（机械电子工程专业论文）液压绞车能量回收试验台控制系统研究.pdf

摘要 摘要 液压绞车试验台是用来检测不同厂家不同型号液压绞车质量及寿命的实验装置，能够 能量回收的液压绞车试验台可以有效的减少系统节流损失，最大限度的节约能源。 本文在系统分析液压绞车能量回收试验台工作原理的基础上利用自动化技术的相关 理论提出一整套可靠的闭环控制力_ 案有效保证液压绞车试验台的工作速度和工作拉力， 并利用西门子可编程控制器完成了相关控制系统的搭建以及程序的编译工作。 与此同时，本文引入人机对话理论，用m c g s 工控组态软件设计完成人机界面，方 便工作人员室内监控整套试验台的工作状况，轻松完成相关实验数据的收集整理，井可将 数据以报表形式输出打印。 本文最后利用a m e s i m 建模仿真软件真实仿真系统正向回收时的工况曲线，并用 m a i l a b 做了相关p i d 控制程序的仿真曲线，井在此基础上简要介绍了模糊控制的部分 内容，为整套控制方案的改进做了有意义的探索。 关键词：可编程控制器，液压绞车试验台，p i d 程序，人机件化，a m e s i m ，能量回收 a b s t r a c t t h eh y d r a u l i cw i n c ht e s ts t a n di su s e dt od e t e c tq u a l i t yo rw o r k i n gl i f eo fa l lk i n d so fw i n c h e s f r o md i f f e r e n t sf a c t o r s t h et e s ts t a n dw i t he n e r g yr e c y c l i n gf u n c t i o nw o u l dr e d u c et h r o t t l el o s e e f f c t i v l ya n d s a v ee n e r g ya sm u c ha sp o s s i b l e a n a l y s i s i n go nt h ew o r k i n gp r i n c i p l eo f t h et e s ts t a n ds y s t e m a t i c a l l y , t h i sp a p e ri n t r o d u c e sas e t o fr e l i a b l ec l o s el o o pc o n t r o lp l a na tt h eb a s eo ns y s t e m a t i ca n a l y s i so ft h et e s ts t a n db y e l e c t r i c i t ya u t o m a t i o nt e c h n i q u e a tt h es a m et i m e ，i nu s eo fp r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e ro f s i e m e n st oc o m p l e t et h ep r o g r a m sa n dm a k es u r et h ep a r a m e t e ro fw i n c h t e s ts t a n d m a n m a c h i n ec o n v e r s a t i o nt h e o r yi si n t r o d u c e df o rm o n i t o r i n gt h ew h o l ew o r k i n gp r o c e s s u s i n gm c g ss o f e w a r e ，d a t a sc a r lb ec o l l e c t e d 、a r r a n g e da n dp r i n t e d i nr e p o r tf o r me a s i l y a tt h ee n do ft h i sp a p e r , a m e s i ms o f t w a r ea n dm a t l a bs o f t w a r ei su s e dt os i m u l a t et h ep a r t s o fp i dp r o g r a m s t h ef u z z yl o g i cc o n t r o lt h e o r yi sr e f e r e n c e dt oi m p r o v et h ew h o l ec o n t r o l p r o g r a m s a n da l s op r o v i d e a na v a i l a b l ew a yt oe x p o r i n gt h eb e s tc o n t r o lm e t h o d ， k e yw o r d s ：p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r , h y d r a u l i cw i n c h t e s ts t a n d ，p i d ，h u m a n - m a c h i n e s y s t e m ，a m e s i m ，e n e r g yr e c y c l i n g i i 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名：矜善旌 2 州j 年弓月日 j 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务：学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：税短 一7 年 月日 绪论 1 1 课题来源及研究意义 第一章绪论 本课题系上海同济大学与中国水产科学研究院渔业机械仪器研究所合作承担的农业 部建设项目。 液压绞车试验台是用来检测不同厂家不同型号液压绞车质量及寿命的实验装置，需要 长时间运行，以测试液压绞车的受力、寿命和稳定性等各方面的性能。传统的液压绞车试 验台( 如节流型) 都是将加载泵的出口高压油通过节流阀流回油箱，在这个过程中，高压 油的能量全部转化为热能，通过各种方式散发出去白白浪费。而进行寿命试验，又需要试 验台长时间的运转，这样就势必造成巨大的能量浪费。非但如此，节流损失产生的热量会 使系统的液压油温度过高，会严重影响机器的正常使用、降低液压元件的使用寿命，并增 加工程机械的维修成本，甚至造成严重后果。如果在液压绞车试验台中运用能量循环利用 的新技术，那么在很大程度上能减少能量的浪费，并减少节流发热，不但有益于整个系统 的长时间正常运转，而且其产生的经济效益也将非常可观，因此在本文中介绍一种具有能 量回收功能的液压试验台。 能量回收液压试验台长时问运转i | i 希望能够做到无人监管，自主反复完成整个试验过 程，因此本文的重点是如何采用合理的控制方案实现试验台在无入监控的环境下很好的完 成整个试验过程，并完成相关数据的记录与整理，这就引入了自动化技术的概念。自动化 技术是- f 3 跨学科的高新技术产业，广泛应用于现代工业、现代农业与交通、科学研究和 国防工业巾。2 0 世纪9 0 年代控制系统已进入开放式、智能化的时代，微电子技术、计算 机技术、通信网络技术与自动控制技术继续迅速发展，作为自动化技术的各种仪表设备与 控制装置也获得突飞猛进的发展。工业控制与自动化的发展与信息化、数字化、智能化、 网络化的技术潮流相关，p l c 可编程序逻辑控制器是一种具有逻辑、定序、定时、计数、 四则运算以及p i d 运算特殊功麓的数字式工业顺序控制器，适用于间歇过程和机械加工过 程的常规控制，囝际卜有百家制造厂商生产p l c 产品，其型号品种有3 0 0 多种。p l c 控制 系统采用图形化编程语言，包括顺序功能图与流程图，帮助机器控制人员去编制程序，可 实现更加复杂的控制功能2 1 s l 。 综上可见，本次课题我们着重研究如何实现能量回收在液压绞车试验台中的应用，以 节约能源，提高能源的有效利用率，并利用p l c 以及相关的传感器元件完成整套液压系统 的控制理论研究工作，这不但理论意义重大，而且有着很高的实际使用价值。最为值得关 注的是本文在最后利用a m e s i n 以及m a t l a b 等软件真实仿真系统工作曲线，引入模糊控制 理论，为控制系统的搭建提供了必要的理论支持，以及为其优化方向做了有意义的探索。 绪论 1 2 国内外可编程控制器的研究现状 作为本论文的重点，工业控制技术的发展动态尤为值得关注。工业控制计算机( 简称 工控机) 是以计算机技术为基础的新型工业控制装置，目前已成为工业控制的标准设备， 被广泛地应用于各行各业，工控机是实现生产自动化的最佳配套产品，而工业可编程序控 制器( p l c ) 则在工控领域中也占有主要的地位6 1 、9 1 。 一、我国工业控制计算机的发展 2 0 世纪4 0 年代末5 0 年代初，我国的流程工业规模很小，设备陈旧，必要的调节主 要靠最简单的测量仪表由人工操作运行。5 0 年代末6 0 年代初，我阑研制生产的传感器、 变送器、调节器、执行器等，基本上能显示过程状态，实现调节意图，最终命令执行器完 成对工艺流程的调节要求。7 0 年代初，我国自行研制的工控机开始应用于工业过程控制， 它部分地取代了原来控制室内的仪表。但由于受当时电子器件性能的限制，工控机本身的 可靠性远不如现在，工控机带来的控制集中引起“危险”集中。7 0 年代末，分散型控制 系统( d c s ) 进人工控领域，解决了“危险”集中的问题，还解决了一些复杂的控制。d c s 可建立通信网络，为大工厂生产带来许多方便，但其价格一直居高不下。8 0 年代初，适 应性较强的总线型工控机( s t d ) 应运而生，s t d 总线技术的推广和应用，使工控机的功能 更加强化。 二、工j l k 可编程序控制器( p l c ) 发展趋势 p l c 作为工控机的一员，在主要工业国家中成为自动化系统的基本电控装置，其发展 面临着其它行业工控产品的严峻挑战。为了适应市场的需要，p l c 的发展主要表现为以下 几个方面： 1 微型、小型p l c 功能明显增强 很多有名的p l c 厂家相继推出高速、高性能、小型、持别是微型的p l c 。三菱的f x o s l 4 点( 8 个2 4 v d c 输入，6 个继电器输出) ，其尺寸仅为5 8 m m * 8 9 m m ，仅大于信用卡几个毫米， 而功能却有所增强，使p l c 的应用领域扩大到远离工业控制的其它行业，如快餐厅、医院 手术室、旋转门和车辆等，甚至引入家庭住宅、娱乐场所和商业部门。 2 集成化发展趋势增强 由于控制内容的复杂化和高难度化，使p l c 向集成化方向发展，p l c 与p c 集成、p l c 与d c s 集成、p l c 与p i d 集成等，并强化了通讯能力和网络化，尤其是以p c 为基础的控 制产品增长率最快。p l c 与p c 集成，即将计算机、p l c 及操作人员的人机接口结合在一起， 使p l c 能利用计算机丰富的软件资源，而计算机能和p l c 的模块交互存取数据。以p c 机 为基础的控制容易编程和维护用户的利益，开放的体系结构提供灵活性，最终降低成本和 提高生产率。 3 向开放性转变 p l c 存在严重的缺点， 主要是p l c 的软、硬件体系结构是封闭而不是开放的，绝大 绪论 多数的p l c 是专用总线、专用通信网络及协议，编程虽多为梯形图，但各公司的组态、寻 址、语文结构不一致，使各种p l c 互不兼容。国际电工协会( i e c ) 在1 9 9 2 年颁布了i e c l l 3 1 - - 3 可编程序控制器的编程软件标准，为各p l c 厂家编程的标准化铺平了道路。现在开 发以p c 为基、在w i n d o w s 平台下，符合i e c i l 3 1 3 国际标准的新一代开放体系结构的 p l c 正在规划中。 4 我国工业可编程序控制器( p l c ) 发展 我国的p l c 生产目前也有一定的发展，小型p l c 已批量生产；中型p l c 已有产品；大 型p l c 已开始研制。国内p l c 形成产品化的生产企业约3 0 多家，国内产品市场占有率不 超过1 0 。随着微处理器、网络通信、人机界面技术的迅速发展，工业自动化技术日新 月异，各种产品竞争激烈，新产品不断涌现。p l c 也由最初的只能处理开关量而发展到 可以处理模拟量和数据，加之与d c s 、p i d 调节器、工业p c 等技术相结合，使之不再是 一种简单的控制设备，而且必将随着自动控制技术的不断发展而发展生存下去。 三、单片机发展趋势 自单片机出现至今，单片机技术已走过了近2 0 年的发展路程。纵观2 0 年来单片机发 展历程可以看出，单片机技术的发展以微处理器( m p u ) 技术及超人规模集成电路技术的发 展为先导，以广泛的应用领域拉动，表现出较微处理器更具个性的发展趋势。 1 单片机长寿命。 这里所说的长寿命，一方面指用单片机开发的产品可以稳定可靠地工作十年、二十年， 另一方面是指与微处理器相比的长寿命。随着半导体技术的飞速发展，m p u 更新换代的速 度越来越快，以3 8 6 、4 8 6 、5 8 6 为代表的m p u ，很短的时间内就被淘汰出局，而传统的单 片机如6 8 h c 0 5 、8 0 5 1 等年龄已有1 5 岁，产量仍是上升的。这一方面是由于其对相应应用 领域的适应性，另一方面是由于以该类c p u 为核心，集成以更多i o 功能模块的新单片机 系列层出不穷。可以预见，一些成功上市的相对年轻的c p u 核心，也会随着i o 功能模块 的不断丰富，有着相当长的生存周期。新的c p u 类型的加盟，使单片机队伍不断壮大，给用 户带来了更多的选择余地。 2 8 位、1 6 位、3 2 位单片机共同发展。 这是当前单片机技术发展的另一动向。长期以来，单片机技术的发展是以8 位机为主 的。随着移动通讯、网络技术、多媒体技术等高科技产品进入家庭，3 2 位单片机应用得 到了长足发展。以 o t o r o l a6 8 k 为c p u 的3 2 位单片机9 7 年的销售量达8 千万枚。过去 认为由于8 位单片机功能越来越强，3 2 位机越来越便宜，使1 6 位单片机生存空间有限， 而1 6 位单片机的发展无论从品种和产量方面，近年来都有较大幅度的增长。 3 单片机速度越来越快。 m p u 发展中表现出来的速度越来越快是以时钟频率越来越高为标志的。而单片机则有 所不同，为提高单片机抗干扰能力，降低噪声，降低时钟频率而不牺牲运算速度是单片机 技术发展之追求。一些8 0 5 1 单片机兼容厂商改善了单片机的内部时序，在不提高时钟频 绪论 率的条件下，使运算速度提高了很多，m o t o r o l a 单片机则使用了琐相环技术或内部倍频 技术使内部总线速度大大高于时钟产生器的频率。6 8 h c 0 8 单片机使用4 9 m 外部振荡器而 内部时钟达3 2 m ，而m 6 8 k 系列3 2 位单片机使用3 2 k 的外部振荡器频率内部时钟可达1 6 m h z 以上。 4 低电压与低功耗。 自8 0 年代中期以来，n m o s 工艺单片机逐渐被c m o s 工艺代替，功耗得以大幅度下降， 随着超大规模集成电路技术由3i im 工艺发展到1 5 、1 2 、0 8 、0 5 、0 3 5 近而实现0 2 pm 工艺，全静态设计使时钟频率从直流到数十兆任选，都使功耗不断下降。m o t o r o l a 最 近推出任选的m c o r e 可在1 8 v 电压下以5 0 m 4 8 m i p s 全速工作，功率约为2 0 m w 。几乎所 有的单片机都有w a i t 、s t o p 等省电运行方式。允许使用的电源电压范围也越来越宽。一 般单片机都能在3 到6 v 范围内工作，对电池供电的单片机不再需要对电源采取稳压措施。 低电压供电的单片机电源下限已由2 7 v 降至2 2 v 、1 8 v 。0 9 v 供电的单片机已经问世。 5 低噪声与高可靠性技术。 为提高单片机系统的抗电磁干扰能力，使产品能适应恶劣的工作环境，满足电磁兼容 性方面更高标准的要求，各单片机商家在单片机内部电路中采取了一些新的技术措施。如 美国国家半导体n s 的c o p 8 单片机内部增加了抗e m i 电路，增强了“看门狗”的性能。 m o t o r o l a 也推出了低噪声的l n 系列单片机。 6 o t p 与掩膜。 o t p 是一次性写入的单片机。过去认为一个单片机产品的成熟是以投产掩膜型单片机 为标志的。由于掩膜需要定的生产周期，而o t p 型单片机价格不断下降，使得近年来直 接使用o t p 完成最终产占占制造更为流行。它较之掩膜具有牛产周期短、风险小的特点。近 年来，o t p 型单片机需量大幅度上扬，为适应这种需求许多单片机都采用了在片编程技术 ( i ns y s t e mp r o g r a m m i n g ) 。未编程的o t p ：醛片可采用裸片b o n d i n g 技术或表面贴技术， 先焊在印刷板上，然后通过单片机上引出的编程线、串行数据、时钟线等对单片机编程。 解决了批量写o t p 芯片时容易 h 现的芯片与写入器接触不好的问题。使o t p 的裸片得以 广泛使用，降低了产品的成本。编程线与i o 线共用，不增加单片机的额外引脚。而一些 生产厂商推出的单片机不再有掩膜型，全部为有i s p 功能的o t p 。m t p 向o t p 挑战m t p 是 可多次编程的意思。一些单片机厂商以m t p 的性能、o t p 的价位推出他们的单片机，如a t m e l a v r 单片机，片内采用f l a s h ，可多次编程。华邦公司生产的与8 0 5 1 兼容的单片机也采 用了m t p 性能，o t p 的价位。这些单片机都使用了i s p 技术，等安装到印刷线路板上以后 再下载程序。 实事说明我国的应用工程师已经能够综合各类单片机的性能、价格等方面的因素并结 合应用对象进行选择。较过去以剖析、复制外国产品为主的思路有了相当的改进。随着我 国经济实力的增长，开发新产品的思路上过去那种过多注重价格因素而使新产品开发上不 了档次的弱点有所改善，开始注意使用当前最先进的单片机开发高档次的产品。 4 绪论 由于单片机的开发手段目前仍以仿真器为主，公司能否提供廉价的仿真器，提供方便 的技术服务与培训，较之能否提供高性能、低价位的单片机有着同等的重要性。各单片机 厂商在开发工具以及技术服务方面也进行着激烈的竞争。这种竞争与推出新型的单片机以 显示高技术方面的优势是相辅相成的。竞争的结果是为单片机应用工程师提供更广阔的选 择空间，而最终受益的是单片机产品的消费者，由于单片机对各行各业都有用，这种电子 技术的进步导致各行各业的进步，也带动了人类文明的进步。 四、现场总线发展趋势 电厂自动化中多年来一直由分散控制系统( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ，d c s ) 占据 主导地位。计算机控制系统的发展在经历了基地式气动仪表控制系统、电动单元组合式模 拟仪表控制系统、集中式数字控制系统以及集散控制系统( d c s ) 后，今后将朝着现场总 线控制系统的方向发展。现场总线( f i e l db u s ) 是指现场仪表和数字控制系统输入输出之 间的全数字化、双向、多站的通讯系统。现场总线技术近年来成为计算机工业控制界关注 的一个焦点，其原因在于它向人们展示了一种全新的系统集成思想。 1 9 9 8 年8 月，中国第一套现场总线系统由国家电力公司热工研究院从美国 f i s h e r r o s 伽o u n t 公司引进，该系统采用p l a n t w e b t m 基于现场结构的最新技术，同时也 是在中国第一次运用f f 技术。它将智能化现场设备、规模可变的平台和模块化软件结合 在一起，实现过程控制。这套系统将用于国内大中型火力发电厂汽轮机性能考核测试，它 包括套d e l t a v 规模可变的过程控制系统、a m s 设备管理系统以及1 0 0 余套基于f f 技术 的压力温度变送器。该项目的引进也标志着我国电力自动化技术进入了一个新时代。 1 9 9 6 年1 0 月，在美国芝加哥举行的9 6 i s a 展览会上，醒口地展现了基金会现场总线； 1 9 9 8 年4 月在北京举行的多国仪器仪表展览会上，名日繁多的现场总线产晶，更是给人 一种现场总线已是大势所趋的感觉。1 9 9 8 年的中国控制会议上，专门安排了现场总线控 制系统的大会专题报告，表明现场总线技术不仅是工业控制系统的必然趋势，同时也成为 控制理论研究的新方向。现场总线技术的兴起，推动了d c s 的全面革新，为工业自动化实 施先进控制策略创造了条件，同时也有力地推动了计算机通信等相关技术的迅速发展。 现场总路线将成为工业控制发展的革命性飞跃，近年来，有关现场总线的报道层出不 穷，其中令人关注的焦点集中在以下两个方面： 1 能否出王见全世界统一的现场总线标准。 这一热点问题涉及目前为什么会出现几种现场总线并存，这其中除了技术卜的竞争 外，商业利益上的激烈竞争是其主要原因。对于现场总线形成巨大影响的a 动化厂商，因 为要尽可能维护自身的地位和利益而不愿放弃其已拥有的现场总线，这些总线已经有成千 上万个节点安装在现场，成为事实上的标准。在未来较长的一段时间内，现场总线标准之 争会越演越烈。刁i 同的现场总线有4 同的功能，各有其适用的场合，靠一种现场总线打天 下的想法看来不太现实。当然，从另一方面来讲，相当一部分现场总线是大同小异的，技 术上非常接近，在优胜劣汰的环境下i 一类总线终将趋于统一。凶而今后几年内很难说谁的 5 绪论 标准能够统领现场总线，而应该说谁将成为主流总线技术。可以说，对于未来的工业控制 系统，谁能统领现场总线标准，它在工业控制界的作用和影响将相当于微软公司在计算机 领域的地位。 2 现场总线能否全面取代现时风靡世界的d c s 系统。 现场总线尚处于发展阶段，总体来讲，工业控制系统将朝着现场网络集成自动化系统 体系结构的方向发展。由于现场总线具有巨大优势，所以人们都认为它取代传统的d c s 系统是必然趋势。当然，就技术而言，从1 9 7 5 年h n e y w e l l 公司推出世界上第一套集散控 制系统以来，d c s 经历了2 0 多年的发展和完善，依靠其灵活方便和功能丰富的组态功能 以及可靠的网络通信能力，已在工业控制中获得广泛应用。就目前而言，领导世界d c s 发展的几家著名公司也在积极地改进和升级它们的产品，d c s 也在朝着开放性、分散性与 可互操作性方向发展。因而d c s 在未来几年里仍然是工业控制的主流。 通过以上对于p l c 、单片机以及现场总线的简要介绍，我们对市面卜流行的三种控制 方式有了感性的了解，在本论文中采用的是p l c 的控制系统，这是基于该控制系统的工业 特点所决定的。在本文的第二章中将会具体的介绍这几种控制方式的优缺点以及控制方式 的选择准则。 1 3 本文的主要工作 本课题主要内容以及拟解决的关键技术为： 1 、合理设计能量回收液压系统，并建立能量回收液压系统的数学模型； 3 、控制系统设计以及优化； 4 、组态界面的人性化设计； 5 、a m e s i l l l & 姒t l a b 仿真以及模糊控制优化 设计的难点 1 ) p i d 控制系统的优化； 2 ) 组态界面中数据处理，记录以及再现功能。 6 第二章可编程控制器控制程序设计 第二章可编程控制器控制程序设计 液压绞车试验台要求能够满足液压绞车在实际工作过程中的额定拉力与额定速度的 要求，在控制程序设计之前简要介绍液压绞车的工作要求以及试验台的工作原理。 2 1 液压绞车试验台及其设计要求 表2 1 液压绞车基本参数表 绞绳额定拉 绞绳额定速度钢丝绳直径 容绳量主卷筒底径主卷简长度 力( 埘)( m m i n 一) ( 川，1 )( 朋) 伽)( 朋) 5 08 0 2 42 0 0 00 4 60 9 ( 1 ) 绞绳额定拉力和额定速度均为l 3 绳索处的拉力和速度； 2 ) 辅卷筒规格：底径为6 0 0 r a m ，滚筒长度为1 2 m ； ( 3 ) 标准增速箱传动比2 = 6 3 ，最高转速设定为1 5 0 0 r m i n ，超过最高转速时需限速； ( 4 ) 马达的工作压力为1 5 帔； ( 5 ) 加载泵排量范h 习为：4 6 1 6 0 m 1 r ，最高转速由增速箱决定，即为1 5 0 0 r m i n ： ( 6 ) 设计时，除l 3 绳索处满足额定绞绳拉力速度外，其他位置的绞绳拉力和速度速不作 要求，液j 玉绞车基本参数见表2 1 。 2 2 液压绞车试验台畿量回收液压系统 根据液压绞车试验台的设计要求，图2 1 为设计的能量回收液压系统，简述其回收节 能原理。 能量回收正向卷取启动时，三位电液换向阀5 左位工作，起升马达驱动主卷筒1 4 转 动，同时通过钢丝绳和滑轮带动副卷筒1 2 转动，副卷简驱动加载泵l o ，加载泵输出的高 压油反馈给起升马达，实现能量回收。 能量回收反向收绳启动时，三位电液换向阀5 右位工作，加载泵1 0 驱动辅卷筒转动， 同时通过钢丝绳和滑轮带动丰卷简1 4 转动，丰卷筒驱动起升马达转动，起升马达输出的 高挂油反馈给加载泵1 0 ，实现能量同收1 们。 7 第二章可编程控制器控制程序设计 图2 1 能量回收液压系统方案 卜辅助泵1 ；2 一辅助泵2 ；3 一先导式溢流阀：4 一先导式溢流阀；5 一三位电液换向阀：6 _ 比例溢流阀；7 一 比例溢流阀：8 一比例溢流阀；9 一加载泵；l o _ 扭矩仪；1 卜增速箱；1 2 - 辅卷筒；1 3 - 转速传感器：1 4 一 主卷筒；1 5 一调试卷扬机构；互一电磁流量计；气，乏，吩一压力变送器( 压力传感器) 2 2 1 液压系统控制流程 在此不能就整个控制系统程序做详细的说明介绍，只对其中三个控制要点：正向卷取 速度控制、正向卷取拉力控制、反向收绳控制与正反向转换等，做文字上的控制说明，希 望能通过此三个控制要点的说明可以将控制中的难点一一摆明。 2 2 i 1 正向卷取速度控制p i d 程序说明 正向速度的调节起丰要作用的是辅助泵2 的供油量，在理想状态是保证试验绞车恒转 速输出，不过随着主卷筒绞绳层数的增加，辅助卷筒的转速会越来越快，同时为了保证加 载泵1 0 最高转速不超过1 5 0 0 r r a i n - 1 的要求，凶此需要调节辅助泵2 的排量值，以保证加 第二章可编程控制器控制程序设计 载泵的最高转速。检测主卷筒转速的传感器是转速传感器1 3 ，在正向卷取的初始阶段， 通过转速传感器1 3 检测主卷筒转速，保持当量转速不变。在三分之一钢丝绳绳长处，要 求钢丝绳的绳速为8 0 m v a i n ，当量转速2 9 3 r m i n 。若当量转速超过2 9 3 r r a i n 一，减少 辅助泉2 的输出流量，使当量转速下降到2 9 3 r r a i n 一：若当量转速小于2 9 3 r m i n ，增 大辅助泵2 的输出流量，使当量转速上升到2 9 3 r m i n 。随着主卷筒不断卷取钢丝绳， 主卷筒的轴转速( 即当量转速) 维持2 9 3 r m i n - 1 不变，而辅卷筒不断放绳，传动比不断 增大，使得加载泵1 0 的转速不断上升，但由于增速箱1 2 最高转速为1 5 0 0 r m i n 一，所以 控制加载泵1 0 转速维持在1 5 0 0 r m i n - 1 不变。通过扭矩仪1 1 检测加载泉1 0 转速。若加载 泵1 0 转速超过1 5 0 0 r m i n ，减少辅助泵2 的输出流量，使当量转速- 卜降到1 5 0 0 r r a i n ； 若加载泵1 0 转速小于1 5 0 0 r m i n 一，增大辅助泵2 的输出流量，使当量转速上升到 1 5 0 0 r m i n 一。如下图2 1 5 ，其中，l 。即是主卷筒的当量转速，设定值为2 9 3 r m i n ，但 可以根据具体实际转速要求调节，2 9 3 r m i n - 1 只是理论数值。 图2 1 5 控制辅助泵2 流程图 辅助泵1 主要用来补充起升马达和加载泵的泄漏量和溢流阀7 的溢流量( 一般为 1 0 1 5 l m i n - 1 ) ，以及调试卷扬机构中起升马达与加载泵参数不相匹配所引起的流量差， 由流量计互控制。如下图2 1 6 9 第二章可编程控制器控制程序设计 图2 1 6 控制辅助泵1 流程图 2 2 1 2 正向卷取拉力控制p i d 程序说明 正向卷取工况要求在三分之一钢丝绳绳长处，钢丝绳的拉力为5 0 k n 。由于所选用的 加载泵排量有限制，加载泵选用1 6 0 泵，1 6 0 泵的排景变化范围4 6 1 6 0 r a l 厂。在正向 卷取的初始阶段，加载泉1 0 的配合参数与起升马达的配合参数不相匹配，顾加载泉1 0 全排量工作，同时设定溢流阀6 的调定压力( 由压力变送器只检测) 。由于传动比不断增 大，需通过降低逐渐降低溢流阀6 的调定压力，使其参数相匹配。当溢流阀6 的一定值时， 加载泵l o 不再全排量工作了。此时不改变溢流阀6 的调定值，通过调节加载泵1 0 的排星， 使辅助泵2 的出1 2 1 压力维持不变，压力值由压力变送器只检测。在某些情况下，在正向 卷取的末尾阶段，加载泵1 0 的配合参数与起升马达的配合参数也会出现不相匹配的情况， 加载泵1 0 最小排量工作，溢流阀6 调定在设定值，不变化，辅助泵2 的出口压力自动升 高，推动加载泵转动，系统继续运转，直至正向卷取过程结束。如下图2 1 7 ，其中只设 定值与只设定值根据实际试验设定，现暂定均为4 m p a 。 图2 1 7 控, n d n 载泵1 0 排量流程图 1 0 第二章可编程控制器控制程序设计 2 2 1 3 反向收绳控制说明 液压系统反向收绳工况由于没有收绳的拉力与速度要求，所以原则上保证收绳顺利完 成即可，不需要特别使用p i d 闭环控制环节。 能量回收反向收绳启动时，加载泵1 0 驱动辅卷筒转动，同时通过钢丝绳和滑轮带动 主卷筒转动，主卷筒驱动起升马达转动，起升马达输出的油量提供给加载泵1 0 ，实现能 量回收。起升马达输出的流量其中部分流量通过溢流阀7 或溢流阀8 溢流，使加载泵1 0 的入口压力和起升马达的出口压力维持在溢流阀的设定值，保证钢丝绳的收绳拉力。辅助 泵2 给起升马达低压供油。加载泵1 0 回油流量进过换向阀5 ，再进过溢流阀6 回油箱。( 见 图2 6 能量回收反向收绳原理图) 能量回收反向收绳工况说明： ( 1 ) 在能量回收反向收绳工况时，三位电液换向阀5 处于右位工作； ( 2 ) 在反向收绳的初始阶段，比例溢流阀7 调定压力根据反向收绳拉力要求调定，比 例溢流阀8 不工作；在反向收绳的末尾阶段，即加载泵l o 全排量工作时，比例 溢流阀7 不工作，溢流阀8 的调定压力根据反向收绳拉力要求调定； ( 3 ) 手动调节先导式溢流阀3 ，调至最高使用压力5 m p a ，起到保护辅助泵l 的安全； ( 4 ) 手动调节先导式溢流阀4 ，调全最高使用压力5 m p a ，起到保护辅助采2 的安全： ( 5 ) 溢流阀6 调定在1 2 5 m p a ，保证加载泵1 0 的最小出口压力； ( 6 ) 背压阀的调定压力为0 7 m p a ； ( 7 ) 在反向收绳工况时，由于起升马达排油量远人于加载泵1 0 ，所以辅助泵1 不工作； ( 8 ) 在反向收绳的初始阶段，比例溢流阀7 调定压力根据反向收绳拉力要求调定值， 调定溢流阀8 的值比溢流阀阀7 高出l - - 2 m p a ，溢流阀8 不t 作。在初始阶段， 通过流量计e 检测溢流阀7 的溢流量，控制加载泵l o 的排量，使加载泵l o 的配 合参数与起升马达的配合参数相匹配。一般保证通过流量计只的流量为 1 0 l m i n ，较为合适。如果通过流量计曩的流量过大，流量计e 输出电信号控 制加载泵1 0 排量增大；反之，通过流量计e 的流量过小，流量计e 输出电信号 控制加载泵1 0 排量减小：达到要求流量计f 设定流量要求停止变化。随着，主 卷筒与辅助卷简直径比逐渐增大，加载泵l o 的排量也逐渐增大，最后即使加载 泵全排量工作，但还是无法满足起升马达的排油量要求。此时，加载泵1 0 仝排 量上作，调定溢流阀7 刁i 工作，溢流阀8 工作，溢流阀8 调定压力根据反向收绳 拉力要求，多余的流量从溢流阀8 溢流，同时保证收绳压力2 1 z 2 1 。 2 2 1 4 正反向工况转换程序说明 当绞绳正向卷取或反向收绳丁况完成时，绞绳负载力会变为无限大，由于起升 马达与加载泵l o 的排量限制，辅助泵2 的出u 压力将会持续升高。此压力值的测定 当绞绳正向卷取时由压力变送器只采集，当系统反向收绳时由压力变速器只采集。 第二章可编程控制器控制程序设计 当辅助泵2 的出口压力升高到某一设定值时，系统进行正反向转换。见下图2 1 8 所 二二 z 3 1 1 2 4 1 j 、0 d岫1v d 2 图2 1 8 正反向转换程序片段 2 2 2 主要元件工况说明 1 辅助泵l 在进行液压绞车试验时，辅助泵l 供应的流量主要补充起升马达和加载泵l o 的泄漏 量，溢流阀7 的溢流量，以及调试卷扬机构中起升马达与加载泵1 0 之间的流量差。一般 控制通过流量计f 的流量为l o 1 5 l m i n ，以调节辅助泵l 的排量，使其供油量不要过 大。 辅助泵1 只有在两种情况下不进行t 作：1 ) 当正向卷取时，起升马达的进油量小于 加载泵的排油量；2 ) 当反向收绳时，起升马达的排油量大于加载泵的进油量。 反向收绳时，如果起升马达的排油量与加载泵1 0 的进油量相差较大，溢流阀7 不工 作，溢流阀8 工作，多余的流量除了补充起升马达和加载泵1 0 的泄漏量外，全部进溢流 阀8 溢流：如果起升马达的排油量与加载泵1 0 的进油量两者相差较小，溢流阀7 工作， 通过流量计f 来控制加载泵1 0 的排量变化，溢流阀8 不工作。 2 辅助泵2 在正向卷取和反向收绳时，通过调节辅助泵2 的输出流量，来调节钢丝绳的绳速。转 速传感器1 3 测量主卷筒的转速。扭矩仪1 1 测量加载泵转速。 当正向卷取初始阶段，辅助泵2 给加载泵l o 提供流量，通过以转速传感器1 3 的设定 参数为基准，调节辅助泵2 的流量，维持主卷筒转速恒定：随着层数的不断变化，加载泵 的转速不断增大，在正向卷取的后半阶段，由于增速箱的最高转速为1 5 0 0 r m i n ，因此 调节辅助泵2 的流量，维持加载泵的转速不超过1 5 0 0 r m i n 。 当反向收绳初始阶段，辅助泵2 给起升马达提供流量，调节辅助泉2 的流量维持加载 泵的转速不超过1 5 0 0 r m i n ，当转速传感器1 3 测得达到主卷筒转速设定值时，通过调节 辅助泵2 的流量，使主卷筒转速维持在这一设定值。 3 先导式溢流阀3 1 2 2)，)，)2) 眦o，眦r，帅o，r， 汕 h 第二章可编程控制器控制程序设计 保护辅助泵1 ，手动调节，起卸荷作用，可与控制系统相连接，自动保护系统。在正 向卷取时，调定压力为3 0 m p a ；在反向收绳时，调定压力为5 m p a 。 4 先导式溢流阀4 保护辅助泵2 ，手动调节，调定压力为5 m p a ，起卸荷作用。可与控制系统相连接，自 动保护系统。 5 三位电液换向阀5 切换正向卷取和反向收绳两种工况。当正向卷取时，电液换向阀5 处于左位；当反向 收绳时，电液换向阀5 处于右位。 6 比例溢流阀6 比例电磁控制。在正向卷取时，起升马达输出的流量通过溢流阀6 回油箱：在反向收 绳时，加载泵输出的流量通过溢流阀6 回油箱。 7 比例溢流阀7 比例电磁控制，公称流量为2 0 0 l m i n ，实际流量考虑流量计只的公称流量为 1 0 1 5 l r a i n 。在正向卷取时，辅助泵1 工作，溢流阀7 工作，溢流阀7 的设定压力值 决定了钢丝绳的拉力；在反向收绳时，起升马达的输出油量略大予加载泉l o 的输入油量， 溢流阀7 工作，溢流阀7 的设定压力值决定了钢丝绳的收绳拉力。但是在反向收绳后阶段， 起升马达的输出油量远大于加载泵的输入油量，溢流量较大，溢流阀7 调定在较高腿力， 使其不工作。 8 比例溢流阀8 比例电磁控制，公称流量为4 0 0 l m i n 。在正向卷取过程中以及在反向收绳时，起 升马达的过油量略大于加载泵的过油量，溢流量较小，将溢流阀8 调定在较高压力，不工 作；在反向收绳时，起升马达的输出油量远大于加载泵的进油量，溢流量较大，溢流阀8 。工作，其设定压力值决定了钢丝绳的收绳拉力。 9 加载泵1 0 加载泵1 0 是液压系统的负载部分，用于保证绞绳的压力和速度控制在理论值附近， 因此加载泵1 0 的控制也有速度和排量两个方面。 1 ) 加载泵1 0 最高转速控制： 由于增速箱1 2 的最高转速不能超过1 5 0 0 r m i n 一，以扭矩仪1 1 测量的转速值来控制 辅助泵2 的流量。若扭矩仪l l 检测到转速超过1 5 0 0 r m i n 一，减小辅助泵2 所输出的流量， 降低加载泵1 0 的转速。 2 ) 加载泵l o 排量限制 在正向卷取的初始阶段，由压力变送器只检测溢流阀6 进口处压力，压力变送器只检 测辅助泵2 的出口压力，当检测到溢流阀6 进口压力值大于其设定值时，加载泵1 0 维持 在全排量工作，调节溢流阀6 的设定值，保持辅助泉2 的 n 口压力恒定；随着溢流阀6 的调定压力不断降低，当其值降低到设定值时，再通过调节加载泵1 0 排量，维持辅助泵 2 的出口压力不变。 第二章可编程控制器控制程序设计 在反向收绳的初始阶段，辅助泵1 不工作，溢流阀7 工作，通过调节加载泵1 0 排量， 使流量计e 测得溢流量维持在1 0 1 5 l m i n 一；随着加载泵l o 的排量不断增大，由于加 载泵1 0 排量有上限限制，所以当增大到上限值时，使加载泵1 0 全排量工作。 1 0 扭矩仪1 1 监测增速箱1 2 输出的扭矩和加载泵1 0 的转速。以便限制增速箱1 2 的最高转速不超 过1 5 0 0 r r a i n 一。 1 1 增速箱1 2 增速比f ，= 6 3 ，起到增速降扭的作用。 1 2 转速传感器1 3 在正向卷取初始阶段以及反向收绳末尾阶段，转速传感器1 3 监测主卷筒轴转速，以 便通过调节辅助泵2 的流量来调节主卷筒的转速维持恒定。 1 3 流量计只 在正向卷取时，辅助泵1 的排量由流量计鼻确定。一般控制流过流量计f 的流量为 1 0 1 5 l m i n 一。若超出，流量计输出电信号，调节辅助泵l 的排晕降低；若小于，流量 计输出电信号，调节辅助泉l 的排量增大。 在反向收绳的初始阶段，由流量计f 来控制加载泵1 0 的排量，使加载泵1 0 的进油 量略小于起升马达的排油量。一般控制流过流量计f 的流量为1 0 1 5 l m i n 一。若超出， 调节加载泵1 0 的排量降低；若小于，调节加载泵l o 的排量增人。在反向收绳的末尾阶段， 加载泉1 0 全排量上作，溢流阀7 和流量计f 刁工作，从溢流阀8 溢流。 1 4 压力变送器异，只，只 压力变送器用于监测各主要油路上的压力，起到控制和显示作用。 压力变送器只当正向卷取时，检测起升马达的入口压力，也是检测加载泵1 0 的 出口压力；当反向收绳时，检测起升马达的出口压力，也是检测加载泵1 0 的入口压力。 压力变送器只显示的压力值与绳子的拉力有关。 压力变送器只当正向卷取时，检测起升马达的出口压力；当反向收绳时，检测 辅助泵2 的出口压力，也是检测起升马达的入口压力。 压力变送器只当正向卷取时，检测辅助泵2 的出1 2 1 压力，也是检测加载泵1 0 的 入口压力；当反向收绳时，检测加载泵1 0 的出口压力。 2 3 能量回收正向卷取工况 2 3 1 能量回收正向卷取液压原理 将图2 1 中三位电液换向阀5 置于左位工作，可以得到能晕l n l 收正向卷取工况原理图，见下图2 2 1 4 第二章可编程控制器控制程序设计 图2 2 能量回收正向卷取工况原理图 2 3 2 能量回收正向卷取数学模型建立 图2 3 正向卷取时液压绞车t 作示意图 5 起升马达的当量排量q 。 将图2 2 简化为图2 3 所示，在正向卷取工况时，起升马达运转转矩经过减速箱( 传 动比) ，传递到主卷筒，带动主卷筒旋转，实现钢丝绳的卷取，在这一过程中，辅卷筒 不断释放钢丝绳，钢丝绳拉动辅卷筒进行旋转，并进过增速箱( 传动比之) 带动加载泵旋 1 5 第二章可编程控制器控制程序设计 转。由于不同型号的全液压绞车的参数不同，为了便于计算，将起升马达和减速箱视为一 个整体，作