基于PLC 的平板運輸車模塊化控制系統研究

李輪輪，張立忠，張瑋佳，劉寶聚，孫玉潔

（海洋石油工程（青島）有限公司，山東青島 266100）

0 引言

大型動力平板運輸車已經被廣泛用于船廠船體以及海洋工程大件搬運的作業中，主要由機械結構、液壓動力和電氣控制等三部分組成。但由于載重噸位的不同，平板運輸車在機械結構和液壓動力方面會有很大差別，這使得電氣控制系統的設計變得異常復雜和繁瑣，并極大的降低了工作效率[1]。

從平板運輸車電氣控制模塊化設計出發，充分利用PLC 控制器的端口性能以及CAN 現場總線控制技術，改變電氣控制設計繁雜的狀況。

1 模塊化控制結構組成

平板運輸車的電氣控制主要包括操作控制、柴油機控制、驅動行走、液壓轉向、平臺升降和燈光控制等功能單元，還包括車輛狀態顯示和故障診斷以及緊急情況的處理[2]。電氣控制系統以控制器PLC 為基礎，融入分散控制和集中操作管理的設計理念，結合人機交互界面，構成模塊化分布式DCS 控制系統，提高系統的穩定性和可靠性[3]。控制系統結構如圖1 所示。

1.1 電氣操控單元

電氣操控單元包括車輛操作和人機界面等兩部分，軟硬件結合使用，提高操控效率及舒適性。

圖1 模塊化控制系統結構框圖

車輛操作主要是輸入控制，是電氣控制系統的指令發出單元，主要由方向盤、腳踏板、控制手柄和功能鍵盤等組成，數據集中采集處理，便于現場安裝維護使用。各個操作單元均依靠控制PLC 實時監控狀態，比如功能鍵盤，做集成化設計，通過CAN 總線控制按鈕輸入信號以及指示燈輸出信號，摒棄傳統的按鈕。

人機交互界面用于顯示車輛的實時狀態，存儲控制系統故障診斷信息，以及必要的參數設置和傳感器標定等，選用7 英寸彩色液晶顯示屏，對車輛各種數據進行分類匯總，以人性化界面呈現出來，高效完成車輛信息的可視化服務。

1.2 柴油機及行走控制

平板運輸車的行走控制一般采用電液閉式控制，柴油機帶閉式驅動泵，產生高壓油到液壓馬達，進而帶動輪胎轉動，達到前進、后退以及行走的目的。控制框圖如圖2 所示。

圖2 行走控制流程框圖

柴油機的控制功能主要是轉速調整和各種傳感器信號的采集，大體上可分為機械式和電控式等兩種。機械式控制相對簡單，可通過設計簡單電路達到控制要求，而電控式則需要通過CAN 總線控制。

行走系統配置的閉式液壓泵，可通過電氣改變排量，實現車輛調速和行走換向。液壓馬達主要提供車輛行走扭矩，尤其是載重爬坡時，可大扭矩輸出，方便操控。

1.3 輪組轉向控制

平板運輸車大多數采用獨立懸掛轉向結構，便于設計多種轉向模式，比如：八字轉向、斜行、前后半八字和原地轉向等。各個轉向機構均配置比例換向閥，用于輪組左右轉動以及調速，最終執行部分由雙作用油缸推動連桿機構完成。

電氣系統除控制轉向比例閥外，還配置轉向角度傳感器，連接到轉向控制PLC，形成轉向閉環控制結構。對于多輪組轉向系統，電控PLC 通過分析來自于操作單元的各種信號，包括方向盤、控制權節點和轉向模式選擇等，進行綜合運算，分別給予每個輪組不同的轉向信號，使得所有輪組協同轉向，保證車輛行走過程中不干涉。

1.4 平臺起升控制

平板運輸車具備平臺整體或單點或單邊升降功能，這使得車輛可根據現場情況靈活使用，省去某些工況的二次吊裝工序，提高大件的轉運效率，同時也為生產過程節約了吊裝費用。

平臺升降系統有三點支撐和四點支撐兩種使用模式，平板運輸車可通過某些球閥進行自由切換，但現場使用最多的還是四點支撐模塊，由于其穩定性更好，所以更容易被現場接受。

每一個支撐點均配置電控比例換向閥和高度行程傳感器，便于平臺整體升降過程中的同步控制。由于現場工件形狀各異，時常會出現偏載或載荷分布不均等情況，此時通過控制器PLC控制平臺同步起升和下降就顯得格外重要。

1.5 燈光控制模塊

系統將燈光控制納入到模塊化設計的范疇，總體來講不再區分車電控制和微電控制，徹底做到一體化控制，同樣配置燈光控制PLC 模塊，減少接線，降低故障率。

2 控制系統關鍵技術

2.1 現場總線網絡控制

研究涉及到的現場總線網絡主要是CAN 總線通信網絡，它是一種有效支持分布式控制或實時控制的串行通信網絡。CAN網絡能夠保證現場數據通信的可靠性，為分布式控制系統實現各節點之間實時、可靠的數據通信提供強有力的技術支持[4-5]。

平板運輸車模塊化設計選用的控制器PLC，均有CAN 總線通信接口，系統網絡總體分兩層，主網絡負責PLC 之間的通信，次網絡處理總線型傳感器的信號。

2.2 機電液協同控制

平板運輸車是集成化很高的一種機電液一體化設備，為使運輸車穩定運行，需統一協調機械、液壓和電氣三部分的接口關系。設計研究的模塊化控制系統，融入機電液協同控制的思想，提高接口之間的配合度，可尋求到各功能之間的協同控制平衡點以及更優的控制策略。

3 控制系統工程應用

電氣模塊化控制系統已成功安裝于多臺大型運輸車上，廣泛應用于廠內大件運輸的現場。例如：青島海工的370 型平板運輸車的模塊化控制系統，自投入使用以來，電氣系統運行穩定，現場反饋良好，大大降低車輛故障率，提高可維護性。通過故障診斷系統可實時監控車輛的狀態，起到故障預警和協助故障排查等作用，獲得使用者的一致好評。

4 結語

大型動力平板運輸車模塊化控制系統依靠CAN 現場總線技術合理整合各個功能模塊，便于電氣控制擴展和變形，能夠適用于各種載重噸位的運輸車，具有重要的工程實踐意義。