惠勝利，陶杰，王儒，邢毅川，牟憲民

(1.海洋石油工程股份有限公司，天津300462;2.大連理工大學(xué)，遼寧大連116024)

作為海洋工程技術(shù)的重要組成部分，水下切割技術(shù)已經(jīng)成為海洋資源開發(fā)不可缺少的支撐技術(shù)。水下切割設(shè)備的驅(qū)動(dòng)多采用液壓傳動(dòng)技術(shù)。相對(duì)于機(jī)械傳動(dòng)、電氣傳動(dòng)以及氣壓傳動(dòng)，液壓傳動(dòng)技術(shù)具有力矩大、傳動(dòng)平穩(wěn)和自動(dòng)潤(rùn)滑等優(yōu)點(diǎn)［1］，被廣泛應(yīng)用于水下切割裝置的驅(qū)動(dòng)。

現(xiàn)有的水下切割裝置不具有速度指示和速度控制功能，運(yùn)行時(shí)操作人員根據(jù)經(jīng)驗(yàn)調(diào)整液壓系統(tǒng)的流量來(lái)控制液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)速。由于液壓系統(tǒng)內(nèi)泄漏和外泄漏的存在，很多工況下，特別是液壓馬達(dá)負(fù)載變化較大時(shí)，使用流量來(lái)估計(jì)液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速會(huì)產(chǎn)生較大的誤差，而且控制的實(shí)時(shí)性也不能保證。為此實(shí)現(xiàn)液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速和水下切割裝置速度的自動(dòng)控制十分必要。

水下檢測(cè)是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，復(fù)雜的工作環(huán)境及較高的精度要求使一些常用的檢測(cè)方法難于實(shí)施。特別是深水檢測(cè)，其壓力大、傳輸距離遠(yuǎn)和能見度低等惡劣條件，大大增加了水下切割裝置的控制難度［2］。文中設(shè)計(jì)的方案采用PLC 遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速，折算成水下切割裝置的運(yùn)行速度，利用流量調(diào)節(jié)閥調(diào)整液壓馬達(dá)的流量，使用PID 控制器控制切割裝置的運(yùn)行速度。該系統(tǒng)可以完成切割速度的設(shè)定以及自動(dòng)控制，達(dá)到精確切割的目的。

1 系統(tǒng)概況

水下切割裝置的液壓控制系統(tǒng)的原理框圖如圖1所示。系統(tǒng)為定壓系統(tǒng)，采用閥控液壓馬達(dá)方式運(yùn)行，主要由油泵、液壓閥、壓力表、節(jié)流閥、換向閥和液壓馬達(dá)構(gòu)成。液壓泵向液壓馬達(dá)提供動(dòng)力，壓力表顯示壓力，流量計(jì)顯示液體流量，經(jīng)由節(jié)流閥的液體驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)，再通過(guò)減速機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)切割裝置。其中手動(dòng)換向閥用來(lái)改變液壓馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)方向，實(shí)現(xiàn)切割裝置正向和反向運(yùn)行。

圖1 原有手動(dòng)液壓系統(tǒng)控制回路原理圖

系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)，操作人員觀察流量計(jì)的指示流量，通過(guò)調(diào)節(jié)節(jié)流閥的開度，調(diào)節(jié)系統(tǒng)中流量的大小，來(lái)控制液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)對(duì)切割速度的控制。給出了液體流量和切割裝置運(yùn)行速度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，如表1所示，用于手動(dòng)控制時(shí)估算切割裝置的運(yùn)行速度。

表1 流速及運(yùn)行速度對(duì)應(yīng)表

從表1 可以看出:給出的液體流速和對(duì)應(yīng)的切割速度基本滿足線性關(guān)系，但僅給出了少數(shù)幾個(gè)工作點(diǎn)。操作人員一邊觀察流量，一邊調(diào)節(jié)流量，不能實(shí)現(xiàn)切割速度的精確控制。另外，由于液壓控制系統(tǒng)中存在內(nèi)部泄漏和外部泄漏，隨著切割過(guò)程中液壓馬達(dá)負(fù)載的變化，泄漏量也不同，用流量估計(jì)切割裝置的運(yùn)行速度產(chǎn)生的誤差較大［3］。

2 改造方案

為實(shí)現(xiàn)切割速度的精確控制，需要采用速度傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)切割速度，和設(shè)定速度進(jìn)行比較，利用控制器控制液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)切割速度的自動(dòng)控制。

圖2 切割速度自動(dòng)控制回路原理框圖

2.1 速度檢測(cè)方法

水下切割速度檢測(cè)可以采用多種方案實(shí)現(xiàn)。針對(duì)水下切割裝置的工作情況，考慮采用水下碼盤檢測(cè)液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)速，通過(guò)折算，得到切割裝置的實(shí)際運(yùn)行速度。由于驅(qū)動(dòng)切割裝置的液壓馬達(dá)輸出齒輪和切割行走機(jī)構(gòu)采用齒輪鏈條連接，能夠保證折算的精度。

液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)碼盤的轉(zhuǎn)動(dòng)部分旋轉(zhuǎn)，碼盤的轉(zhuǎn)動(dòng)圓盤刻有亮暗條紋，利用光電轉(zhuǎn)換原理將轉(zhuǎn)動(dòng)速度轉(zhuǎn)換成3 組方波脈沖，分別為A、B 和Z 相。其中A、B 兩組脈沖相位差90°，可以判斷旋轉(zhuǎn)方向;Z 相每轉(zhuǎn)輸出一個(gè)脈沖，用于基準(zhǔn)定位。

將碼盤與液壓馬達(dá)軸通過(guò)聯(lián)軸器連接，通過(guò)檢測(cè)碼盤的輸出信號(hào)，計(jì)算馬達(dá)轉(zhuǎn)速。碼盤構(gòu)造簡(jiǎn)單，抗干擾能力強(qiáng)，可靠性高，適合于長(zhǎng)距離傳輸。實(shí)際使用時(shí)直接選用滿足密封、壓力等要求的深水碼盤，安裝簡(jiǎn)便。

2.2 液壓回路改造方法

為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制功能并保留原有手動(dòng)控制功能，在原有的液壓回路上增加一個(gè)液壓回路，如圖3所示。增加的液壓回路通過(guò)手動(dòng)閘閥與原液壓回路相接，切割裝置的速度及運(yùn)行方向控制通過(guò)電動(dòng)閥來(lái)完成。自動(dòng)控制回路中，流量傳感器將流量信號(hào)轉(zhuǎn)換為脈沖信號(hào)，碼盤將速度信號(hào)轉(zhuǎn)換為脈沖信號(hào)，連接至PLC，進(jìn)行PID 控制。

圖3 增加自動(dòng)控制功能的液壓控制回路原理圖

3 PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

PLC 控制器需要監(jiān)測(cè)碼盤輸出的脈沖信號(hào)，折算成切割速度，經(jīng)過(guò)PID 控制計(jì)算，輸出模擬量電壓控制電磁流量閥開度，調(diào)整液壓馬達(dá)流量，改變切割裝置運(yùn)行速度，滿足給定的要求。根據(jù)系統(tǒng)需求，采用西門子S7-200 系列PLC。選用S7-226 型號(hào)CPU 作為核心控制器，226 型CPU 內(nèi)部包含高速計(jì)數(shù)器，可以實(shí)現(xiàn)和碼盤的直接接口，內(nèi)部還包含PID 模塊，易于實(shí)現(xiàn)PID 控制功能。選用模擬量輸出模塊EM213 作為流量閥的驅(qū)動(dòng)，選用TP117 型號(hào)HMI 接口實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的狀態(tài)實(shí)時(shí)顯示。系統(tǒng)總體框圖如圖4所示。

圖4 PLC 控制系統(tǒng)框圖

其中系統(tǒng)可以接受特定功能按鍵輸入，實(shí)現(xiàn)起停等功能，并通過(guò)指示燈指示當(dāng)前工作狀態(tài)。按鍵和碼盤信號(hào)接至CPU226 的數(shù)字量輸入(DI)端，指示燈和方向閥接至CPU226 的數(shù)字量輸出(DO)端，模擬量輸出(AO)端接至流量調(diào)節(jié)閥。

3.1 速度監(jiān)測(cè)

高速計(jì)數(shù)器指令格式見表2［4］。

表2 高速計(jì)數(shù)器指令格式

根據(jù)系統(tǒng)的要求，選定高速計(jì)數(shù)器工作在模式9。兩路脈沖輸入A 相和B 相正交計(jì)數(shù)，當(dāng)A 相時(shí)鐘脈沖超前B 相時(shí)鐘時(shí)進(jìn)行增計(jì)數(shù)，而A 相時(shí)鐘脈沖滯后B 相時(shí)鐘時(shí)進(jìn)行減計(jì)數(shù)。根據(jù)單位時(shí)間內(nèi)的計(jì)數(shù)值容易計(jì)算出液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)速，最后折算成切割裝置的運(yùn)行速度。

3.2 PID 控制器

PID 指令由助記符或操作碼PID、使能輸入端EN(語(yǔ)句表由前一條指令使能)、PID 運(yùn)算的回路表TBL和PID 指令的回路號(hào)LOOP 構(gòu)成。PID 指令必須在定時(shí)發(fā)生的中斷程序中使用，當(dāng)指令使用時(shí)，PID 指令根據(jù)回路表中斷數(shù)據(jù)進(jìn)行PID 運(yùn)算，并得到輸出控制量。PID 回路指令的基本格式見表3［4］。

進(jìn)行PID 運(yùn)算的前提條件是邏輯堆棧棧頂TOS值必須為1;在程序中最多可以用8 條PID 指令，PID 回路指令不可重復(fù)使用同一回路號(hào)(即，使這些指令的回路表不同)，否則會(huì)產(chǎn)生不可預(yù)料的結(jié)果。

表3 PID 回路指令的基本格式

PID 回路表中包含9 個(gè)參數(shù)，全部為32 位的實(shí)數(shù)，共占36 個(gè)字節(jié)，用來(lái)控制和監(jiān)視PID 運(yùn)算。PID指令回路表格式見表4［4］。進(jìn)行PID 運(yùn)算，PID 指令須編入定時(shí)中斷程序中，由定時(shí)器控制PID 指令的執(zhí)行頻率。

表4 PID 指令回路表格式

3.3 人機(jī)接口HMI

采用西門子觸摸屏TP170A 作為顯示器，顯示部分由4 個(gè)畫面組成:歡迎畫面、參數(shù)設(shè)置畫面、控制按鈕及狀態(tài)顯示畫面和運(yùn)行監(jiān)視畫面。其中，歡迎頁(yè)面是系統(tǒng)的迎接頁(yè)面。參數(shù)設(shè)置頁(yè)面完成的主要功能是:PID 參數(shù)以及切割裝置參數(shù)的設(shè)定(包括PID 的增益、采樣時(shí)間、積分時(shí)間以及微分時(shí)間;切割速度上限、速度下限、速度變比、以及齒數(shù)齒距等)。程序可對(duì)切割裝置的多種參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，當(dāng)更換切割裝置時(shí)，只需要在人機(jī)界面中進(jìn)行參數(shù)更改即可，不必對(duì)控制程序進(jìn)行改動(dòng)，具有較強(qiáng)的適應(yīng)能力。按鈕及狀態(tài)顯示頁(yè)面完成的主要功能是完成對(duì)切割狀態(tài)設(shè)計(jì)以及顯示(如:切割裝置的運(yùn)行、停止;自動(dòng)控制和手動(dòng)控制的切換;正轉(zhuǎn)及反轉(zhuǎn)的控制)。運(yùn)行監(jiān)視頁(yè)面完成的主要功能是:設(shè)定切割裝置的運(yùn)行速度，被切割物體的半徑及厚度;顯示切割狀態(tài)，如:切割速度、切割時(shí)間以及切割長(zhǎng)度。所設(shè)計(jì)的人機(jī)界面畫面框圖如圖5所示。

圖5 HMI 畫面框圖

3.4 部分程序流程

自動(dòng)控制程序完成的主要功能為:從人機(jī)界面中讀取切割速度的設(shè)定值，被切件的半徑以及厚度。開啟定時(shí)器、計(jì)數(shù)器并開中斷，中斷連接為自動(dòng)控制中斷程序(每一個(gè)采樣周期，初始為100 ms，產(chǎn)生一次定時(shí)中斷，中斷程序中執(zhí)行PID 控制語(yǔ)句;進(jìn)行運(yùn)行速度、運(yùn)行距離、運(yùn)行時(shí)間的計(jì)算，并將PID 運(yùn)算結(jié)果經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換后送入模擬輸出口，輸出0～20 mA 電流驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá))。程序流程圖如圖6所示［5］。

圖6 控制程序流程圖

4 結(jié)論

為解決水下切割裝置在水下運(yùn)行時(shí)，運(yùn)行速度估計(jì)誤差較大的問(wèn)題，采用PLC 作為主控制器，水下碼盤作為速度傳感器，采用比例流量閥實(shí)現(xiàn)液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)速控制，實(shí)現(xiàn)了水下切割裝置速度控制功能。解決了在實(shí)際使用過(guò)程中，用流量估計(jì)切割速度誤差較大的問(wèn)題。

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