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    基于PLC的盾構(gòu)拼裝機(jī)舉升油缸同步控制

    2020-04-10 05:24:42
    液壓與氣動 2020年4期
    關(guān)鍵詞:同步控制電磁鐵換向閥

    (1.陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 軌道工程系,陜西 渭南 714099;2.長安大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 陜西 西安 710064)

    引言

    隨著城市的快速發(fā)展,地面交通已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足人們出行的需求,地下空間的快速崛起給人們的出行帶來了很大方便,盾構(gòu)機(jī)作為目前地鐵施工中應(yīng)用最廣泛的設(shè)備,是一種集機(jī)械技術(shù)、電子技術(shù)、控制技術(shù)等多學(xué)科融合而成的機(jī)電一體化設(shè)備[1]。盾構(gòu)施工法相比于其他隧道施工工法最大的優(yōu)點(diǎn)就是隧道襯砌一次成型,并且施工過程高效、快速、安全。管片拼裝機(jī)是盾構(gòu)機(jī)的重要組成部分,是完成隧道襯砌一次成型的核心裝置。拼裝機(jī)有6個(gè)自由度,分別可實(shí)現(xiàn)鎖緊、升降、平移、回轉(zhuǎn)、俯仰、橫搖和偏轉(zhuǎn)7種動作,各種動作通過液壓系統(tǒng)驅(qū)動調(diào)節(jié),以保證管片的精確就位。管片的舉升是管片精確就位過程中非常重要的一環(huán),舉升油缸的同步精度對拼裝機(jī)后續(xù)動作的協(xié)調(diào)起著至關(guān)重要的作用。故本研究采用S7-200可編程控制器作為整個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)的核心,以磁致伸縮傳感器實(shí)時(shí)檢測與反饋油缸位移情況,通過PLC分析處理反饋信號,并經(jīng)放大后控制電磁比例換向閥的開度大小,進(jìn)而控制進(jìn)入油缸的流量,實(shí)現(xiàn)油缸的同步控制,該控制系統(tǒng)同步精度高,運(yùn)行穩(wěn)定可靠,具有較強(qiáng)的工程應(yīng)用價(jià)值。

    1 液壓缸系統(tǒng)模型

    液壓缸系統(tǒng)的典型形式是對稱式結(jié)構(gòu),如圖1所示。

    圖1 液壓缸系統(tǒng)模型結(jié)構(gòu)圖

    磁致伸縮傳感器實(shí)時(shí)檢測油缸運(yùn)行狀況并反饋于PLC系統(tǒng),經(jīng)控制器分析處理,信號放大器放大,最后將信號傳輸給電磁比例方向閥,通過方向閥閥芯的開度變化實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)流量和壓力的控制,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)舉升油缸的同步控制。該控制系統(tǒng)的關(guān)鍵就是在控制信號與活塞缸運(yùn)行軌跡及位移傳感器之間建立一種閉環(huán)反饋機(jī)構(gòu),以保證舉升油缸的同步精度[2]。

    2 液壓缸運(yùn)行軌跡設(shè)計(jì)

    假設(shè)活塞缸初始運(yùn)動時(shí)刻為tB,對應(yīng)的位置為xB,運(yùn)動結(jié)束時(shí)刻為tE,對應(yīng)的位置為xE,則活塞缸的運(yùn)動軌跡應(yīng)滿足如下約束:

    x(tB)=xB,x(tE)=xE

    (1)

    (2)

    (3)

    公式中的式(1)~式(3)分別代表活塞缸運(yùn)動過程中的位移、速度與加速度的平滑條件。

    根據(jù)活塞缸運(yùn)動的平滑條件構(gòu)建如下函數(shù):

    (4)

    公式中的Ta為加減速時(shí)間常數(shù);Tb為勻速時(shí)間常數(shù),t′=(t-Tb,f1=3Ta/2+Tb

    故對液壓缸的運(yùn)行軌跡設(shè)計(jì)如下:

    (5)

    公式(5)形式的液壓缸運(yùn)行軌跡具有符合式(1)~式(3)的平滑條件,可對活塞運(yùn)行加速度進(jìn)行限定,避免過大的液壓沖擊,可對活塞的最大運(yùn)行速度進(jìn)行限定等優(yōu)點(diǎn)。

    3 控制系統(tǒng)的硬件組成及參數(shù)

    3.1 PLC的硬件組成及參數(shù)

    整體模塊回路圖如圖2所示。

    圖2 PLC模塊回路圖

    PLC控制器采用了多個(gè)模擬量擴(kuò)展模塊,其主要作用是進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換,可編程控制器主要進(jìn)行邏輯運(yùn)算,發(fā)布控制指令。

    3.2 液壓系統(tǒng)的硬件組成及參數(shù)

    液壓系統(tǒng)主要由舉升油缸、磁致伸縮位移傳感器、電磁比例換向閥及液壓泵等組成。系統(tǒng)采用比例閥作為控制元件,舉升油缸的無桿腔最大通油流量為6 L/min,有桿腔最大通油流量為3 L/min,根據(jù)系統(tǒng)的控制模式可知,PLC輸出電流與比例換向閥閥口開度的關(guān)系曲線如圖3所示。由曲線可以看出,閥口開度與比例電磁鐵b的電流成正比關(guān)系,即電流越大,閥口開度越大,與電磁鐵a的電流成反比關(guān)系。位移傳感器,量程0~1500 mm,輸出信號為4~20 mA。

    圖3 PLC輸出電流與閥的流量關(guān)系曲線圖

    4 控制系統(tǒng)工作原理及特性分析

    4.1 PLC控制原理

    控制與檢測是系統(tǒng)的核心環(huán)節(jié),其原理圖如圖4所示。

    圖4 PLC控制原理圖

    拼裝機(jī)舉升過程中,磁致伸縮位移傳感器實(shí)時(shí)檢測左右兩側(cè)油缸的位移狀況,輸出4~20 mA電信號,經(jīng)過EM231擴(kuò)展模塊進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換之后,傳輸給PLC控制器,通過運(yùn)算判斷兩側(cè)油缸的位移是否一致,如果偏差超出范圍,控制器發(fā)出指令,經(jīng)EM231擴(kuò)展模塊進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換,并經(jīng)信號放大器放大之后,傳輸給比例換向閥,調(diào)節(jié)閥口開度大小,實(shí)現(xiàn)兩側(cè)油缸的同步控制。

    4.2 舉升油缸同步控制原理

    舉升油缸同步控制系統(tǒng)原理圖如圖5所示。

    同步控制系統(tǒng)將兩側(cè)油缸分別設(shè)為主令缸和從令缸,磁致伸縮位移傳感器實(shí)時(shí)跟蹤、檢測油缸位移情況,并反饋于PLC控制器,經(jīng)分析判斷后,通過信號放大器傳輸于兩側(cè)比例換向閥,調(diào)節(jié)閥口開度大小。給

    圖5 舉升油缸同步控制系統(tǒng)原理圖

    定比例電磁鐵b的電流范圍為14~20 mA,此時(shí)油缸無桿腔進(jìn)油,活塞桿伸出,給定電磁鐵a的電流范圍為4~10 mA,此時(shí)油缸有桿腔進(jìn)油,活塞桿縮回,通過不斷調(diào)整從令缸的伸出與縮回,實(shí)現(xiàn)兩側(cè)油缸的同步運(yùn)動。

    4.3 閉環(huán)控制回路動態(tài)性能及穩(wěn)定性分析

    由液壓控制系統(tǒng)可知,電磁比例閥相當(dāng)于二階振蕩環(huán)節(jié),為進(jìn)一步分析閉環(huán)控制回路的動態(tài)性能,建立系統(tǒng)AGC模型如圖6所示。

    圖6 閉環(huán)控制回路AGC動態(tài)檢測模型

    通過對AGC動態(tài)檢測模型有位移反饋與無位移反饋兩種情況下系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn),增加位移反饋補(bǔ)償環(huán)節(jié),系統(tǒng)響應(yīng)速度加快,超調(diào)量減小,系統(tǒng)在短時(shí)間內(nèi)趨于穩(wěn)定。而利用改變增益控制超調(diào)量的方法會引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定,故采用位移微分反饋環(huán)節(jié)可有效調(diào)節(jié)系統(tǒng)的動態(tài)性能。系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線如圖7曲線2所示,曲線1為增加位移微分負(fù)反饋后的響應(yīng)曲線。

    圖7 系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線對比圖

    5 舉升油缸同步控制的實(shí)現(xiàn)過程

    設(shè)定控制主令缸的比例電磁鐵電流恒為16 mA,主令缸電磁比例換向閥的函數(shù)如式(6)所示:

    (6)

    令控制從令缸的電磁鐵電流在13~20 mA之間變化,從令缸比例換向閥的函數(shù)如下:

    (7)

    公式中的x為主令缸與從令缸活塞伸出長度之差。

    控制從令缸的指令曲線函數(shù)如圖8所示。

    圖8 從令缸指令曲線函數(shù)圖(油缸舉升)

    油缸下降的同步控制過程中,令控制主令缸的比例電磁鐵電流恒為8 mA,控制從令缸的電磁鐵電流在4~11 mA之間變化。電磁比例換向閥的電流函數(shù)類似于舉升過程的電流函數(shù)。故得出控制從令缸的指令函數(shù)如圖9所示。

    圖9 從令缸指令曲線函數(shù)圖(油缸下降)

    6 舉升油缸同步控制的程序設(shè)計(jì)

    盾構(gòu)拼裝機(jī)舉升油缸動作前,機(jī)械抓持手首先要牢牢抓緊管片,待壓力繼電器發(fā)出可動作信號后,舉升主從油缸開始跟隨運(yùn)動,直至觸碰限位開關(guān)后停止動作。位移傳感器檢測油缸偏差是否滿足±2 mm精度要求,滿足即可進(jìn)行下步動作。依據(jù)舉升油缸同步動作的實(shí)現(xiàn)過程,設(shè)計(jì)自動控制流程圖如圖10所示。

    圖10 舉升油缸同步動作自動控制流程圖

    依據(jù)流程圖分別采用兩種不同的編程語言及邏輯分別設(shè)計(jì)程序如圖11~圖13所示。

    分別對兩種不同編程邏輯的油缸同步動作幅值和相位進(jìn)行仿真,仿真曲線如圖14所示。

    圖14中a為采用梯形圖程序的幅值、相位特性曲線,b為語句表程序的幅值、相位特性曲線。通過對比可以發(fā)現(xiàn),曲線a的編程邏輯明顯改善了油缸同步動作的動態(tài)性能,減小了動作的相位滯后,提高了同步動作的控制精度。

    圖11 油缸同步動作語句表程序圖

    圖12 油缸舉升梯形圖程序

    圖13 油缸下降梯形圖程序

    圖14 幅值相位對比曲線圖

    7 結(jié)論

    基于PLC的舉升油缸閉環(huán)同步控制系統(tǒng),結(jié)構(gòu)簡單、功能強(qiáng)大、抗干擾性強(qiáng),經(jīng)現(xiàn)場調(diào)試運(yùn)行,系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了舉升油缸的自動化控制,并且在油缸上升和下降過程中具有自動糾偏功能,控制精度可達(dá)±2 mm,運(yùn)行穩(wěn)定可靠,消除了人工操作帶來的實(shí)時(shí)性誤差,有效提高了拼裝機(jī)舉升管片的同步精度和效率,在盾構(gòu)拼裝機(jī)上具有一定的應(yīng)用前景和價(jià)值。

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