基于PLC 的平板運(yùn)輸車模塊化控制系統(tǒng)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(yùn)輸車已經(jīng)被廣泛用于船廠船體以及海洋工程大件搬運(yùn)的作業(yè)中，主要由機(jī)械結(jié)構(gòu)、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(yùn)輸車在機(jī)械結(jié)構(gòu)和液壓動力方面會有很大差別，這使得電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計變得異常復(fù)雜和繁瑣，并極大的降低了工作效率[1]。

從平板運(yùn)輸車電氣控制模塊化設(shè)計出發(fā)，充分利用PLC 控制器的端口性能以及CAN 現(xiàn)場總線控制技術(shù)，改變電氣控制設(shè)計繁雜的狀況。

1 模塊化控制結(jié)構(gòu)組成

平板運(yùn)輸車的電氣控制主要包括操作控制、柴油機(jī)控制、驅(qū)動行走、液壓轉(zhuǎn)向、平臺升降和燈光控制等功能單元，還包括車輛狀態(tài)顯示和故障診斷以及緊急情況的處理[2]。電氣控制系統(tǒng)以控制器PLC 為基礎(chǔ)，融入分散控制和集中操作管理的設(shè)計理念，結(jié)合人機(jī)交互界面，構(gòu)成模塊化分布式DCS 控制系統(tǒng)，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性[3]?？刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)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(jī)界面等兩部分，軟硬件結(jié)合使用，提高操控效率及舒適性。

圖1 模塊化控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

車輛操作主要是輸入控制，是電氣控制系統(tǒng)的指令發(fā)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(shù)據(jù)集中采集處理，便于現(xiàn)場安裝維護(hù)使用。各個操作單元均依靠控制PLC 實時監(jiān)控狀態(tài)，比如功能鍵盤，做集成化設(shè)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(tǒng)的按鈕。

人機(jī)交互界面用于顯示車輛的實時狀態(tài)，存儲控制系統(tǒng)故障診斷信息，以及必要的參數(shù)設(shè)置和傳感器標(biāo)定等，選用7 英寸彩色液晶顯示屏，對車輛各種數(shù)據(jù)進(jìn)行分類匯總，以人性化界面呈現(xiàn)出來，高效完成車輛信息的可視化服務(wù)。

1.2 柴油機(jī)及行走控制

平板運(yùn)輸車的行走控制一般采用電液閉式控制，柴油機(jī)帶閉式驅(qū)動泵，產(chǎn)生高壓油到液壓馬達(dá)，進(jìn)而帶動輪胎轉(zhuǎn)動，達(dá)到前進(jìn)、后退以及行走的目的?？刂瓶驁D如圖2 所示。

圖2 行走控制流程框圖

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

行走系統(tǒng)配置的閉式液壓泵，可通過電氣改變排量，實現(xiàn)車輛調(diào)速和行走換向。液壓馬達(dá)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(zhuǎn)向控制

平板運(yùn)輸車大多數(shù)采用獨立懸掛轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)，便于設(shè)計多種轉(zhuǎn)向模式，比如：八字轉(zhuǎn)向、斜行、前后半八字和原地轉(zhuǎn)向等。各個轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)均配置比例換向閥，用于輪組左右轉(zhuǎn)動以及調(diào)速，最終執(zhí)行部分由雙作用油缸推動連桿機(jī)構(gòu)完成。

電氣系統(tǒng)除控制轉(zhuǎn)向比例閥外，還配置轉(zhuǎn)向角度傳感器，連接到轉(zhuǎn)向控制PLC，形成轉(zhuǎn)向閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)。對于多輪組轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，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(quán)節(jié)點和轉(zhuǎn)向模式選擇等，進(jìn)行綜合運(yùn)算，分別給予每個輪組不同的轉(zhuǎn)向信號，使得所有輪組協(xié)同轉(zhuǎn)向，保證車輛行走過程中不干涉。

1.4 平臺起升控制

平板運(yùn)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(jù)現(xiàn)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(zhuǎn)運(yùn)效率，同時也為生產(chǎn)過程節(jié)約了吊裝費(fèi)用。

平臺升降系統(tǒng)有三點支撐和四點支撐兩種使用模式，平板運(yùn)輸車可通過某些球閥進(jìn)行自由切換，但現(xiàn)場使用最多的還是四點支撐模塊，由于其穩(wěn)定性更好，所以更容易被現(xiàn)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(xiàn)場工件形狀各異，時常會出現(xiàn)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(tǒng)將燈光控制納入到模塊化設(shè)計的范疇，總體來講不再區(qū)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(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)控制

研究涉及到的現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)主要是CAN 總線通信網(wǎng)絡(luò)，它是一種有效支持分布式控制或?qū)崟r控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)。CAN網(wǎng)絡(luò)能夠保證現(xiàn)場數(shù)據(jù)通信的可靠性，為分布式控制系統(tǒng)實現(xiàn)各節(jié)點之間實時、可靠的數(shù)據(jù)通信提供強(qiáng)有力的技術(shù)支持[4-5]。

平板運(yùn)輸車模塊化設(shè)計選用的控制器PLC，均有CAN 總線通信接口，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)總體分兩層，主網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)PLC 之間的通信，次網(wǎng)絡(luò)處理總線型傳感器的信號。

2.2 機(jī)電液協(xié)同控制

平板運(yùn)輸車是集成化很高的一種機(jī)電液一體化設(shè)備，為使運(yùn)輸車穩(wěn)定運(yùn)行，需統(tǒng)一協(xié)調(diào)機(jī)械、液壓和電氣三部分的接口關(guān)系。設(shè)計研究的模塊化控制系統(tǒng)，融入機(jī)電液協(xié)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(xié)同控制平衡點以及更優(yōu)的控制策略。

3 控制系統(tǒng)工程應(yīng)用

電氣模塊化控制系統(tǒng)已成功安裝于多臺大型運(yùn)輸車上，廣泛應(yīng)用于廠內(nèi)大件運(yùn)輸?shù)默F(xiàn)場。例如：青島海工的370 型平板運(yùn)輸車的模塊化控制系統(tǒng)，自投入使用以來，電氣系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，現(xiàn)場反饋良好，大大降低車輛故障率，提高可維護(hù)性。通過故障診斷系統(tǒng)可實時監(jiān)控車輛的狀態(tài)，起到故障預(yù)警和協(xié)助故障排查等作用，獲得使用者的一致好評。

4 結(jié)語

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