多功能液壓油缸智能補(bǔ)償系統(tǒng)控制技術(shù)的應(yīng)用探析

李斌

（上海振華重工（集團(tuán)）股份有限公司，上海 200125）

1 項目簡介

1.1 項目背景

隨著碼頭行業(yè)的迅速發(fā)展，集裝箱碼頭全自動化、起重機(jī)遠(yuǎn)程操作結(jié)合自動化堆場的需求越來越多。而其中多功能油缸系統(tǒng)的控制又是起重機(jī)中一個極其重要的部分。它控制著吊具的傾轉(zhuǎn)功能和吊具的防搖功能。由于現(xiàn)有起重機(jī)后大梁多功能油缸系統(tǒng)的控制方法老舊，當(dāng)不同油缸在不同位置或不同負(fù)載時，一般無法做到對全部油缸的同步控制，往往會造成油缸伸縮不同步的情況，從而直接影響起重機(jī)的生產(chǎn)和使用效率。所以，通過對多功能油缸控制算法的精確和軟件程序的開發(fā)，對多功能油缸在運(yùn)行過程中的速度和位置進(jìn)行實時的智能補(bǔ)償，可以讓油缸在承受不同負(fù)載的情況下，最終達(dá)到油缸的高精度定位和同步控制。

1.2 項目主要創(chuàng)新

多功能油缸智能補(bǔ)償系統(tǒng)算法的研發(fā)，減少了一些內(nèi)部的液壓控制元器件，從而降低了液壓系統(tǒng)的故障發(fā)生率，使整套系統(tǒng)更加穩(wěn)定、精確、安全地運(yùn)行。由于內(nèi)部液壓元器件的減少，可以更好地降低多功能液壓系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)成本，也同時降低了碼頭的維護(hù)工作量和運(yùn)行成本。

這是國內(nèi)目前首套用于起重機(jī)的多功能液壓油缸PLC智能補(bǔ)償控制系統(tǒng)，本項目處于國際和國內(nèi)先進(jìn)水平，也是未來的應(yīng)用趨勢。

1.3 項目進(jìn)度、實施過程

項目實施過程中，按照項目執(zhí)行期內(nèi)年度計劃進(jìn)行。同時，為了較好地完成本項目，根據(jù)本項目的工作內(nèi)容以及項目組成員個人的特長，做了合適的分工。

項目的大致進(jìn)程：（1）資料收集及項目可行性方案的制定。（2）多功能液壓油缸硬件系統(tǒng)分析，包括整套液壓系統(tǒng)的性能及工況；高精度位移傳感器的選型等；完成對所需PLC的選型和購買，根據(jù)公司實際情況，決定采用西門子PLC作為本項目測試PLC；完成在開環(huán)狀態(tài)下基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的采集和分析。（3）建立數(shù)學(xué)模型，PLC程序編寫，實驗室基礎(chǔ)測試完成，完成現(xiàn)場測試的準(zhǔn)備工作。（4）多功能液壓油缸系統(tǒng)的功能調(diào)試，優(yōu)化和修改PLC程序。（5）研究報告整理，完成項目的驗收。

2 項目技術(shù)報告中主要技術(shù)、主要創(chuàng)新點及遇到的主要問題

2.1 多功能油缸照片（見圖1）

圖1 多功能油缸照片

2.2 項目配置和系統(tǒng)構(gòu)成

起重機(jī)多功能油缸控制系統(tǒng)主要由西門子6ES7307-1EA80-0AA0電源模塊、西門子S7-300PLC控制器、西門子6ES7153-4AA01-0XB0ET200分布式通信模塊、西門子6ES7321-1BH02-0AA0數(shù)字量輸入模塊、西門子6ES7322-1HH01-0AA0數(shù)字量輸出模塊、西門子6ES7332-5HD01-0AB0模擬量輸出模塊、4個profibus油缸位移傳感器、4個比例閥、1個電磁閥和1個傾轉(zhuǎn)油缸馬達(dá)組成（見表1）。

表1 項目配置表

2.3 控制系統(tǒng)的介紹和完成的功能

（1）PID控制算法。在工業(yè)控制應(yīng)用中，PID及其衍生的算法是應(yīng)用最廣泛的算法之一。在很多控制算法中，PID控制算法既是最簡單又是最能體現(xiàn)反饋思想的控制算法。比例、積分、微分控制，簡稱PID控制，又稱PID調(diào)節(jié)?？刂葡到y(tǒng)原理圖的一般形式（見圖2）。

圖2 PID控制原理圖

為了進(jìn)一步改善調(diào)節(jié)品質(zhì)，往往把比例、積分、微分三種作用組合起來，形成PID調(diào)節(jié)器。理想的PID微分方程為：

為了滿足在承受不同負(fù)載的情況下，對液壓油缸系統(tǒng)能夠高精度定位和同步控制，我們利用PID控制算法，在油缸運(yùn)行過程中進(jìn)行速度和位置的實時智能補(bǔ)償，從而完成對油缸的實時同步控制。

（2）PLC程序編程。①PLC硬件程序配置（如圖3）。根據(jù)硬件配置實物，編寫PLC硬件配置程序。硬件配置中，采用4個傾轉(zhuǎn)油缸位移傳感器來測量和讀取油缸的實際位置，模擬量輸出模塊在控制比例閥的開度，在不同負(fù)載情況下，調(diào)節(jié)不同比例閥的閥門開度，來調(diào)節(jié)4個油缸的伸縮速度，對油缸實施精確的同步控制。②PLC軟件程序配置。根據(jù)實際液壓工況，編寫PLC軟件程序，在這個項目中，我們編寫了TLSGENERAL,TLSCYCLINDERPOSITION,TLSCOMMAND,TLSANG LE，TLSAPPROACH和MONITORINGTLS。

圖3 PLC硬件配置

其中，TLSGENERAL表示常規(guī)的一些對于傾轉(zhuǎn)油缸的控制命令，包括手動伸縮油缸、自動傾轉(zhuǎn)、自動回零位等常規(guī)命令。TLSCYCLINDERPOSITION表示通過油缸位移傳感器來計算油缸實際位置。TLSCOMMAND表示對4個比例閥的控制（4～20mA輸出）。TLSANGLE表示傾轉(zhuǎn)角度的計算。TLSAPPROACH表示油缸速度的計算，通過PID控制調(diào)節(jié)后，輸出到比例閥的控制值，控制油缸伸縮速度。MONITORINGTLS表示有關(guān)傾轉(zhuǎn)的故障，當(dāng)有故障發(fā)生時，可以停止傾轉(zhuǎn)命令，從而保護(hù)油缸。

我們以1號油缸調(diào)節(jié)為例，簡單介紹一下我們使用PID模塊調(diào)節(jié)的編程和測試過程。第一步，記錄油缸的初始位置，并且計算出在每個固定周期內(nèi)，油缸所能走過的行程。然后，確定油缸的伸縮方向，如果油缸伸，從初始位置加上每個固定周期內(nèi)油缸的行程。如果油缸縮，從初始位置減去每個固定周期內(nèi)油缸的行程。這樣我們將可以算出在任意周期后油缸應(yīng)該達(dá)到的位置。第二步，把油缸實際位置和在第一步中計算出來應(yīng)該到達(dá)的位置填入PID控制塊，調(diào)節(jié)控制塊的時間常數(shù)和比例常數(shù)，KP是比例因子，TN是積分時間，計算出輸出值Y（疊加量），這個疊加量加上初始值，最終可以得到輸出給油缸的模擬量值。項目測試結(jié)果：經(jīng)過實驗測試，油缸智能補(bǔ)償系統(tǒng)運(yùn)行良好。油缸的設(shè)定位置和實際位置幾乎一致。

3 科技成果轉(zhuǎn)化情況

目前，該研發(fā)項目已應(yīng)用到英國菲利斯通項目遠(yuǎn)程橋吊后大梁多功能液壓站，取得了良好的效果。該算法技術(shù)含量較高，算法集成于PLC中，這樣可以節(jié)省不需要的硬件成本，控制精度更高，系統(tǒng)運(yùn)行更加平穩(wěn)，參數(shù)修改方便，具有出色的性能和出色的可用性，市場前景廣闊。