13～20 mA之間變化，從令缸比例換向閥的函數如下：

(7)

公式中的x為主令缸與從令缸活塞伸出長度之差。

控制從令缸的指令曲線函數如圖8所示。

圖8 從令缸指令曲線函數圖(油缸舉升)

油缸下降的同步控制過程中，令控制主令缸的比例電磁鐵電流恒為8 mA，控制從令缸的電磁鐵電流在4～11 mA之間變化。電磁比例換向閥的電流函數類似于舉升過程的電流函數。故得出控制從令缸的指令函數如圖9所示。

圖9 從令缸指令曲線函數圖(油缸下降)

6 舉升油缸同步控制的程序設計

盾構拼裝機舉升油缸動作前，機械抓持手首先要牢牢抓緊管片，待壓力繼電器發出可動作信號后，舉升主從油缸開始跟隨運動，直至觸碰限位開關后停止動作。位移傳感器檢測油缸偏差是否滿足±2 mm精度要求，滿足即可進行下步動作。依據舉升油缸同步動作的實現過程，設計自動控制流程圖如圖10所示。

圖10 舉升油缸同步動作自動控制流程圖

依據流程圖分別采用兩種不同的編程語言及邏輯分別設計程序如圖11～圖13所示。

分別對兩種不同編程邏輯的油缸同步動作幅值和相位進行仿真，仿真曲線如圖14所示。

圖14中a為采用梯形圖程序的幅值、相位特性曲線，b為語句表程序的幅值、相位特性曲線。通過對比可以發現，曲線a的編程邏輯明顯改善了油缸同步動作的動態性能，減小了動作的相位滯后，提高了同步動作的控制精度。

圖11 油缸同步動作語句表程序圖

圖12 油缸舉升梯形圖程序

圖13 油缸下降梯形圖程序

圖14 幅值相位對比曲線圖

7 結論

基于PLC的舉升油缸閉環同步控制系統，結構簡單、功能強大、抗干擾性強，經現場調試運行，系統實現了舉升油缸的自動化控制，并且在油缸上升和下降過程中具有自動糾偏功能，控制精度可達±2 mm，運行穩定可靠，消除了人工操作帶來的實時性誤差，有效提高了拼裝機舉升管片的同步精度和效率，在盾構拼裝機上具有一定的應用前景和價值。