基于PLC的水下切割装置速度控制系统研制.pdf

2 0 1 4年 1 1 月 第 4 2卷 第 2 2期 机床与液压 MACHI NE T 00L ＆ HYDRAULI CS NO V ． 2 0 1 4 V0 1 ． 4 2 No ． 2 2 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 4 ． 2 2 ． 0 3 5 基于 P L C的水下切割装置速度控制系统研制 惠胜利 ，陶杰 ，王儒 ，邢毅川 ，牟宪民 1 ． 海洋石油工程股份有限公司，天津 3 0 0 4 6 2 ； 2 ．大连理工大学，辽宁大连 1 1 6 0 2 4 摘要水下切割装置在进行切割作业时，在水面不能直接获知其运行状态。原有系统用液压马达的流量对水下切割装 置的运行速度进行估计，误差较大，响应速度慢。为解决速度检测精度等问题，对原有系统进行改造，采用深水码盘实现 切割速度检测，使用比例流量阀调整液压马达流量 ， 实现转速的实时精确控制。基于可编程逻辑控制器实现了水下切割装 置的速度控制。 关键词水下切割；液压系统；速度控制；可编程逻辑控制器 中图分类号 T H1 3 7 ． 9 文献标识码B 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 4 2 21 0 9 4 De s i g n o f Sp e e d Co nt r o l Sy s t e m o f Cut t i n g Equ i pme nt u nd e r W a t e r HU I S h e n g l i ‘ ，T AO J i e ，WANG Ru ，XI NG Yi c h u a n ，MU Xi a n mi n 1 ． O f f s h o r e O i l E n g i n e e r i n g C o ． ，L t d ． ， T i a n j i n 3 0 0 4 6 2 ，C h i n a ； ． 2 ． D a l i a n Un i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y 。Da l i a n L i a o n i n g 1 1 6 0 2 4，C h i n a Ab s t r a c t Th e w o r k i n g s t a t i o n c a n n o t b e o b t a i n e d d i r e c t l y w h i l e t h e c u t t i n g e q u i p me n t o p e r a t e s u n d e r wa t e r ．I n o rig i n a l o p e r a - t o r ，t h e s p e e d o f c u t t i n g o p e r a t i o n s w a s e s t i ma t e d b y t h e fl o w q u a n t i t y o f h y d r a u l i c mo t o r ．Ob v i o u s l y i t h a s a h i g h d i s t o r t i o n a n d l o w r e - s p o n s e s p e e d ．T o i mp r o v e t h e p r e c i s i o n o f s p e e d d e t e c t i o n，a d e e p wa t e r e n c o d e r ，w h i c h W as u s e d t O d e t e c t t h e s p e e d，a n d a p mp o r - t i o n a l fl o w v a l v e ， w h i c h w a s u s e d t o a d j u s t t h e t r a f fi c s p e e d o f h y d r a u l i c m o t o r ，w e r e e m p l o y e d t o a c h i e v e r e a l - t i m e a n d a c c u r a t e c o n - t r o l o f s p e e d ．T h e c o n t r o l s t r a t e g y p r o p o s e d wa s r e a l i z e d b y u s i n g a p r o g r a mma b l e l o g i c c o n t r o l l e r ． Ke y wo r d sC u t t i n g u n d e r w a t e r ；Hy d r a u l i c s y s t e m ；S p e e d c o n t r o l ；P L C 作为海洋工程技术 的重要组成部分 ，水下切 割技 术 已经 成为海洋 资源 开发不可缺少的支撑技术 。水下 切割设备的驱动多采用液压传动技术。相对于机械传 动、电气传动以及气压传动 ，液压传动技术具有力矩 大 、传动平稳和自动润滑等优点⋯，被广泛应用于水 下切割装 置的驱动。 现有的水下切割装置不具有速度指示和速度控制 功能，运行时操作人员根据经验调整液压系统的流量 来控制液压马达的转速。由于液压系统内泄漏和外泄 漏的存在，很多工况下，特别是液压马达负载变化较 大时，使用流量来估计液压马达转速会产生较大的误 差 ，而且控制 的实时性也不能保证 。为此实现液压马 达转速和水下切割装置速度的自动控制十分必要。 水下检测是一项复杂的系统工程，复杂的工作环 境及较高的精度要求使一些常用的检测方法难于实 施。特别是深水检测，其压力大、传输距离远和能见 度低等恶劣条件 ，大大增加了水下切割装置的控制难 度 。文中设计的方案采用 P L C远程监测液压马达 转速，折算成水下切割装置的运行速度 ，利用流量调 节阀调整液压马达的流量 ，使用 P I D控制器控制切割 装置的运行速度 。该系统可 以完成 切割速 度的设定 以 及 自动控制 ，达到精确切割的目的。 1 系统概况 水下切割装置 的液压控制 系统 的原理框 图如 图 1 所示。系统为定压系统，采用阀控液压马达方式运 行 ，主要 由油泵 、液压 阀、压力表 、节 流阀 、换 向阀 和液压马达构成。液压泵向液压马达提供动力，压力 表显示压力，流量计显示液体流量，经由节流阀的液 体驱动液压马达转动，再通过减速机构驱动切割装 置。其中手动换向阀用来改变液压马达的旋转方向， 实现切 割装置 正向和反 向运行 。 图 1 原有手动液压系统控制回路原理图 收稿 日期 2 0 1 31 1 0 5 作者简介惠胜利 1 9 8 1 一 ，男 ，硕士，工程师，研究方向为海洋工程。Em a i l h u i s l m a i l ． c o o e c ． t o m ． c a 。 1 1 0 机床与液压 第 4 2卷 系统在运 行 时 ，操作 人 员观 察 流量 计 的指示 流 量 ，通 过调节 节流 阀 的开度 ，调 节 系统 中流量 的大 小 ，来 控制液 压 马达 的转速 ，实现 对切 割速 度 的控 制。给出了液体流量和切割装置运行速度的对应关 系，如表 1 所示，用于手动控制时估算切割装置的运 行速度 。 表 l 流速及运行速度对应表 从表 1 可以看出给出的液体流速和对应的切割 速度基本满足线性关系，但仅给出了少数几个工作 点 。操作人员一边观察流量 ，一边调节 流量 ，不能实 现切割速度的精确控制。另外，由于液压控制系统中 存在内部泄漏和外部泄漏，随着切割过程中液压马达 负载 的变化 ，泄漏量也不同 ，用 流量估计切割装置 的 运行速度产生的误差较大 。 2 改造方案 为实现切割速度的精确控制，需要采用速度传感 制器控制液压马达的转速，实现切割速度的自动控制。 速度设 图 2 切割速度 自动控制回路原理框图 2 ． 1速度检 测 方 法 水下切 割速度检测可 以采用多种方案实现 。针对 水下切割装置的工作情况，考虑采用水下码盘检测液 压马达的转速，通过折算，得到切割装置的实际运行 速度。由于驱动切割装置的液压马达输出齿轮和切割 行走机构采用齿轮链条连接，能够保证折算的精度。 液压 马达转动 时 ，带动码盘的转动部分旋 转 ，码 盘的转动圆盘刻有亮暗条纹，利用光电转换原理将转 动速度转换成 3组方波脉冲，分别为 A、B和 z相。 其中 A、B两组脉冲相位差 9 0 。 ，可以判断旋转方向； z相每转输出一个脉冲，用于基准定位。 将码盘与液压马达轴通过联轴器连接，通过检测 码盘的输出信号，计算马达转速。码盘构造简单 ，抗 干扰能力强，可靠性高，适合于长距离传输。实际使 用时直接选用满足密封、压力等要求的深水码盘，安 装简便 。 2 ． 2液压 回路 改造方 法 为实现 自动控制功能并保留原有手动控制功能， 在原有的液压 回路上增加一个液压回路，如图 3所 示 。增加 的液压 回路 通过 手动 闸 阀与原 液压 回路 相 接 ，切割装置 的速度及运行方向控制通 过电动 阀来完 成。自动控制回路中，流量传感器将流量信号转换为 脉冲信号，码盘将速度信号转换为脉冲信号 ，连接至 器实时检测切割速度， 和设定速度进行比较，利用控P L C，进行 P I D控制。 泵 站 动 力 源 部 分 原 液 压 回 路 土 驱 动 部 分 ． 表 啃 瓣 阔 流 量 计一 一 I J谰 f 冈 一 暖 T 一 Q一 广 码盘 上 ． r l b 、 ．． ． 油 [ V J L 两 日 f -i 液压 马达 减 压 阀 增 加液 压回 路 流量控制 I 速 ， 度 1 检 ◇ 、 l 流 量 计 ● I 测 阀 I f ] 南 哇 l ～ 出 ．． I I 一 L ‰r l ‘ ’ r l ⋯ 。 I、 图 3 增加 自动控制功能的液压控制回路原理图 第 2 2期 惠胜利 等基于 P L C的水下切割装置速度控制系统研制 1 1 1 3 P L C控制系统设计 P L C控制器需要监测码盘输 出的脉冲信号 ，折 算 成切 割速度 ，经过 P I D控制 计算 ，输 出模 拟 量 电 压控制 电磁流量 阀开度 ，调 整液 压 马达 流量 ，改 变 切割装置运行速度 ，满足给定的要求 。根据系统需 求，采用西门子 7 - 2 0 0系列 P L C 。选用 7 - 2 2 6型号 C P U作为核心控制器 ，2 2 6型 C P U内部包含高速计 数器 ，可以实现 和码盘 的直接接 口，内部还包 含 P I D模块，易于实现 P I D控制功能。选用模拟量输 出模块 E M2 1 3作为流量阀的驱动，选用 T P 1 1 7型号 H MI 接 口实现系统的状态实 时显示。系统总体框 图 如 图 4所示 。 按键输入 鼍 指示 灯 方 向阀 流量 调节 阀 图 4 P L C控制 系统框 图 其中系统可以接受特定功能按键输入 ，实现起停 等功能 ，并通过 指示灯 指示 当前工作状态 。按键和码 盘信号接至 C P U 2 2 6的数字量输入 D I 端，指示灯 和方 向阀接至 C P U 2 2 6的数字 量 输 出 D O 端 ，模 拟量输出 A O端接至流量调节阀。 3 ． 1 速 度监 测 高速计数器指令格式见表 2 。 表2 高速计数器指令格式 HDE F HS C EN ENo ● - _ 一- _ ， _ _ 一 EN ENo 梯形图 HS C N M o DE 语句表H D E F HS C； MO D E 功能说明 高速计数器定义指令 H D E F H S C 高速计数器的编号， 为常量 0 5 操作数 州 数据类 型 字节 HS C N 高速计数器使用指令 H S C N 高速计数器编号 ， 为常量 0～ 5 数据类型 字 E 出 NO 错 条 0 件 S M4． 。。 。 4 j ． 行 HS 时 C ／ P L S同 0 0 时 0 1 H S C在 H D E F之 根据系统的要求 ，选定高速计数器工作在模 式 9 。两路脉冲输入 A相和 B相正交计数，当 A相时钟 脉冲超前 B相时钟时进行增计数，而 A相时钟脉冲 滞后 B相时钟时进行减计数。根据单位 时间内的计 数值容易计算出液压马达的转速，最后折算成切割装 置的运行速度 。 3 ． 2 P I D控制 器 HD指令由助记符或操作码 P I D、使能输入端 E N 语句表由前一条指令使能 、P I D运算的回路表 T B L 和 P I D指令的回路号 L O O P构成。P I D指令必须在定 时发生的中断程序中使用 ，当指令使用时，HD指令 根据回路表中断数据进行 P I D运算 ，并得到输出控制 量。P I D回路指令的基本格式见表 3 。 进行 P I D运算的前提条件是逻辑堆栈栈顶 T O S 值必须为 1 ；在程序中最多可以用 8条 P I D指令 ， P I D回路指令不可重复使用同一回路号 即，使这些 指令的回路表不同 ，否则会产生不可预料的结果。 表 3 HD回路指令的基本格式 梯形图 语句表 功能说 明 操作数 P I D TBL， LOOP P I D计算 T B L V B B Y T E型 L O O P 常数 O～7 P I D回路表中包含 9个参数，全部为 3 2位的实 数，共占3 6个字节，用来控制和监视 P I D运算。P I D 指令 回路表格式见表 4 川。进行 P I D运算 ，HD指令 须编人定时中断程序中，由定时器控制 P I D指令的执 行频率。 O 0 D 6 D 2 0 P 【 C I I D D 1 1 2 机床与液压 第 4 2卷 表4 P I D指令回路表格式 3 ． 3人 机接 口 HMI 采用西门子触摸屏 T P 1 7 0 A作为显示器 ，显示部 分由4 个画面组成欢迎画面、参数设置画面、控制 按钮及状态显示画面和运行监视画面。其中，欢迎页 面是系统的迎接页面。参数设置页面完成的主要功能 是P I D参数以及切割装置参数的设定 包括 P I D的 增益、采样时间、积分时间以及微分时间；切割速度 上限、速度下限、速度变比、以及齿数齿距等 。程 序可对切割装置的多种参数进行设置 ，当更换切割装 置时，只需要在人机界面中进行参数更改即可，不必 对控制程序进行改动，具有较强的适应能力。按钮及 状态显示页面完成的主要 功能是完成对切割状态设计 以及显示 如 切割装置的运行、停止；自动控制 和手动控制的切换；正转及反转的控制 。运行监视 页面完成 的主要功能是 设 定切割 装置 的运行速 度 ， 被切割物体的半径及厚度；显示切割状态，如切割 速度 、切割时间以及切割长度 。所设计的人机界面画 面框图如图5 所示。 图 5 HM I 画面框图 3 ． 4部分程序流程 自动控制程序完成的主要功能为 从人机界面中 读取切割速度的设定值 ，被切件的半径以及厚度。开 启定时器、计数器并开中断 ，中断连接为自动控制中 断程序 每一个采样周期，初始为 1 0 0 m s ，产生一 次定时中断，中断程序中执行 P I D控制语句；进行运 行速度、运行距离、运行时间的计算 ，并将 P I D运算 结果经过转换后送入模拟输出口，输出 0～ 2 0 m A电 流驱动液压马达 。程序流程图如图6 所示 。 I 从人机界面中 读取数据 l J 括设定速度以及切 I l 钢体的参数 l l 进行数据处理 I ● I 开启计对器并开中断l 调用 自动控制中断子程序 l r＼ ‘ a 自动控制程 序流程图 b 定时 中断程 序流程 图 图6 控制程序流程图 4结 论 为解决水下切割装置在水下运行时，运行速度估 计误差较大的问题，采用 P L C作为主控制器，水下 码盘作为速度传感器 ，采用比例流量阀实现液压马达 的转速控制，实现了水下切割装置速度控制功能。解 决了在实际使用过程中，用流量估计切割速度误差较 大 的问题 。 参考文献 [ 1 ]刘敏， 赵方 ， 王慧， 等． 液压传动技术在工程机械行走驱 动技术 中的应用与发展 [ J ] ． 机械设计 与制造， 2 0 0 6 6 3 1 3 3 ． [ 2 ]彭学伦． 水下机器人的研究现状与发展趋势[ J ] ． 机器 人技术与应用， 2 0 0 4 4 4 3 4 7 ． [ 3 ]吴元道． 工程机械静液压传动装置[ J ] ． 液压气动与密 封， 2 0 0 2 4 4 6 4 8 ． [ 4 ]刘凤春， 王林， 周晓丹． 可编程控制器原理与应用基础 [ M] ． 北京 机械工业出版社， 2 0 0 9 ． [ 5 ] 吕品． P L C 和触摸屏组合控制系统的应用[ J ] ． 自动化仪 表， 2 0 1 0 ， 3 1 8 4 5 5 1 ． [ 6 ]蒋文斌 ， 刘寿康， 邹柏华． 基于 MA T L A B ／ S i m u l i n k的液 压马达低 速稳定性仿 真研究 [ J ] ． 矿冶工 程， 2 0 0 8 ， 2 8 1 9 4 9 6 ．