提高混凝土泵排量控制可靠度的冗余控制策略

邵恩奇

（華菱星馬汽車（集團(tuán)）股份有限公司，安徽馬鞍山 243061）

提高混凝土泵排量控制可靠度的冗余控制策略

邵恩奇

（華菱星馬汽車（集團(tuán)）股份有限公司，安徽馬鞍山 243061）

混凝土泵排量控制的電氣系統(tǒng)一般采用一路控制通道，一旦該控制信號通道出現(xiàn)故障，則泵將停止正常工作。為提高混凝土泵排量控制的可靠度，介紹了一種基于冗余控制原理的四通道電氣控制的技術(shù)方案。采用四冗余電氣控制技術(shù)方案后，使泵排量控制的可靠性大為提高。

混凝土泵；排量控制；冗余控制；電氣控制

1 控制泵車排量的電氣系統(tǒng)簡介

混凝土泵排量控制是在正泵、反泵的基礎(chǔ)上，通過改變主變量泵上比例電磁閥（DT）的平均電流，從而改變主變量泵的流量，也即改變了泵車的排量。早期的混凝土泵采用一路排量通道控制，一旦出現(xiàn)故障，混凝土泵將停止工作，所以設(shè)計(jì)了四冗余度排量通道，這樣，可以大大提高混凝土泵排量控制的可靠度，下面談?wù)劚密嚺帕客ǖ浪娜哂喽瓤刂频挠布?、軟件以及故障通道診斷、切除的工作原理。

圖1 排量四冗余度控制原理圖

2 四冗余控制的硬件實(shí)現(xiàn)

如圖1所示，該系統(tǒng)采用西門子小型可編程邏輯控制器CPU224[1]，L+、1L+、2L+接10 A的保險(xiǎn)F，再接電瓶正極，M、1M、2M接電瓶負(fù)極，Q0.1為控制排量通道的脈沖寬度調(diào)制（PWM）輸出端，Q0.6、Q0.7、Q1.0、Q1.1為切除故障排量通道的四個(gè)輸出端，分別連接到四個(gè)繼電器K1、K2、K3、K4的四個(gè)線圈。SB為排量調(diào)節(jié)鈕子開關(guān)，其兩觸點(diǎn)上端接到F下端，兩觸點(diǎn)下端分別接到PLC的輸入端I0.6、I0.7，I0.6為排量減小輸入端，I0.7為排量增加輸入端。比例電磁閥（DT）一端接+24 V電源，另一端接I0.3和四個(gè)繼電器K1、K2、K3、K4的四個(gè)常閉觸點(diǎn)后，再接四個(gè)絕緣柵場效應(yīng)管的四個(gè)漏級（D端），而四個(gè)絕緣柵場效應(yīng)管的四個(gè)源級（S端）接地（電瓶負(fù)極），四個(gè)絕緣柵場效應(yīng)管的四個(gè)柵級（G端）通過四個(gè)10kΩ、30kΩ的電阻分壓器連接到Q0.1。I0.3為故障通道監(jiān)測輸入端[2]。

3 四冗余控制的主控程序

PLC程序(STL語句)部分段[2-3]如下：

初始化程序Initialize

……

網(wǎng)絡(luò)3

子程序SetPQ

網(wǎng)絡(luò)1

子程序PQChRecover

網(wǎng)絡(luò)1

網(wǎng)絡(luò)2

網(wǎng)絡(luò)3

中斷程序INT_0

4 泵車排量的四冗余控制策略

（1）調(diào)節(jié)排量的PWM脈沖信號的輸出

在子程序Initialize網(wǎng)絡(luò)1中對Q0.1進(jìn)行脈沖寬度調(diào)制（PWM）的初始化，設(shè)定Q0.1的PWM的輸出脈沖的周期為4 000μs（0.004秒），也即Q0.1的PWM的輸出脈沖的頻率為1/0.004= 250 Hz。在子程序Initialize網(wǎng)絡(luò)4初始化輸出脈沖的最大脈寬為2 500μs，初始化最大相對排量為100（就是第一次開機(jī)時(shí)泵車的初始排量）。在子程序SetPQ網(wǎng)絡(luò)3中，給出了當(dāng)前相對排量（VD738）、最大排量脈寬(VD730)和當(dāng)前設(shè)定排量脈寬(VD734)的關(guān)系：當(dāng)前相對排量*最大排量脈寬/100=當(dāng)前設(shè)定排量脈寬。操作SB鈕子開關(guān)，可以讓I0.6或I0.7置24 V，由子程序SetPQ網(wǎng)絡(luò)1、網(wǎng)絡(luò)2可以減小或者增大當(dāng)前相對排量(VD738)，使其在0～100之間變化，從而改變當(dāng)前設(shè)定排量脈寬(VD734)從0～2 500μs之間變化。這樣，從Q0.1輸出的脈沖周期為4 000μs，振幅為DC24V，高電平脈寬從0～2 500μs可變的脈沖信號，但此脈沖信號功率太小，不能直接驅(qū)動(dòng)主變量泵上比例電磁閥（DT），必須經(jīng)過絕緣柵場效應(yīng)管的功率放大[4-5]。Q0.1輸出的脈沖電壓如圖2所示。

圖2 Q0.1電壓

（2）Q0.1輸出脈沖的功率放大

Q0.1的輸出脈沖經(jīng)過10kΩ、30kΩ的電阻分壓后，在場效應(yīng)管的柵極（G端）產(chǎn)生和Q0.1的輸出脈沖頻率(250 Hz)相同，但振幅為其四分之一（6 V）的脈沖信號，而場效應(yīng)管的源級（S端）接地（電瓶負(fù)極），所以，場效應(yīng)管的柵極（G端）和源級（S端）之間的電壓UGS為頻率250 Hz，振幅為6 V的脈沖電壓，如圖3所示。當(dāng)此脈沖為低電平時(shí)，場效應(yīng)管的漏極（D端）和源極（S端）之間的導(dǎo)電溝道夾斷，場效應(yīng)管的漏極（D端）和源極（S端）之間的電流為零；當(dāng)此脈沖為高電平時(shí)，場效應(yīng)管的漏極（D端）和源極（S端）之間的導(dǎo)電溝道打開，四個(gè)場效應(yīng)管的漏極（D端）和源極（S端）之間的總電流為UDT（DT兩端電壓）/RDT（DT電阻）=24伏/25歐= 0.96 A=960 MA，所以，流過DT的電流為頻率250 Hz，振幅為960 MA的脈沖電流，如圖四所示。由上面可知，Q0.1輸出的脈沖周期為4000μs，高電平脈寬從0～2 500μs可變的脈沖信號，所以，流過DT的電流脈沖為周期4 000μs，振幅960 MA，高電平脈寬從0～2 500μs可變的脈沖，這樣流過DT的平均電流為0/4000×960MA～2500/ 4000×960MA可調(diào)[6]，即0～600 MA可調(diào)，從而實(shí)現(xiàn)了主變量泵的流量從最小到最大的調(diào)節(jié)。

圖3 場效應(yīng)管柵、源間電壓

（3）排量故障通道的診斷與切除

在子程序Initialize網(wǎng)絡(luò)2中對I0.3輸入口對應(yīng)的高速計(jì)數(shù)器HSC4進(jìn)行初始化，定義HSC4為模式0。在子程序Initialize網(wǎng)絡(luò)3中對時(shí)鐘中斷進(jìn)行初始化，定義每250 ms調(diào)用一次中斷程序0（INT0）。當(dāng)四個(gè)場效應(yīng)管都正常的情況下，輸入I0.3的電壓也是頻率為250 Hz，振幅為24 V的脈沖，所以，此時(shí)高速計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值HC4每秒增加250；當(dāng)四個(gè)排量驅(qū)動(dòng)通道中某一個(gè)或多個(gè)出現(xiàn)故障（短路）時(shí)，I0.3的電壓被強(qiáng)制下拉到0 V，執(zhí)行中斷程序0，此時(shí)高速計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值HC4為0，由子程序INT_0(INT0)網(wǎng)絡(luò)1可知，在當(dāng)前設(shè)定排量脈寬(VD734)＞10 ms，且高速計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值HC4為0兩條件都滿足的情況下，啟用延時(shí)接通定時(shí)器T179，延時(shí)800 ms后，排量驅(qū)動(dòng)通道故障中間寄存器M14.1置1，同時(shí)，在四個(gè)通道沒有全部故障（M13.7置0），且泵車不處在正泵狀態(tài)和急停狀態(tài)，排量驅(qū)動(dòng)通道故障切除中間寄存器M14.0置1。由子程序PQChRecover網(wǎng)絡(luò)1可知，M14.0置1啟用定時(shí)器T203，T203的預(yù)設(shè)值為100。由子程序PQChRecover網(wǎng)絡(luò)2可知，M14.0置1，且0＜T203當(dāng)前值＜20時(shí)，變量寄存器V106.3、V106.6、V107.1都置1，由子程序PQ?ChRecover網(wǎng)絡(luò)4、網(wǎng)絡(luò)5、網(wǎng)絡(luò)6可知，Q0.7、Q1.0、Q1.1同時(shí)也置1，即K2、K3、K4三繼電器線圈同時(shí)得電，K2、K3、K4三個(gè)常閉觸點(diǎn)同時(shí)斷開，此時(shí)只有通道一處于接通測試狀態(tài)，在0＜T203當(dāng)前值＜20的2 000 ms內(nèi)，如果當(dāng)前設(shè)定排量脈寬(VD734)＞10 ms，且高速計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值HC4仍為0（即通道一處于故障短路狀態(tài)），M14.1在置1之后500 ms（M14.1置1啟用500 ms延時(shí)接通定時(shí)器T178）M13.0置1，此時(shí)，如果四個(gè)通道沒有全部故障（M13.7置0），且T203當(dāng)前值≥80時(shí)(M14.0置0)，由子程序PQChRecover網(wǎng)絡(luò)3，Q0.6置1，K1線圈得電，K1常閉觸點(diǎn)斷開，處于故障短路狀態(tài)的通道一被切除。同樣道理，當(dāng)21≤T203當(dāng)前值＜40、41≤T203當(dāng)前值＜60、61≤T203當(dāng)前值＜80這三段時(shí)間段時(shí)，分別對通道二、通道三、通道四進(jìn)行測試，如果其中有故障通道，也相應(yīng)的給予切除。如果四個(gè)排量驅(qū)動(dòng)通道全部短路（M13.7置1），且T203當(dāng)前值≥80時(shí)(M14.0置0)，由子程序PQChRecover網(wǎng)絡(luò)3、網(wǎng)絡(luò)4、網(wǎng)絡(luò)5、網(wǎng)絡(luò)6可知，Q0.6、Q0.7、Q1.0、Q1.1都置0，此時(shí)四個(gè)排量驅(qū)動(dòng)通道都不切斷，通過DT的平均電流為最大電流，泵車以最大排量工作，只是排量不能調(diào)節(jié)。如果四個(gè)場效應(yīng)管中某個(gè)或多個(gè)（少于四個(gè)）斷路，輸入I0.3的電壓脈沖不變，HC4計(jì)數(shù)值不變，系統(tǒng)正常工作。

圖4 場效應(yīng)管漏、源間電流

5 結(jié)束語

根據(jù)華菱星馬公司售出的混凝土泵的故障統(tǒng)計(jì)結(jié)果，排量采用四冗余度排量控制，混凝土泵排量平均無故障時(shí)間與采用一路通道控制的混凝土泵相比，排量平均無故障時(shí)間延長一倍，大大提高了混凝土泵使用的可靠性。

［1］胡學(xué)林.可編程控制器原理及應(yīng)用［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2007.

［2］徐德鴻.電力電子技術(shù)［M］.北京：科學(xué)出版社，2006.

［3］西門子（中國）有限公司.S7-200系統(tǒng)手冊［Z］. 2002.

［4］西門子（中國）有限公司.可編程序控制器產(chǎn)品手冊［Z］.2006.

［5］翁瑞琪.電子工程師手冊［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

［6］趙明生.電氣工程師手冊［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.

Redundant Control Strategy of Concrete Pump Pumpage Control Reliability

SHAO En-qi
（Hualing Xingma Automobile（group）Co.，Ltd，Ma'anshan243061，China）

Concrete pump pumpage control of electrical system generally adopts the control channel all the way，when the control signal channel fails， pump will cease to work properly.In order to improve the reliability of concrete pump pumpage control， this paper introduces a kind of based on redundancy control principle of the technical scheme of electric control of four channels.After adopted four redundancy electric control technology solutions，has greatly improved the reliability of the pump pumpage control.

concrete pump；pumpage control；redundancy control；electrical control

TU646

：B

：1009－9492(2014)11－0120－04

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.11.032

邵恩奇，男，1976年生，安徽舒城人，大學(xué)本科，工程師。研究領(lǐng)域：工程機(jī)械智能化。已發(fā)表論文1篇。

(編輯：王智圣)

2014－05－31