多點(diǎn)同步液壓頂升系統(tǒng)研究與應(yīng)用*

涂凌志

中聯(lián)恒通機(jī)械有限公司 長沙 410009

0 引言

本文開發(fā)研制了CAP1400屏蔽主泵安裝小車，用于作為屏蔽反應(yīng)堆冷卻劑泵最大可拆卸部分的支撐體和運(yùn)輸工具，以及屏蔽主泵最大可拆卸部分在蒸汽發(fā)生器隔間內(nèi)的維修、安裝/拆卸、垂直/水平方向的移動。本文主要研究的液壓頂升系統(tǒng)同步控制技術(shù)應(yīng)用于安裝小車的底部，在安裝小車做功能切換時(shí)，起到支撐小車的作用。

1 系統(tǒng)組成

同步頂升液壓系統(tǒng)由液壓系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)2部分組成。系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成圖

1.1 液壓系統(tǒng)組成

液壓系統(tǒng)主要由液壓泵站、溢流閥、壓力表、高頻/速控制閥組、液控單向閥、液壓軟管和液壓缸等組成。用于頂升或下降同步控制的執(zhí)行。

1.2 電氣系統(tǒng)組成

電氣控制系統(tǒng)主要由控制器、模擬量輸入模塊、數(shù)字量輸出模塊、操作屏、位置檢測拉線開關(guān)、壓力傳感器、油泵電機(jī)、高頻/速開關(guān)電磁閥等組成。用于頂升或下降同步控制的檢測、設(shè)定、運(yùn)算、顯示等各功能。電氣控制系統(tǒng)組成如圖2所示，電氣控制系統(tǒng)布置如圖3所示。

圖2 液壓頂升電氣控制系統(tǒng)組成圖

圖3 液壓頂升電氣控制系統(tǒng)布置圖

2 系統(tǒng)原理

液壓同步頂升系統(tǒng)是一個(gè)成熟的系統(tǒng)，主要應(yīng)用于大噸位物體在精確位置控制下的精確頂升和下放。它是基于閉環(huán)控制系統(tǒng)理論，采用負(fù)載的位移、壓力作為受控參數(shù)。控制器通過模擬量輸入模塊，接收安裝在每個(gè)頂升液壓缸油路上的壓力傳感器采集的壓力信號，以及每個(gè)連接在負(fù)載上并能檢測液壓缸位移的位移傳感器采集的位移信號?？刂破髫?fù)責(zé)接收、處理這些信號。

2.1 液壓系統(tǒng)動作明細(xì)

首先在預(yù)頂升狀態(tài)時(shí)，比較各液壓缸在預(yù)頂升狀態(tài)下的壓力值，使各液壓缸承載的壓力值一致，以保證負(fù)載在液壓缸上的均衡分布，以及每個(gè)液壓缸與負(fù)載貼合的可靠性。

在預(yù)頂升完畢后進(jìn)行同步頂升或下放時(shí)，對所選擇的液壓缸位移信號進(jìn)行處理計(jì)算。比較運(yùn)算各液壓缸之間的位移值，并與輸入的允許誤差值進(jìn)行比較，通過一定時(shí)間內(nèi)各液壓缸的行程誤差結(jié)果來控制連接在數(shù)字量輸出模塊上的各個(gè)液壓缸高頻/速開關(guān)電磁閥。即同步頂升液壓系統(tǒng)頂升或下降工作時(shí)，當(dāng)檢測某一受控液壓缸位移有超前誤值時(shí)，控制器通過數(shù)字量輸出模塊發(fā)出信號使該液壓缸的高頻/速開關(guān)電磁閥減慢動作，減小液壓油流，從而限制該點(diǎn)的液壓缸上升或下降動作，等該液壓缸運(yùn)行位移誤差值小于調(diào)節(jié)值后，再恢復(fù)正常速度運(yùn)動。同樣，當(dāng)檢測某一受控液壓缸位移有滯后誤值時(shí)，控制器通過數(shù)字量輸出模塊發(fā)出信號使該液壓缸的高頻/速開關(guān)電磁閥加快動作，增加液壓油流，從而讓該點(diǎn)的液壓缸加快上升或下降動作，等該液壓缸運(yùn)行位移誤差值小于調(diào)節(jié)值后，再恢復(fù)正常速度運(yùn)動。液壓缸控制閥根據(jù)高頻/速控制信號的打開或關(guān)閉調(diào)節(jié)單位時(shí)間內(nèi)液壓缸的流量從而均勻地頂升或下降負(fù)載并將各頂升點(diǎn)間位移誤差值控制在用戶設(shè)定的誤差精度范圍內(nèi)。通過各受控液壓缸間精密的動作控制，使整個(gè)同步控制系統(tǒng)達(dá)到一種運(yùn)動中的同步狀態(tài)。當(dāng)某一個(gè)受控液壓缸的位移誤差超出控制器設(shè)定的修復(fù)范圍值時(shí)，控制器將發(fā)出系統(tǒng)錯(cuò)誤警報(bào)和停止信號，各受控液壓缸的控制閥停止動作，切斷液壓油流，從而使各受控液壓缸同時(shí)停止動作。直到修復(fù)該錯(cuò)誤，并得到操作者重新工作的指令，系統(tǒng)才恢復(fù)動作。從而有效地保證了構(gòu)件頂升或下降過程的安全性和可靠性。如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)同步運(yùn)行流程

2.2 多功能操作

液壓同步頂升系統(tǒng)具有手動調(diào)節(jié)模式、預(yù)頂升模式與自動同步操作模式，觸屏手持操控器與應(yīng)急操作箱均能實(shí)現(xiàn)此3種工作模式。

在手動調(diào)節(jié)模式下操作人員可手動單獨(dú)選擇要操作的液壓缸，對其手動進(jìn)行上下操作，主要應(yīng)用在系統(tǒng)調(diào)試的情況下，檢測各單獨(dú)液壓缸的動作與檢測機(jī)構(gòu)是否正常。

當(dāng)系統(tǒng)正常后可進(jìn)行預(yù)頂升模式操作，此時(shí)可選擇8個(gè)液壓缸或其中任意幾個(gè)液壓缸，通過設(shè)定液壓缸的預(yù)頂升油壓值等參數(shù)，在液壓缸承接到承載物并使承載壓力值達(dá)到設(shè)定值，保證液壓缸與負(fù)載的可靠連接以及負(fù)載的均衡分布，預(yù)頂升到位結(jié)束。

當(dāng)預(yù)定升到位后，可進(jìn)行自動同步操作模式，此時(shí)可選擇8個(gè)液壓缸或其中的任意幾個(gè)液壓缸，通過設(shè)定液壓缸的位移信號、位移允許誤差值等參數(shù)，進(jìn)行計(jì)算處理后，再通過對輸出高頻/速開關(guān)電磁閥的精準(zhǔn)控制來實(shí)現(xiàn)對選定液壓缸的同步控制。

3 系統(tǒng)特點(diǎn)

同步頂升系統(tǒng)是提供大噸位重物提升和下放精確位移控制的產(chǎn)品；基于可編程邏輯控制器接收從安裝在千斤頂旁的與重物相連的傳感器發(fā)出的信號，然后處理這些信息并發(fā)送控制信號到各液壓缸控制閥，快速、多次地打開或關(guān)閉這些高頻/速控制閥來提升和下放重物，并且各提升點(diǎn)的同步誤差保持在操作者設(shè)定的范圍。

3.1 高精度的檢測與執(zhí)行裝置保證控制的高精度

檢測裝置選用高精度位移檢測傳感器，檢測精度在0.01 mm。位移傳感器一端固定在液壓缸底座上，一端固定在液壓缸推桿頂端，很難被外界干擾，保證在液壓缸伸縮時(shí)位移檢測的準(zhǔn)確性。

執(zhí)行裝置選用高精度節(jié)流閥能精準(zhǔn)調(diào)節(jié)流量，從而精準(zhǔn)控制每個(gè)液壓缸動作速度，減小沖擊，保證同步性。

3.2 PID控制算法實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的位移控制

本系統(tǒng)通過控制器內(nèi)置的PID Compact實(shí)現(xiàn)對各路液壓缸位移的PID控制。PID屬于閉環(huán)控制系統(tǒng)，閉環(huán)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)是系統(tǒng)被控對象的被控制量即輸出會反饋給控制器影響控制器的輸出，形成一個(gè)或多個(gè)閉環(huán)。通過采集每個(gè)液壓缸的位移作為反饋量，在一定時(shí)間內(nèi)與位移設(shè)定值的誤差以及位移誤差設(shè)定值做實(shí)時(shí)比較與運(yùn)算來控制對應(yīng)各高頻/速電磁閥的開閉，實(shí)現(xiàn)各個(gè)液壓缸的精準(zhǔn)控制，使每個(gè)液壓缸的位移控制都形成一個(gè)完整的閉環(huán)控制。如圖5所示。采用控制器PID算法計(jì)算PID Compact指令的輸出值為

圖5 位移調(diào)節(jié)PID算法圖

式中：y為輸出值，x為過程值，w為設(shè)定值，s為拉普拉斯算子，Kp為比例增益(P分量)，Ti為積分作用時(shí)間（I分量），TD為微分作用時(shí)間（D分量），a為微分延時(shí)系數(shù)（D分量），b為比例作用加權(quán)(P分量)，c為微分作用加權(quán)（D分量）。

比例調(diào)節(jié)的作用可加快系統(tǒng)的反應(yīng)速度，能有效地抑制動態(tài)誤差，太大會過調(diào)，使曲線震蕩，太小則抑制動態(tài)誤差能力會減弱。積分調(diào)節(jié)的作用能消除系統(tǒng)靜態(tài)誤差，使曲線趨于平穩(wěn)。微分調(diào)節(jié)的作用能預(yù)判曲線變化趨勢，超前進(jìn)行調(diào)節(jié)，太大不利于曲線平穩(wěn)，太小則抑制動態(tài)誤差能力會減弱。如圖6所示。

圖6 PID Compact功能塊

PID_Compact提供可在自動模式和手動模式下自我調(diào)節(jié)的PID控制器。PID_Compact具有抗積分飽和功能，且對P分量和D分量加權(quán)的PID T1控制器，其控制響應(yīng)速度、控制精度、控制穩(wěn)定性均能滿足本系統(tǒng)的控制要求。

3.3 觸屏操作功能實(shí)現(xiàn)友好的人機(jī)交互

設(shè)備的主操作裝置采用獨(dú)立的具有高防護(hù)等級IP65的觸屏手持操控器，將各操作手柄與人機(jī)交互顯示畫面集成在觸屏手持操控器中。操作人員可通過手持操作器的觸摸界面或按鍵實(shí)現(xiàn)操作方式的選擇、各液壓缸的選定、預(yù)定升壓力值的設(shè)定、自動運(yùn)行行程值的設(shè)置以及位移誤差值的設(shè)置等操作，屏幕上每個(gè)觸摸控制點(diǎn)均可通過對應(yīng)的按鍵實(shí)現(xiàn)相同的操作，保證觸摸屏出現(xiàn)觸摸故障時(shí)，觸屏手持操控器也能通過按鍵實(shí)現(xiàn)對屏幕的操作。觸屏手持操控器與控制器之間采用20 m有線（拖拽網(wǎng)線）以太網(wǎng)通訊方式，保證了觸屏手持操控器與控制器之間的通訊數(shù)據(jù)量。觸屏手持操控器具有質(zhì)量輕、攜帶方便、操作與現(xiàn)實(shí)界面友好等特點(diǎn)。

3.4 應(yīng)急操作箱實(shí)現(xiàn)可靠的冗余操作

除獨(dú)立的觸屏手持操控器外，液壓同步頂升系統(tǒng)還專門設(shè)置了具有應(yīng)急操作手柄的應(yīng)急操作箱作為可靠的冗余操作裝置，在觸屏手持操控器操作失效的情況下，可通過操作應(yīng)急操作箱上的這些應(yīng)急操作手柄實(shí)現(xiàn)對各選定液壓缸的手動同步頂升與下降操作。應(yīng)急操作箱上具有手動/自動選擇開關(guān)、1號～8號液壓缸的選擇開關(guān)、上升按鈕、下降按鈕、故障復(fù)位按鈕、位置清零按鈕等完善的操作機(jī)構(gòu)。應(yīng)急操作箱采用簡單可靠的按鈕、旋鈕開關(guān)等機(jī)械式開關(guān)作為操作控制裝置，應(yīng)急操作箱與控制器之間采用并行電纜作為連接方式，避免了因電子觸摸屏老化、接觸不良、玻璃破損、無背光造成反應(yīng)延遲、花屏、白屏、黑屏等故障造成設(shè)備操作的不穩(wěn)定。以保證在觸屏手持操控器出現(xiàn)故障損壞時(shí)，控制系統(tǒng)還能在應(yīng)急操作箱模式下進(jìn)行應(yīng)急的、可靠的、穩(wěn)定的操作與處理。在應(yīng)急操作功能模式下可實(shí)現(xiàn)滿足精度要求的同步操作，但預(yù)設(shè)壓力與自動頂升行程、以及位移誤差值都不能隨意設(shè)置，程序內(nèi)采用默認(rèn)值，例如單次自動上升、下降行程為10 mm，位移誤差為1 mm，預(yù)定升壓力本裝置為4 MPa。

3.5 詳細(xì)的運(yùn)行與報(bào)警顯示記錄方便故障分析

控制系統(tǒng)配備大尺寸、高防護(hù)(IP65)的顯示屏作為運(yùn)行與報(bào)警的人機(jī)交互界面，顯示屏能詳實(shí)地顯示和記錄設(shè)備的各種運(yùn)行信息與故障信息。例如液壓缸實(shí)時(shí)的選定狀態(tài)、各液壓缸的位移設(shè)定值與實(shí)際位移值、各液壓缸之間的位移高差設(shè)定值與實(shí)際位移高差值、各液壓缸的壓力設(shè)定值與實(shí)際壓力值；能對故障信息進(jìn)行實(shí)時(shí)的更新報(bào)警提示，并建立帶時(shí)間顯示的歷史報(bào)警記錄庫，方便運(yùn)維人員對設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行了解與分析。歷史報(bào)警記錄庫可存儲256條以上的報(bào)警信息，按照報(bào)警信息產(chǎn)生的時(shí)間先后順序進(jìn)行自動排列，每條報(bào)警信息能顯示報(bào)警發(fā)生的時(shí)間、報(bào)警的代碼、報(bào)警的類型，并提示排除處理報(bào)警的措施與方法，如圖7所示。在對系統(tǒng)進(jìn)行故障分析時(shí)，可調(diào)用報(bào)警故障的歷史數(shù)據(jù)，分析各故障產(chǎn)生的時(shí)間、環(huán)境與頻次，方便對系統(tǒng)進(jìn)行全面綜合的評估分析。

圖7 故障報(bào)警記錄界面

3.6 頂升體自由選擇實(shí)現(xiàn)液壓缸的冗余

控制系統(tǒng)中在觸屏手持操控器或應(yīng)急操作箱模式下均可根據(jù)載荷狀況等工況要求自由靈活地對8個(gè)頂升體進(jìn)行任意的組合選擇使用。能在手動操作模式、預(yù)頂升操作模式以及自動頂升操作模式下對任意選擇的液壓缸進(jìn)行精確的手動操作、預(yù)頂升操作、以及自動同步頂升與下降控制。每個(gè)液壓缸都是采用一致的控制方式與PID算法，可在使用時(shí)實(shí)現(xiàn)液壓缸的自由替換和有效冗余。

3.7 完善的安全保護(hù)保證系統(tǒng)的可靠運(yùn)行

液壓同步頂升電氣控制系統(tǒng)具有完善的安全保護(hù)措施，主要安全保護(hù)為：操作系統(tǒng)零位保護(hù)功能、操作系統(tǒng)防誤操作功能、電動機(jī)電氣保護(hù)、操作系統(tǒng)緊急停車保護(hù)、油溫超高保護(hù)、液壓過高與油路堵塞報(bào)警、液壓缸高差保護(hù)、失電保護(hù)、防輻射措施等。

1）操作系統(tǒng)零位保護(hù) 當(dāng)控制系統(tǒng)重新上電或者進(jìn)行模式切換時(shí)，動作使能開關(guān)具有零位保護(hù)功能，即必須將動作位復(fù)零后才能重新使動作位動作有效。當(dāng)沒有進(jìn)行復(fù)零操作時(shí)，顯示屏界面上將進(jìn)行復(fù)零提示。

2）操作系統(tǒng)防誤操作 當(dāng)操作人員沒有按正確的操作要求進(jìn)行動作控制時(shí)，控制系統(tǒng)將拒絕動作并發(fā)出誤操作報(bào)警提示，防止危險(xiǎn)動作發(fā)生。例如：錯(cuò)誤的壓力值、位移值、以及位移誤差值設(shè)置，錯(cuò)誤的操作順序等。

3）電機(jī)電氣保護(hù) 在電氣主回路安全保護(hù)中，油泵電動機(jī)回路分別配置了斷路器進(jìn)行短路、缺相、過流保護(hù)，相序保護(hù)器進(jìn)行相序保護(hù)。

4）操作系統(tǒng)緊急停車保護(hù) 觸屏手持操控器、應(yīng)急操作裝置、主電控箱上設(shè)置了急停按鈕，主電控箱上設(shè)置了安全繼電器；當(dāng)出現(xiàn)緊急危險(xiǎn)情況時(shí)，操作人員可以直接按下觸屏手持操控器、應(yīng)急操作裝置、主電控箱上的急停按鈕，主電控箱的安全繼電器將產(chǎn)生動作發(fā)給控制器，各液壓缸與液壓電動機(jī)將立刻停止工作。在解除緊急狀況后，先將急停按鈕復(fù)位，然后按下故障復(fù)位按鈕對安全繼電器進(jìn)行故障復(fù)位，才能恢復(fù)正常的動作操作。

5）油溫超高保護(hù) 液壓主回路與油箱上設(shè)置了油溫檢測傳感器，當(dāng)檢測到液壓系統(tǒng)油溫過高時(shí)，控制系統(tǒng)將停止液壓缸運(yùn)行，并在操作界面上進(jìn)行油溫報(bào)警，同時(shí)啟動油溫散熱風(fēng)機(jī)。

6）液壓過高與油路堵塞報(bào)警 液壓主回路與各液壓缸回路上均設(shè)置了液壓回路壓力檢測傳感器，當(dāng)液壓系統(tǒng)油路出現(xiàn)液壓過高與油路堵塞時(shí)，控制系統(tǒng)將停止液壓缸運(yùn)行，并在操作界面上進(jìn)行液壓過高與油路堵塞報(bào)警。

7）液壓缸高差保護(hù) 在自動同步操作運(yùn)行時(shí)，當(dāng)出現(xiàn)液壓缸之間高度位置大于設(shè)定值時(shí)，設(shè)備將停止相應(yīng)方向的位置運(yùn)行并報(bào)警。

8）失電保護(hù) 在控制系統(tǒng)失去電源情況下，液壓機(jī)構(gòu)電磁閥將自動鎖死，設(shè)備將不會產(chǎn)生任何位移。

9）防輻射措施 因電氣系統(tǒng)的使用環(huán)境有一定的抗輻射要求，所以電氣系統(tǒng)中使用的單獨(dú)安裝的元器件選用了本身具有一定防輻射功能的產(chǎn)品，采用金屬外殼并可靠接地；對于集中布置電氣元件的電氣屏柜選用全密封金屬外殼的電氣箱體，其鋼板厚度滿足使用環(huán)境要求，同時(shí)采用專用的PE接地線進(jìn)行可靠的接地；電纜均選用金屬屏蔽的防輻射電纜。為了防止電磁干擾，觸屏手持操控器與控制器之間，應(yīng)急操作箱與控制器之間均采用有線形式連接，考慮到整體安全性、攜帶便捷性、通訊數(shù)據(jù)容量要求及穩(wěn)定性，其連接電纜采用滿足觸屏操控與應(yīng)急操作要求長度的屏蔽控制電纜。

4 結(jié)語

主泵安裝是核電機(jī)組設(shè)備安裝的關(guān)鍵步驟之一，其拆裝工具直接影響主泵安裝質(zhì)量和施工效率。本文闡述了CAP1400屏蔽主泵安裝小車的液壓頂升系統(tǒng)部件的相關(guān)設(shè)計(jì)及功能原理與特點(diǎn)，為設(shè)備國產(chǎn)化的順利開展提供保障。