試驗裝備電液控制系統(tǒng)設(shè)計與穩(wěn)定性監(jiān)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(xiàn)代機電搬運機械，以其方便快捷占地面積小、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于重型電子試驗裝備，車間建筑工地、岸邊裝卸等生產(chǎn)的各個領(lǐng)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(zhuǎn)［1－2］。隨著自動化控制以及計算機管理系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，起重裝備從單一的搬運工具逐步演變成柔性化生產(chǎn)中的重要組成部分［2－3］。

與其他控制系統(tǒng)相比，起重裝備對電液控制系統(tǒng)較高，需要保證負載重物能夠停穩(wěn)、停準。在對起重裝備的控制上，就要求控制設(shè)備要接線方便、工作可靠、控制靈活等［4－5］。目前國內(nèi)裝備控制系統(tǒng)絕大多數(shù)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(jié)構(gòu)簡單、性能優(yōu)越、易于編程、使用方便等優(yōu)點［6－7］。所以，基于PLC 的試驗裝備控制系統(tǒng)替代傳統(tǒng)控制方式將成為發(fā)展的必要趨勢［8］。然而，起重裝備作為一種作業(yè)設(shè)備，有著眾多的安全上的隱患。在研究起重裝備控制系統(tǒng)的同時，對裝備系統(tǒng)穩(wěn)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(wěn)定性問題，設(shè)計了一種基于PLC 控制系統(tǒng)的試驗裝備，確定其控制方案結(jié)構(gòu)，然后，對裝備其穩(wěn)定性進行分析，并將編寫裝備穩(wěn)定性監(jiān)測系統(tǒng)，對四種工況下裝備的穩(wěn)定性進行比較。

1 系統(tǒng)描述

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

圖1 試驗裝備控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成示意圖

設(shè)計試驗裝備電液控制系統(tǒng)用于控制這3 種機構(gòu)的動作，裝備的控制系統(tǒng)包含3 個機構(gòu)，起升機構(gòu)和回轉(zhuǎn)機構(gòu)由液壓馬達驅(qū)動，變幅機構(gòu)由液壓缸驅(qū)動。針對每個液壓馬達和液壓缸需要用PLC 進行調(diào)速控制。在裝備系統(tǒng)工作的同時，需要針對不同的復(fù)雜工作環(huán)境，對其工作穩(wěn)定性進行分析。

2 電液控制系統(tǒng)設(shè)計

2.1 液壓控制系統(tǒng)

試驗裝備控制系統(tǒng)主要用于對液壓缸和液壓馬達的驅(qū)動和控制。從而完成作業(yè)對象的提升、回轉(zhuǎn)和變幅的動作。根據(jù)系統(tǒng)的構(gòu)成，設(shè)計裝備的液壓系統(tǒng)圖。

如圖2所示，回轉(zhuǎn)馬達控制試驗裝備的左右回轉(zhuǎn)，卷揚機馬達控制作業(yè)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(gòu)和作業(yè)對象起升機構(gòu)中加入了限位開關(guān)。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(tǒng)。

圖2 試驗起重裝備液壓系統(tǒng)

圖3 起升回路

圖4 變幅回路

圖5 回轉(zhuǎn)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(jīng)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(jīng)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(gòu)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(jīng)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(jīng)過分流閥回油箱，變幅缸大腔的油液經(jīng)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(zhuǎn)機構(gòu)液壓原理圖。變量泵用來調(diào)節(jié)回轉(zhuǎn)馬達的轉(zhuǎn)速?；剞D(zhuǎn)液壓系統(tǒng)的壓力由溢流閥設(shè)定，溢流閥在系統(tǒng)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(zhuǎn)馬達A、B 口通斷的功能，實現(xiàn)轉(zhuǎn)臺的自由滑轉(zhuǎn)。

2.2 PLC 控制系統(tǒng)

設(shè)計的PLC 試驗裝備控制系統(tǒng)，輸入包括液壓缸伸縮、卷揚機升降開關(guān)信號、起重臂回轉(zhuǎn)開關(guān)信號、停止開關(guān)信號等信號;輸出包括前進、后退接觸器驅(qū)動信號、上升下降接觸器驅(qū)動信號、順時針逆時針回轉(zhuǎn)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(tǒng)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(tǒng)PLC 接線圖

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

主程序根據(jù)安全裝置的信號決定是否執(zhí)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(zhuǎn)子程序FC2、起升子程序FC3 和制動子程序FC4。PLC 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計的流程見圖7。

圖7 控制器主程序流程圖

3 試驗裝備穩(wěn)定性監(jiān)測分析

3.1 穩(wěn)定性校驗

試驗裝備的穩(wěn)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(wěn)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(fā)生安全事故。根據(jù)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(tài)無風的工作狀態(tài);工況2:有風，動載荷工作狀態(tài);工況3:暴風影響的非工作狀態(tài);工況4:料斗卸載下的工作狀態(tài)。

試驗裝備穩(wěn)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(wěn)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(wěn)定力矩和傾覆力矩。穩(wěn)定力矩是裝備自重和其基礎(chǔ)所產(chǎn)生MG;傾覆力矩包括起升載荷所產(chǎn)生的MQ、風載所產(chǎn)生的載荷MW及慣性載荷所產(chǎn)生的MH。式(1)也可表示為:

根據(jù)試驗裝備的結(jié)構(gòu)參數(shù)，計算各個力矩的大小，可以得出:

式中:Fi代表基礎(chǔ)力和傾覆力，li代表其力臂。

根據(jù)式(3)，結(jié)合各種工況的受力狀態(tài)，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(zhuǎn)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(jiān)測系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

試驗裝備穩(wěn)定系監(jiān)控系統(tǒng)為遠程監(jiān)控系統(tǒng)。傳感器采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)，然后通過數(shù)據(jù)采集卡信息通道傳送至上位機，由上位機對數(shù)據(jù)進行分析和處理，并實時顯示，試驗起重裝備監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 試驗裝備檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖

如圖8所示，控制系統(tǒng)主要包括裝備控制部分和傳感器監(jiān)測部分?？刂撇糠种饕蒔LC 控制，檢測部分包括傳感器、數(shù)據(jù)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(tài)，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(zhuǎn)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(jiān)測系統(tǒng)運行結(jié)果

監(jiān)測系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)在上位機上運行。根據(jù)裝備穩(wěn)定性計算公式和系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)圖，編寫穩(wěn)定性監(jiān)控程序，并且利用LabVIEW 軟件編寫可視化監(jiān)控界面。根據(jù)4 種工作狀態(tài)，分別仿真計算其載荷總量，軟件運行后，得到的結(jié)果如圖12、13所示。

圖12 試驗裝備穩(wěn)定性監(jiān)測界面

如圖12所示，試驗裝備監(jiān)控分為4 個模塊，分別仿真監(jiān)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(jù)系統(tǒng)給定和采集的各種載荷，計算該工況下的裝備系統(tǒng)穩(wěn)定性，如果載荷力矩之和小于零，系統(tǒng)將自動報警，指示燈由綠色變?yōu)榧t色，這時，為了安全起見，起重工作應(yīng)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(nèi)試驗裝備的穩(wěn)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(xiàn)傾覆的可能性最小，穩(wěn)定性較好。在其他3 種工況下，都有較大的機會出現(xiàn)不穩(wěn)定，而且工況2 和工況3 所出現(xiàn)的傾覆的可能性較大，在實際的工作環(huán)境中需要注意安全防護。

圖13 試驗裝備穩(wěn)定性工況

4 結(jié)論

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

(2)設(shè)計了試驗裝備的穩(wěn)定性監(jiān)控系統(tǒng)，探討了4 種工況下穩(wěn)定性分析方法;確定了以傳感器為輸入，數(shù)據(jù)采集卡為媒介，上位機為處理中心的監(jiān)控系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu);

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

［1］王偉，魏洪興，甄彧.基于變幅油缸油壓的汽車起重機防傾翻檢測方法［J］.機械工程學報，2012，48(2):159－164.

［2］ZI Bin，QIAN Sen，DING Huafeng，et al.Design and Analysis of Cooperative Cable Parallel Manipulators for Multiple Mobile cranes［J］.International Journal of Advanced Robotic Systems，2012，20(9):1－10.

［3］翁振粵.PLC 和旋轉(zhuǎn)編碼器在試驗裝備位置控制中的應(yīng)用［J］.機電工程技術(shù)，2013，48(3):157－159.

［4］周奇才，李文軍，周在磊，等.人字形組合臂架空間壓桿線性穩(wěn)定性分析［J］.中國機械工程，2013，24(24):3323－3328.

［5］DELGADO E，DIAZ-CACHO M，BUSTELO D，et al.Generic Approach to Stability Under time-varying Delay in Teleoperation:Application to the Position-error Control of a Gantry Crane［J］.Mechatronics，IEEE/ASME Transactions on，2013，18(5):1581－1591.

［6］ZHENG Minggang，ZHU Xiaohui.Design of Tower Crane Intelligent Monitoring Management System Based on PLC and WinCC［J］.Applied Mechanics and Materials，2012，185(7):1554－1557.

［7］呂廣明，邵國濤.起重裝備PID 控制的研究［J］.建筑機械化，2009(7).37－38.

［8］李向東，夏明睿，梁章.門式起重機柔性支腿穩(wěn)定性分析［J］.機械制造與自動化，2013，42(4):84－87.

［9］潘鳳鳴，林梅，馮永華.起重裝備工作狀態(tài)穩(wěn)定性判定及影響因素分析［J］.機械研究與應(yīng)用，2009，35(4):35－36.

［10］張質(zhì)文.起重機設(shè)計手冊［M］.北京:中國鐵道出版社，2013:105－130.