孫波,涂凌志,李義,劉光虎,范志勇,張良
(中聯(lián)恒通機(jī)械有限公司,長(zhǎng)沙 410131)
在CAP1400屏蔽主泵安裝小車頂升機(jī)構(gòu)應(yīng)用中,由于CAP1400屏蔽主泵安裝小車頂升機(jī)構(gòu)本身對(duì)于可靠性的特殊要求,多電動(dòng)機(jī)同步控制系統(tǒng)的可靠性是一個(gè)非常重要的問題。尤其是多頂升體在多臺(tái)伺服電動(dòng)機(jī)進(jìn)行同步頂升時(shí),必須保證頂升動(dòng)作的同步一致性要求,防止負(fù)載發(fā)生偏移甚至傾覆。
控制系統(tǒng)的可靠性是指系統(tǒng)在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時(shí)間內(nèi),完成規(guī)定功能的能力[1]??煽啃灾饕憩F(xiàn)在它的可使用性、可維護(hù)性、有效性和安全性等幾個(gè)方面??墒褂眯允侵赶到y(tǒng)在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時(shí)間內(nèi)使用的無(wú)故障性或使用壽命??删S護(hù)性是指系統(tǒng)在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時(shí)間內(nèi)按規(guī)定的方法或程序進(jìn)行維修后,保持或恢復(fù)到規(guī)定狀態(tài)的能力[1]。有效性是指系統(tǒng)在特定條件下能夠發(fā)揮出色功能的概率。安全性是指系統(tǒng)在能夠保證可靠地完成其規(guī)定功能的前提下能保證操作人員與維護(hù)人員的人身安全[1]。可靠性指標(biāo)通常用概率來(lái)定義,常用的指標(biāo)主要有可靠度、失效率、平均故障間隔時(shí)間、平均故障修復(fù)時(shí)間、平均壽命、利用率等。提高控制系統(tǒng)可靠性的措施主要有:1)提高元器件和設(shè)備的可靠性;2)提高控制系統(tǒng)的抗干擾能力;3)故障自診斷和容錯(cuò)技術(shù);4)采用分散化結(jié)構(gòu)。
CAP1400屏蔽主泵安裝小車頂升載荷電氣控制系統(tǒng)如圖1和圖2所示,主要由控制器、伺服驅(qū)動(dòng)器、伺服電動(dòng)機(jī)、旋轉(zhuǎn)變壓器(伺服電動(dòng)機(jī)自帶)、激光測(cè)距傳感器、測(cè)力螺栓、信號(hào)調(diào)理器、I/O模塊(就地)、手持操作器等組成。為實(shí)現(xiàn)通過對(duì)頂升受力、位置、運(yùn)行速度等的實(shí)時(shí)檢測(cè)來(lái)實(shí)現(xiàn)頂升機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)與負(fù)載平衡,其監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性及策略主要由以下幾點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)。
圖1 控制系統(tǒng)組成圖
圖2 屏蔽主泵安裝小車頂升機(jī)構(gòu)電氣控制系統(tǒng)布置圖
CAP1400屏蔽主泵安裝小車頂升機(jī)構(gòu)共分為4個(gè)獨(dú)立的頂升機(jī)構(gòu)單元,每個(gè)頂升機(jī)構(gòu)單元配備3個(gè)測(cè)力螺栓進(jìn)行受力檢測(cè),并將這3個(gè)測(cè)力螺栓信號(hào)就近接入1個(gè)信號(hào)調(diào)理器中,1個(gè)信號(hào)調(diào)理器能夠同時(shí)處理4路測(cè)力螺栓信號(hào)調(diào)節(jié)。全系統(tǒng)總共有12個(gè)測(cè)力螺栓與4個(gè)信號(hào)調(diào)理器。負(fù)載的質(zhì)量等于12個(gè)測(cè)力螺栓所測(cè)載荷之和。信號(hào)調(diào)理器的主要作用是在各測(cè)力螺栓不受力的情況下進(jìn)行零位調(diào)節(jié)與調(diào)滿標(biāo)定。另外還配備了I/O模塊將模擬量信號(hào)轉(zhuǎn)換為CAN總線信號(hào)以提高信號(hào)的傳輸距離及穩(wěn)定性與抗干擾能力,測(cè)力螺栓測(cè)力流程如圖3所示。
圖3 測(cè)力螺栓測(cè)力流程圖
在無(wú)負(fù)載時(shí)能自動(dòng)檢測(cè)與分析測(cè)力信號(hào),查看信號(hào)是否有擾動(dòng)與干擾,能夠通過信號(hào)調(diào)理器進(jìn)行調(diào)整,實(shí)現(xiàn)人工校正或通過控制器內(nèi)部程序計(jì)算自動(dòng)修改標(biāo)定測(cè)力螺栓零位偏移值,實(shí)現(xiàn)一鍵自動(dòng)校零,保證測(cè)力信號(hào)的正確、穩(wěn)定、可靠。即保證Yn=0(n=1,…,12)。當(dāng)擾動(dòng)值與干擾值出現(xiàn)嚴(yán)重失真時(shí)自動(dòng)屏蔽此信號(hào)值參與控制,并在操作界面中進(jìn)行報(bào)警指示,提示人員進(jìn)行檢修更換,以實(shí)現(xiàn)無(wú)負(fù)載情況下的故障自診斷和容錯(cuò)技術(shù)。
在承受負(fù)載初始狀態(tài)時(shí),控制系統(tǒng)能記住負(fù)載的初始值,并同時(shí)比較各測(cè)力螺栓的信號(hào),計(jì)算分析出負(fù)載的重心點(diǎn),提示與報(bào)警負(fù)載的擺放是否平衡,并警示某一單獨(dú)或多個(gè)頂升桿是否因負(fù)載不平衡出現(xiàn)承受負(fù)荷超出設(shè)置范圍等情況。實(shí)現(xiàn)靜態(tài)承載情況下的故障自診斷和容錯(cuò)技術(shù)。
在負(fù)載承重起升與下降的運(yùn)動(dòng)過程中,控制系統(tǒng)能實(shí)時(shí)監(jiān)視各測(cè)力螺栓的負(fù)載變化曲線,判斷負(fù)載在運(yùn)行過程中是否穩(wěn)定正常,各頂升動(dòng)作是否同步,并警示某一單獨(dú)或多個(gè)頂升桿是否因?yàn)檫\(yùn)動(dòng)受阻而出現(xiàn)承受負(fù)荷超出設(shè)置范圍等情況,以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)承載情況下的故障自診斷和容錯(cuò)技術(shù)。
在CAP1400屏蔽主泵安裝小車頂升機(jī)構(gòu)控制過程中,動(dòng)作機(jī)構(gòu)通過伺服驅(qū)動(dòng)器、伺服電動(dòng)機(jī)、旋轉(zhuǎn)變壓器一起對(duì)速度、位置、轉(zhuǎn)矩值進(jìn)行閉環(huán)控制與保護(hù),此過程是通過旋轉(zhuǎn)變壓器實(shí)時(shí)對(duì)伺服電動(dòng)機(jī)運(yùn)行信號(hào)以脈沖信號(hào)形式進(jìn)行測(cè)速與定位,先傳送給伺服驅(qū)動(dòng)器,再經(jīng)由伺服驅(qū)動(dòng)器處理后轉(zhuǎn)發(fā)至控制器。伺服驅(qū)動(dòng)器在收到旋轉(zhuǎn)變壓器的檢測(cè)信號(hào)的同時(shí),自身同時(shí)檢測(cè)伺服電動(dòng)機(jī)的電流及轉(zhuǎn)矩,使伺服驅(qū)動(dòng)器、伺服電動(dòng)機(jī)、旋轉(zhuǎn)變壓器之間形成完整的速度、位置、轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制。
在電氣主回路安全保護(hù)中,每個(gè)伺服電動(dòng)機(jī)回路都單獨(dú)配置了斷路器,以進(jìn)行短路、缺相、過流保護(hù);并且配置了單獨(dú)的接觸器,可以單獨(dú)對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)器電源進(jìn)行分合控制,在控制系統(tǒng)操作時(shí),如果需要單獨(dú)操作某個(gè)電動(dòng)機(jī),可以通過操作面板上的相應(yīng)電動(dòng)機(jī)使能開關(guān)進(jìn)行電源的分合。伺服驅(qū)動(dòng)器對(duì)于伺服電動(dòng)機(jī)有精確控制與保護(hù),比如電流、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、位置等。并將這些信息參數(shù)通過CAN總線傳輸給控制器進(jìn)行控制,通過手持操作器彩色液晶觸摸顯示屏進(jìn)行顯示。
CAP1400屏蔽主泵安裝小車每個(gè)頂升機(jī)構(gòu)各安裝一個(gè)激光測(cè)距傳感器。激光測(cè)距傳感器具有方向性強(qiáng)、亮度高、單色性好、響應(yīng)速度快、不受環(huán)境溫度影響、定位精度高、重復(fù)性好等特點(diǎn)。其控制流程如圖4所示,在本控制系統(tǒng)中激光測(cè)距傳感器主要起到以下作用:1)設(shè)置上下限位與極限。通過激光檢測(cè)裝置為每個(gè)頂升機(jī)構(gòu)設(shè)置上升限位、上升極限、下降限位與下降極限,防止頂升機(jī)構(gòu)過度上升或下降,防止損壞頂升機(jī)構(gòu)。2)顯示與校驗(yàn)頂升伸縮長(zhǎng)度。通過激光檢測(cè)裝置實(shí)時(shí)顯示各頂升的伸縮長(zhǎng)度,并與對(duì)應(yīng)的伺服驅(qū)動(dòng)器之間相互校驗(yàn)位置信息的準(zhǔn)確性,當(dāng)兩者之間的長(zhǎng)度數(shù)據(jù)比較值超出一定范圍時(shí)設(shè)備將報(bào)警、停機(jī)。3)顯示與校驗(yàn)頂升速度。通過激光檢測(cè)裝置實(shí)時(shí)對(duì)每個(gè)頂升機(jī)構(gòu)單位時(shí)間內(nèi)的位置變化計(jì)算出對(duì)應(yīng)頂升機(jī)構(gòu)的伸縮速度,并將此速度與伺服驅(qū)動(dòng)器的速度值進(jìn)行相互校驗(yàn),當(dāng)兩者之間的速度數(shù)據(jù)比較值超出一定范圍時(shí)設(shè)備將報(bào)警、停機(jī)。4)實(shí)現(xiàn)頂升同步。通過激光檢測(cè)裝置對(duì)各頂升機(jī)構(gòu)之間的位置進(jìn)行實(shí)時(shí)比較,保證各頂升機(jī)構(gòu)的伸縮同步,當(dāng)各頂升機(jī)構(gòu)之間比較值超出一定范圍時(shí)設(shè)備將報(bào)警、停機(jī)。
圖4 控制流程圖
當(dāng)激光檢測(cè)裝置與伺服位置檢測(cè)裝置中出現(xiàn)其中某一種長(zhǎng)度位置檢測(cè)失效的應(yīng)急情況時(shí)。可實(shí)現(xiàn)指定另一種正常的位置檢測(cè)方式為唯一位置控制方式進(jìn)行位置同步的控制,保證同步操作系統(tǒng)的連續(xù)可靠。
CAP1400屏蔽主泵安裝小車頂升機(jī)構(gòu)多電動(dòng)機(jī)同步控制系統(tǒng)采用CAN總線連接控制器、手持操作器及顯示屏、伺服驅(qū)動(dòng)器、測(cè)力螺栓(通過就地I/O模塊采集)、激光測(cè)距傳感器(通過就地I/O模塊采集)等。并在設(shè)備主體與控制柜、手持操作器之間采用插件聯(lián)接,實(shí)現(xiàn)快速連接與更換。CAN總線的優(yōu)點(diǎn):1)具有通信速率快、傳輸距離遠(yuǎn)、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、線間干擾小、抗干擾能力強(qiáng)、易實(shí)現(xiàn)、成本低、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)。2)采用雙線串行通信方式,可保證在系統(tǒng)有錯(cuò)誤時(shí)即使多節(jié)點(diǎn)同時(shí)向總線發(fā)送數(shù)據(jù),也不會(huì)導(dǎo)致總線短路造成數(shù)據(jù)丟失[4]。3)具有優(yōu)先權(quán)和仲裁功能。各節(jié)點(diǎn)根據(jù)總線訪問的優(yōu)先權(quán)采用逐位相互競(jìng)爭(zhēng)仲裁方式向總線發(fā)送數(shù)據(jù)。CAN協(xié)議摒棄了報(bào)文中含源地址與目標(biāo)地址的站地址編碼方式,而是采用標(biāo)識(shí)符表示功能信息與優(yōu)先級(jí)等的方式對(duì)通信數(shù)據(jù)塊進(jìn)行編碼。各節(jié)點(diǎn)依據(jù)報(bào)文ID來(lái)接收或屏蔽報(bào)文,實(shí)現(xiàn)不同節(jié)點(diǎn)同時(shí)接收同一數(shù)據(jù)或多個(gè)CAN控制器連接到同一總線,形成一個(gè)多主機(jī)的網(wǎng)絡(luò),實(shí)現(xiàn)多主工作方式。4)可靠的錯(cuò)誤處理和檢錯(cuò)機(jī)制。檢錯(cuò)能力強(qiáng),可實(shí)現(xiàn)在強(qiáng)噪聲環(huán)境下工作。當(dāng)發(fā)送信息損壞時(shí)將自動(dòng)重發(fā)。當(dāng)某一節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)嚴(yán)重錯(cuò)誤時(shí),該節(jié)點(diǎn)為不影響其他節(jié)點(diǎn)運(yùn)行將自動(dòng)關(guān)閉輸出并退出總線,從而保證不會(huì)因某一節(jié)點(diǎn)存在錯(cuò)誤而造成總線處于鎖死或癱瘓狀態(tài)。這些優(yōu)點(diǎn)能夠有效減少控制系統(tǒng)布線數(shù)量,方便控制設(shè)備的安裝與拆卸,實(shí)現(xiàn)了控制系統(tǒng)的分散化布置;同時(shí)CAN總線有效地增加了控制系統(tǒng)的抗干擾能力,并且通過CAN總線的診斷功能能夠智能判別各站點(diǎn)是否正常運(yùn)行,有效提升了系統(tǒng)通信的故障自診斷和容錯(cuò)技術(shù)。
CAP1400屏蔽主泵安裝小車頂升機(jī)構(gòu)多電動(dòng)機(jī)同步控制系統(tǒng)使用工程機(jī)械專用控制器作為控制器。工程機(jī)械專用控制器具有以下特點(diǎn):溫度范圍寬等級(jí)(-40~+70 ℃),可以工作在極端的溫度環(huán)境下;具有較高的防振性與較強(qiáng)的抗沖擊性;高防護(hù)等級(jí)(IP67),可直接工作在較臟、潮濕的環(huán)境中;具有較寬的電源輸入范圍,可承受由電瓶、發(fā)電機(jī)供電的電壓波動(dòng);能夠抵抗較高的導(dǎo)體和輻射干擾;非常長(zhǎng)的工作時(shí)間,能夠有效減少停機(jī)時(shí)間與維修費(fèi)用;標(biāo)準(zhǔn)配置CAN接口,能夠方便地通過CAN總線進(jìn)行設(shè)備組網(wǎng);編程語(yǔ)言與環(huán)境符合IEC61131-3國(guó)際標(biāo)準(zhǔn);這些特點(diǎn)有效提高了設(shè)備整體的可靠性、穩(wěn)定性、適用性與安全性。選用的就地CAN總線模擬量I/O模塊也具有以上特點(diǎn)。
控制器同時(shí)向各蝸桿頂升機(jī)構(gòu)伺服驅(qū)動(dòng)器發(fā)出方向與速度控制指令,并同時(shí)接收伺服驅(qū)動(dòng)器、激光檢測(cè)傳感器、測(cè)力螺栓檢測(cè)的各蝸桿頂升機(jī)構(gòu)的位置、速度及對(duì)應(yīng)測(cè)力螺栓的載荷信號(hào),檢測(cè)并計(jì)算判斷各蝸桿頂升機(jī)構(gòu)是否同步運(yùn)行。當(dāng)各蝸桿頂升機(jī)構(gòu)出現(xiàn)位置與受力偏差時(shí),將通過調(diào)整相應(yīng)蝸桿的運(yùn)行速度實(shí)現(xiàn)各蝸桿之間的位置、速度及載荷平衡。如果出現(xiàn)各蝸桿之間在一段調(diào)節(jié)時(shí)間內(nèi)無(wú)法實(shí)現(xiàn)平衡或不平衡趨勢(shì)更加惡化時(shí),設(shè)備將自動(dòng)停止運(yùn)行,并進(jìn)行故障報(bào)警,請(qǐng)求人工干預(yù),進(jìn)行檢查確認(rèn)。
CAP1400屏蔽主泵安裝小車頂升機(jī)構(gòu)多電動(dòng)機(jī)同步控制系統(tǒng)采用帶彩色液晶觸摸顯示屏的手持操作器作為操作與顯示終端,以提高人機(jī)界面的友好性。手持操作器采用高防護(hù)、寬溫域、寬電壓的高可靠型號(hào),其手持操作器布局如圖5所示。
圖5 手持操作器布局圖
液晶顯示屏上能夠?qū)崟r(shí)顯示系統(tǒng)中各頂升機(jī)構(gòu)的伸縮位置信息(激光),各頂升機(jī)構(gòu)的伸縮速度信息(激光),各頂升機(jī)構(gòu)的伸縮位置信息(伺服、可標(biāo)零),各伺服電動(dòng)機(jī)的電流、速度信息,各伺服驅(qū)動(dòng)器的上電、運(yùn)行、故障信息,測(cè)力螺栓的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息,操作信息、運(yùn)行信息及異常狀況的報(bào)警信息、故障信息等。
對(duì)于操作模式,分別設(shè)置了“單獨(dú)”操作與“同步”操作模式。在“單獨(dú)”操作模式下,手持操作器上分別為每個(gè)頂升單元配備了使能按鈕與上下操作按鈕,以方便分別手動(dòng)調(diào)節(jié)與測(cè)試各頂升機(jī)構(gòu)。在“同步”操作模式下,在手持操作器上先選擇需要同步的頂升單元使能按鈕,再選擇同步使能按鈕與同步上下操作按鈕,以實(shí)現(xiàn)設(shè)備工藝所需各頂升機(jī)構(gòu)之間的同步運(yùn)行。要使高差保護(hù)信息作用,必須按下位置標(biāo)零開關(guān)。當(dāng)出現(xiàn)緊急危險(xiǎn)情況時(shí),操作人員可以直接按下手持式操作盒上的急停按鈕,通過手持式操作盒、控制器及伺服驅(qū)動(dòng)器之間的CAN總線通信,各伺服電動(dòng)機(jī)將立刻停止工作。另外還有遙控器電源開關(guān)、聲光報(bào)警關(guān)閉開關(guān)、一鍵自動(dòng)校零開關(guān)等。
CAP1400屏蔽主泵安裝小車頂升機(jī)構(gòu)多電動(dòng)機(jī)同步控制系統(tǒng)采用服務(wù)器進(jìn)行技術(shù)支持與數(shù)據(jù)儲(chǔ)存。控制器與服務(wù)器通信內(nèi)容如圖6所示,控制器具備RS232及CAN等通信接口能力,考慮到現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的復(fù)雜性,采用CAN總線作為數(shù)據(jù)通信接口,通過CAN總線通信接口與服務(wù)器建立通信,可實(shí)現(xiàn)與服務(wù)器中的專家數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換,能有效地為每臺(tái)CAP1400屏蔽主泵安裝小車頂升機(jī)構(gòu)多電動(dòng)機(jī)同步控制系統(tǒng)建立完整的實(shí)時(shí)、歷史數(shù)據(jù)庫(kù)信息。在每次負(fù)載運(yùn)行時(shí),通過與數(shù)據(jù)庫(kù)中的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,針對(duì)各種平衡與不平衡負(fù)載,能在線建議操作人員采用合理的優(yōu)化運(yùn)行方案,建議設(shè)備采用合理的運(yùn)行速度曲線進(jìn)行運(yùn)行。實(shí)時(shí)、歷史數(shù)據(jù)庫(kù)信息還能將控制器傳輸給服務(wù)器的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息如控制器、伺服驅(qū)動(dòng)器、I/O模塊、CAN通信接口等各設(shè)備數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè),通過對(duì)比歷史數(shù)據(jù),提前判別各設(shè)備可能出現(xiàn)的故障,防止CAP1400屏蔽主泵安裝小車頂升機(jī)構(gòu)在使用過程中突然出現(xiàn)設(shè)備安全事故。同時(shí)對(duì)于各設(shè)備的所有檢測(cè)、運(yùn)行與故障數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)歸檔與備份。一臺(tái)服務(wù)器可實(shí)現(xiàn)同時(shí)或分時(shí)與多臺(tái)CAP1400屏蔽主泵安裝小車設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換,分別為每臺(tái)CAP1400屏蔽主泵安裝小車設(shè)備建立完整的數(shù)據(jù)信息。
針對(duì)CAP1400屏蔽主泵安裝小車頂升機(jī)構(gòu)多電動(dòng)機(jī)同步控制系統(tǒng),本文提出了以工程專用控制器為核心的現(xiàn)場(chǎng)CAN總線控制系統(tǒng),以CAN現(xiàn)場(chǎng)總線實(shí)現(xiàn)在控制器、顯示器、伺服、測(cè)力螺栓及激光測(cè)距傳感器之間的通信。在檢測(cè)數(shù)據(jù)上實(shí)現(xiàn)了伺服閉環(huán)檢測(cè)與激光傳感器檢測(cè)相互校驗(yàn),測(cè)力螺栓載荷檢測(cè)與位置、速度、轉(zhuǎn)矩檢測(cè)互為補(bǔ)充。這種方法實(shí)現(xiàn)同步的特點(diǎn)是:利用了靜態(tài)與動(dòng)態(tài)載荷的全過程監(jiān)測(cè),數(shù)字伺服的位置精度高、全閉環(huán)控制,激光測(cè)距傳感器高檢測(cè)精度檢測(cè),CAN總線可靠性高、傳輸時(shí)間短、抗干擾能力強(qiáng),工程控制器的高可靠性控制,人機(jī)界面友好顯示,服務(wù)器數(shù)據(jù)功能強(qiáng)大等優(yōu)點(diǎn)。此方案不僅克服了傳統(tǒng)控制方案中各種機(jī)械、電氣元件的缺點(diǎn)與相互之間的干擾,而且還具有系統(tǒng)可靠性高、同步性能好、各伺服單元不互相干擾、控制精度高、維護(hù)方便、操作智能、界面友好等優(yōu)點(diǎn)。
圖6 控制器與服務(wù)器通信內(nèi)容