基于S7-300的三峽升船機液壓實訓(xùn)平臺雙油缸同步控制系統(tǒng)設(shè)計

游 強 王婷婷 韓 偉

（長江三峽通航管理局，湖北宜昌443000）

0 引言

三峽升船機液壓設(shè)備繁多、種類復(fù)雜，許多執(zhí)行機構(gòu)采用雙油缸或多油缸同步控制驅(qū)動方式，如船廂門系統(tǒng)、間隙密封框系統(tǒng)、閘首臥倒門驅(qū)動系統(tǒng)、閘首工作大門驅(qū)動系統(tǒng)、活動公路橋驅(qū)動系統(tǒng)，對控制系統(tǒng)的精度和同步性具有很高的要求。由于現(xiàn)場空間狹小、液壓設(shè)備繁多、管路復(fù)雜和安全等原因，導(dǎo)致：（1）新進員工在三峽升船機液壓設(shè)備實際操作培訓(xùn)上受限；（2）液壓元器件在現(xiàn)場整定、維修受限。基于上述原因，需研制一套三峽升船機液壓實訓(xùn)平臺，能夠模擬三峽升船機典型液壓回路，具備同步調(diào)速控制，系統(tǒng)溢流閥、壓力繼電器壓力整定，典型回路調(diào)試及典型閥件拆裝培訓(xùn)等功能。

本文設(shè)計了一種基于S7-300的三峽升船機液壓實訓(xùn)平臺，液壓回路元器件參照三峽升船機典型液壓回路，采用S7-300 PLC對系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)采集和控制的閉環(huán)控制模式，提出了液壓實訓(xùn)平臺控制策略、偏差補償與校正技術(shù)、參數(shù)設(shè)置方法，實現(xiàn)了雙油缸驅(qū)動負載的同步性。實驗表明，該系統(tǒng)控制方便，精度高并且同步性好。

1 系統(tǒng)硬件組成

1.1 液壓系統(tǒng)組成

三峽升船機液壓實訓(xùn)平臺液壓系統(tǒng)簡化原理圖如圖1所示，液壓系統(tǒng)主要由比例變量柱塞泵、變量泵、電磁溢流閥、比例換向閥、同步油缸、施壓油缸、蓄能器組成，主要功能如下：

（1）當(dāng)比例變量柱塞泵工作時，施壓油缸加載，蓄能器保壓，充當(dāng)負載，使得同步驅(qū)動油缸A和同步驅(qū)動油缸B在伸出時帶載，可模擬三峽升船機實際運行工況。

（2）當(dāng)變量泵工作時，可進行壓力繼電器的壓力整定以及壓力傳感器的校核。

以模擬實際運行工況為例，工作流程如下：

（1）比例變量泵工作，電磁閥電磁鐵YV2、YV7得電，施壓油缸及蓄能器沖壓。

圖1 三峽升船機液壓實訓(xùn)平臺液壓系統(tǒng)原理圖

（2）YV1、YV4、YV6得電，在施壓油缸加載的情況下，同步驅(qū)動油缸A、B伸出，比例換向閥YV6的開度根據(jù)同步油缸A、B的油缸行程偏差進行變化，達到糾偏的目的。

（3）YV1、YV3、YV5得電，在施壓油缸加載的情況下，同步驅(qū)動油缸A、B縮回，比例換向閥YV5的開度根據(jù)同步油缸A、B的油缸行程偏差進行變化，達到糾偏的目的。

（4）YV8得電，施壓油缸泄壓。

1.2 電氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

三峽升船機液壓實訓(xùn)平臺電氣系統(tǒng)由一套S7-300控制系統(tǒng)、一塊TP1200觸摸屏、3塊比例放大板（其中2塊比例放大板集成在比例換向閥中）、3套油缸絕對值行程編碼器、壓力傳感器及壓力繼電器等元器件組成，電氣控制系統(tǒng)簡圖如圖2所示。

S7-300和TP1200組成DP網(wǎng)絡(luò)，PLC為主站，TP1200為從站。S7-300 PLC接收外部的信號，包括濾油器的狀態(tài)，壓力傳感器及壓力繼電器送回的壓力值及超失壓狀態(tài)，3套絕對值油缸行程編碼器采集的兩個同步油缸及一個施壓油缸的行程值等；同時通過DP網(wǎng)絡(luò)接收TP1200觸摸屏發(fā)送過來的指令，包括操作模式切換、油泵電機啟停、泵的比例斜盤、電磁閥的得電與失電、壓力繼電器的整定值、比例換向閥的開度等來實現(xiàn)相應(yīng)功能。

圖2 電氣控制系統(tǒng)簡圖

2 軟件界面

如圖3、圖4所示，人機交互界面具有以下幾種功能：

（1）操作模式的切換。分為自動操作模式和手動操作方式。

（2）同步伸出。在自動操作模式下，設(shè)置1個正的開度值，然后進行同步油缸伸出動作，控制油缸行程同步偏差不超過2 mm，偏差超過2 mm時，系統(tǒng)會停機保護。停機后在手動操作模式下調(diào)整。

（3）同步縮回。在自動操作模式下，設(shè)置1個負的開度值，然后進行同步油缸縮回動作，控制油缸行程同步偏差不超過2 mm，偏差超過2 mm時，系統(tǒng)會停機保護。停機后在手動操作模式下調(diào)整。

（4）手動調(diào)整。在手動模式下，能單獨對每個電磁閥進行操作，也能單獨控制單個及兩個油缸的動作。

（5）整定。能在整定界面對系統(tǒng)溢流閥、壓力繼電器進行整定。

圖3 三峽升船級液壓實訓(xùn)平臺

圖4 整定校核界面

3 系統(tǒng)控制策略

S7-300根據(jù)接收到的信號和數(shù)據(jù)進行判斷、調(diào)節(jié)處理以控制兩個同步油缸的同步伸出和縮回。圖5為系統(tǒng)控制策略方案簡化框圖。

圖5 系統(tǒng)控制策略方案簡化框圖

首先給定控制同步油缸運行的比例換向閥的開度初始值N，SA、SB分別為同步油缸A、B的實際反饋行程值，ΔS為兩個同步油缸的行程差值。以同步油缸A為基準(zhǔn)，通過調(diào)節(jié)程序來調(diào)節(jié)控制同步油缸B的比例換向閥的開度，以控制同步油缸B的運行速度，使得同步油缸B跟隨同步油缸A運行，形成閉環(huán)控制，使兩個同步油缸的同步運行誤差在2 mm內(nèi)。

4 偏差補償與校正

比例換向閥和油缸等機械結(jié)構(gòu)存在制造、安裝誤差，隨著運行時間的累積，會導(dǎo)致兩個同步油缸的行程偏差越來越大。本系統(tǒng)采用閉環(huán)控制，PLC采集兩個油缸的絕對值行程編碼器反饋回來的行程值SA、SB，并進行數(shù)值運算：

根據(jù)行程差ΔS的大小，通過調(diào)節(jié)程序?qū)崟r調(diào)整參數(shù)設(shè)置NB的大小進行同步控制。

在同步伸出時NB大小為：

在同步縮回時NB大小為：

式中，NA為YV3、YV4的參數(shù)設(shè)置；NB為YV5、YV6的參數(shù)設(shè)置；Δt為偏差系數(shù)；S基為反復(fù)測試出的一個基準(zhǔn)值；13 824為西門子模擬量模塊上限值的1/2。

比例換向閥開度與其參數(shù)設(shè)置值的對應(yīng)關(guān)系如圖6所示。

圖6 比例換向閥開度與其參數(shù)設(shè)置值的對應(yīng)關(guān)系圖

4.1 油缸同步伸出

在TP1200觸摸屏上將操作模式切換至自動操作模式，通過TP1200觸摸屏給出同步伸出指令，在伸出參數(shù)設(shè)置正確的情況下，程序會自動啟動電機，控制相應(yīng)電磁閥得電，同步驅(qū)動油缸A、B伸出，在伸出過程中進行實時同步調(diào)節(jié)，自動同步伸出。此時：

當(dāng)NB≥27 648時，NB=27 684；

當(dāng)13 824＜NB＜27 648時，取NB的實時值；

當(dāng)NB≤13 824時，NB=13 824。

隨著NB的實時調(diào)節(jié)輸出，兩個同步油缸的行程差ΔS會穩(wěn)定在誤差范圍內(nèi)。

4.2 油缸同步縮回

在TP1200觸摸屏上將操作模式切換至自動操作模式，通過TP1200觸摸屏給出同步縮回指令，在縮回參數(shù)設(shè)置正確的情況下，程序會自動啟動電機，控制相應(yīng)電磁閥得電，同步驅(qū)動油缸A、B縮回，在縮回過程中進行實時同步調(diào)節(jié)，自動同步縮回。此時：

當(dāng)NB≥13 824時，NB=13 824；

當(dāng)0＜NB＜13 824時，取NB的實時值；

當(dāng)NB≤0時，NB=0。

隨著NB的實時調(diào)節(jié)輸出，兩個同步油缸的行程差ΔS會穩(wěn)定在誤差范圍內(nèi)。

5 手動模式參數(shù)設(shè)置

在TP1200觸摸屏上將操作模式切換為手動操作模式，此時需要通過手動方式啟動電機，給比例泵相應(yīng)開度，后使電磁閥得電，系統(tǒng)減壓運行，分別給比例換向閥YV3、YV4，YV5、YV6設(shè)置相應(yīng)參數(shù)值，兩個同步油缸開始運行。

為實現(xiàn)實訓(xùn)平臺的壓力繼電器的整定功能，通過TP1200觸摸屏的整定界面，設(shè)置每個壓力繼電器的整定值，然后調(diào)節(jié)相應(yīng)的壓力繼電器，調(diào)整到位后，系統(tǒng)發(fā)出相應(yīng)提示，達到培訓(xùn)整定壓力繼電器的目的。

6 調(diào)試和分析

在調(diào)試過程中，雙油缸同步控制的核心問題是偏差校正，采用上述偏差校正方法，模型較為簡單，在PLC編程中容易實現(xiàn)。針對雙油缸的行程偏差值不大于2 mm，結(jié)合比例換向閥、油缸、支架等機械結(jié)構(gòu)和液壓元件的動作規(guī)律，選擇了同步油缸A作為基準(zhǔn)油缸為最佳選擇，如選擇同步油缸B作為基準(zhǔn)油缸則會導(dǎo)致此同步系統(tǒng)不能正常運行，行程偏差波動性太大，過大則偏差調(diào)節(jié)響應(yīng)不及時，導(dǎo)致無法實現(xiàn)偏差在預(yù)設(shè)的2 mm范圍內(nèi)。通過多組數(shù)據(jù)反復(fù)調(diào)試測試，最終設(shè)定S基為2 mm，此S基作用于同步調(diào)節(jié)程序中，系統(tǒng)持續(xù)穩(wěn)定，偏差校正良好。

7 結(jié)語

三峽升船機液壓實訓(xùn)平臺能夠很好地模擬三峽升船機典型液壓回路，采用S7-300對液壓系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)采集和控制的閉環(huán)控制模式，實現(xiàn)了雙油缸同步控制的實時性、精確性，為三峽升船機回路調(diào)試及閥件拆裝培訓(xùn)提供了平臺，能夠滿足實際需要。