基于PLC的大型物體同步升降控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

石東東

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300461)

0 引言

同步升降技術(shù)廣泛應(yīng)用于海洋鋼結(jié)構(gòu)稱重、道路橋梁建造、大型設(shè)備安裝、建筑結(jié)構(gòu)升降、現(xiàn)存建筑的調(diào)平、船體升降等大型物體同步升降工程領(lǐng)域。如海油集團(tuán)公司所屬的大型采油平臺(tái)的同步頂升稱重工程、鄭州鄭開大道西干渠橋整體抬高工程、北京國家體育場(chǎng)鋼結(jié)構(gòu)卸載工程等。這些應(yīng)用領(lǐng)域?qū)ν缴悼刂葡到y(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性和安全性要求普遍較高。

可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller,PLC)控制技術(shù)是一種在工業(yè)上通用的自動(dòng)化控制技術(shù)，具有可靠性高、安裝方便、編程容易、運(yùn)行速度快、抗干擾能力強(qiáng)、操作維護(hù)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。在工業(yè)領(lǐng)域，機(jī)械設(shè)備自動(dòng)控制系統(tǒng)、生產(chǎn)流水線自動(dòng)控制系統(tǒng)、生產(chǎn)過程的自動(dòng)控制系統(tǒng)等多采用PLC來實(shí)現(xiàn)[1]。

本文針對(duì)大型物體同步升降控制高穩(wěn)定性及高可靠性的要求，設(shè)計(jì)了一種以西門子PLC為核心，集現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)、測(cè)控技術(shù)為一體的大型物體同步升降控制系統(tǒng)。

1 同步升降控制技術(shù)基本原理

大型物體同步升降工程的工藝過程一般包括同步頂升(加載)、稱重、同步下降(卸載)等幾個(gè)步驟，部分工程應(yīng)用還包含平移步驟。

大型物體同步升降系統(tǒng)一般包括控制系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)及附屬設(shè)備，控制系統(tǒng)用來控制多個(gè)液壓缸的同步頂升或下降，從而實(shí)現(xiàn)大型物體的頂升或下降，即“多點(diǎn)同步控制”。大型物體升降過程中，若控制點(diǎn)的同步性控制不好會(huì)造成升降系統(tǒng)崩潰，導(dǎo)致嚴(yán)重安全事故。其中下降步驟同步性控制不好，危險(xiǎn)性更大。

同步升降控制系統(tǒng)為典型的閉環(huán)控制系統(tǒng)[2]，其閉環(huán)控制原理如圖1所示?？刂葡到y(tǒng)通過壓力傳感器檢測(cè)各液壓缸壓力值，同時(shí)通過位移傳感器檢測(cè)各升降點(diǎn)位移值，并實(shí)時(shí)傳遞給PLC控制器。PLC控制器根據(jù)預(yù)設(shè)的安全閥值、控制邏輯及采集到的壓力和位移值，經(jīng)過邏輯計(jì)算，輸出控制指令給各液壓泵站及液壓電磁閥，從而每次選擇一個(gè)或一組液壓缸交替動(dòng)作，控制各升降點(diǎn)的升降。

由此可知，所謂同步頂升或同步下降并非多個(gè)液壓缸同時(shí)頂升或下降，而是利用大型物體允許的柔性，每個(gè)升降點(diǎn)交替的頂升或下降，保持每個(gè)升降點(diǎn)的壓力和位移相對(duì)同步。

圖1 同步升降系統(tǒng)閉環(huán)控制原理

2 控制系統(tǒng)硬件組成

2.1 通訊網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

需要頂升的大型物體一般具有占地面積大、需升降點(diǎn)多、現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備較多、PLC控制信號(hào)需要到達(dá)各升降點(diǎn)、控制信號(hào)傳輸距離長等特點(diǎn)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用工況特點(diǎn)，本系統(tǒng)采用簡(jiǎn)單、可靠、經(jīng)濟(jì)實(shí)用的現(xiàn)場(chǎng)總線(Fieldbus)技術(shù)解決PLC控制器與現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備的通訊及信息傳遞問題。根據(jù)西門子現(xiàn)場(chǎng)總線通訊設(shè)備(Profibus-DP)的特點(diǎn)，采用現(xiàn)場(chǎng)總線的環(huán)形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖2所示。

2.2 硬件設(shè)計(jì)

基于PLC控制技術(shù)的大型物體同步升降控制系統(tǒng)由操作臺(tái)、工控機(jī)、PLC控制器主站、PLC現(xiàn)場(chǎng)從站以及現(xiàn)場(chǎng)輸入輸出設(shè)備(I/O設(shè)備)等通過多點(diǎn)接口通信技術(shù)(Multi Point Interface，MPI)和Profibus-DP等工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)連接而成(見圖2)。操作臺(tái)、工控機(jī)、PLC控制器主站以及第0號(hào)PLC從站布置在控制室內(nèi)。大型物體的每一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)升降點(diǎn)布置一個(gè)PLC現(xiàn)場(chǎng)從站，PLC現(xiàn)場(chǎng)從站編號(hào)從第1號(hào)開始至編號(hào)x。

PLC控制器主站由電源、CPU、模擬量輸入(M1)、數(shù)字量輸入輸出等多個(gè)模塊(M2～M7)組成，如圖3所示。CPU是大型物體同步升降控制系統(tǒng)的核心，CPU采用西門子S7-300系列具有DP網(wǎng)絡(luò)及MPI通訊功能的S7-317-2DP模塊。模擬量輸入模塊通過壓力傳感器采集油泵壓力值。數(shù)字量輸入模塊采集操作臺(tái)面板的按鈕控制信號(hào)，并傳送給CPU；數(shù)字量輸出模塊接收CPU的命令控制油泵的啟停，并且控制操作臺(tái)面板指示燈輸出相關(guān)狀態(tài)信號(hào)。

圖2 升降控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)連接及硬件組成示意圖

圖3 PLC硬件系統(tǒng)組成圖

工控機(jī)和操作臺(tái)的主要功能是人機(jī)交互。工控機(jī)運(yùn)行上位機(jī)程序，同時(shí)具有程序修改、自動(dòng)控制、實(shí)時(shí)顯示、報(bào)警處理、輸出打印報(bào)表等功能。利用操作臺(tái)面板控制按鈕可以單獨(dú)控制每個(gè)液壓缸的升降，完成手動(dòng)控制相關(guān)功能。

每個(gè)PLC現(xiàn)場(chǎng)從站均由通訊模塊(IMx)、模擬量輸入(Mx1)和數(shù)字量輸出模塊(Mx2)組成。通訊模塊采用西門子ET200分布式遠(yuǎn)程I/O系統(tǒng)模塊，用來實(shí)現(xiàn)Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)通信功能。模擬量輸入模塊用來接收現(xiàn)場(chǎng)各個(gè)升降點(diǎn)的位移信號(hào)及各個(gè)油缸的壓力信號(hào)。數(shù)字量輸出模塊用來控制現(xiàn)場(chǎng)電磁閥的開關(guān)。

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

大型物體同步升降自動(dòng)控制系統(tǒng)軟件分為下位機(jī)程序(即PLC控制程序)和上位機(jī)程序，上位機(jī)程序又分為人機(jī)交互程序(Human Machine Interface，HMI)和計(jì)算程序。

3.1 PLC控制程序

PLC控制程序是軟件系統(tǒng)的主程序，采用STEP7編程軟件平臺(tái)開發(fā)PLC控制程序。PLC控制程序具有以下作用：①采集現(xiàn)場(chǎng)I/O設(shè)備壓力、位移等模擬信號(hào)及操作臺(tái)按鈕控制等開關(guān)信號(hào)，輸出電磁閥通斷、油泵啟停、狀態(tài)燈開關(guān)等控制信號(hào)；②進(jìn)行簡(jiǎn)單的邏輯計(jì)算、聯(lián)鎖控制、定時(shí)控制等。

PLC控制程序采用模塊化編程，根據(jù)工況的不同，程序模塊分為自動(dòng)模塊、半自動(dòng)模塊、手動(dòng)模塊、調(diào)試模塊、急停模塊等。自動(dòng)程序模塊是PLC控制程序的核心模塊?？刂葡到y(tǒng)采用自動(dòng)程序運(yùn)行時(shí)不需要人工干預(yù)，系統(tǒng)自動(dòng)完成所有的操作步驟。

3.2 上位機(jī)程序

3.2.1 HMI人機(jī)交互程序

上位機(jī)程序的開發(fā)主要采用西門子視窗控制中心編程平臺(tái)，即SIMATIC WinCC程序。

HMI人機(jī)交互程序主要用來輸入?yún)?shù)及監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行，包含多個(gè)交互界面。其中參數(shù)輸入界面用來輸入大型物體相關(guān)參數(shù)、控制閥值參數(shù)、升降系統(tǒng)組成參數(shù)等。另外還包含主控制界面、壓力監(jiān)控界面、位移監(jiān)控界面、油路電磁閥監(jiān)控界面和報(bào)警界面等。

3.2.2 計(jì)算程序

上位機(jī)計(jì)算程序是軟件系統(tǒng)的關(guān)鍵程序，主要用于同步升降控制系統(tǒng)的自動(dòng)運(yùn)行模式，該模式由上位機(jī)計(jì)算程序和PLC控制程序相互配合完成。即PLC控制程序?qū)⑵浣邮盏默F(xiàn)場(chǎng)傳感器信息傳輸給上位機(jī)計(jì)算程序，上位機(jī)計(jì)算程序通過內(nèi)置的自動(dòng)運(yùn)行算法計(jì)算后輸出相應(yīng)的控制指令給PLC控制程序，PLC控制程序通過PLC控制器控制現(xiàn)場(chǎng)相應(yīng)設(shè)備動(dòng)作，進(jìn)而完成系統(tǒng)的自動(dòng)運(yùn)行。

自動(dòng)運(yùn)行算法分為壓力優(yōu)先控制算法和位移優(yōu)先控制算法[3]。壓力優(yōu)先控制算法和位移優(yōu)先控制算法是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心。

壓力優(yōu)先控制算法的原理是：當(dāng)各個(gè)升降點(diǎn)的位移相同時(shí)，各個(gè)升降點(diǎn)的液壓缸壓力之和與該點(diǎn)的理論重力相等。以頂升步驟為例，若某升降點(diǎn)液壓缸壓力之和小于該升降點(diǎn)的理論重力時(shí)，說明該點(diǎn)位移較低，需要優(yōu)先頂升。利用壓力優(yōu)先算法運(yùn)行自動(dòng)控制程序時(shí)，首先遍歷各個(gè)升降點(diǎn)的液壓缸壓力，找出液壓缸壓力之和與該點(diǎn)的理論重力比值最小的升降點(diǎn)，優(yōu)先打開該升降點(diǎn)各個(gè)液壓缸壓力不超限的電磁閥，按預(yù)設(shè)的頂升時(shí)間優(yōu)先頂升該點(diǎn)。頂升時(shí)間達(dá)到預(yù)設(shè)的時(shí)間時(shí)停止頂升，再重新遍歷各個(gè)升降點(diǎn)的液壓缸壓力，如此循環(huán)直到達(dá)到要求的頂升位移為止。

位移優(yōu)先控制算法是優(yōu)先考慮每個(gè)升降點(diǎn)的位移量，再結(jié)合壓力優(yōu)先算法控制升降點(diǎn)的升降。圖4為位移優(yōu)先控制算法示意圖。

圖4 位移優(yōu)先控制算法示意圖

如圖4所示，程序開始后，首先遍歷各個(gè)升降點(diǎn)的位移量，選取位移量較小的幾個(gè)升降點(diǎn)，然后求出所取升降點(diǎn)液壓缸壓力之和與該升降點(diǎn)理論重力比值最小的升降點(diǎn)，優(yōu)先打開該升降點(diǎn)電磁閥，優(yōu)先頂升該點(diǎn)。

4 結(jié)論

大型物體多點(diǎn)同步頂升、下降或移動(dòng)是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程,存在著較大的安全風(fēng)險(xiǎn)，確保安全性和可靠性是大型物體同步升降工程施工的關(guān)鍵。本文設(shè)計(jì)的同步升降控制系統(tǒng)以西門子PLC控制器為核心，集現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)、測(cè)控技術(shù)為一體，選型嚴(yán)格，程序設(shè)計(jì)巧妙，具有自動(dòng)操作模式、半自動(dòng)操作模式及手動(dòng)操作模式，操作簡(jiǎn)單，維護(hù)方便。在多個(gè)工程項(xiàng)目的運(yùn)行結(jié)果表明該系統(tǒng)具有較高的安全性和穩(wěn)定性。