孫波，涂凌志，李義，劉光虎，范志勇，張良

（中聯(lián)恒通機械有限公司，長沙 410131）

0 引言

在CAP1400屏蔽主泵安裝小車頂升機構應用中，由于CAP1400屏蔽主泵安裝小車頂升機構本身對于可靠性的特殊要求，多電動機同步控制系統(tǒng)的可靠性是一個非常重要的問題。尤其是多頂升體在多臺伺服電動機進行同步頂升時，必須保證頂升動作的同步一致性要求，防止負載發(fā)生偏移甚至傾覆。

控制系統(tǒng)的可靠性是指系統(tǒng)在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時間內(nèi)，完成規(guī)定功能的能力[1]。可靠性主要表現(xiàn)在它的可使用性、可維護性、有效性和安全性等幾個方面?？墒褂眯允侵赶到y(tǒng)在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時間內(nèi)使用的無故障性或使用壽命?？删S護性是指系統(tǒng)在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時間內(nèi)按規(guī)定的方法或程序進行維修后，保持或恢復到規(guī)定狀態(tài)的能力[1]。有效性是指系統(tǒng)在特定條件下能夠發(fā)揮出色功能的概率。安全性是指系統(tǒng)在能夠保證可靠地完成其規(guī)定功能的前提下能保證操作人員與維護人員的人身安全[1]?？煽啃灾笜送ǔＳ酶怕蕘矶x，常用的指標主要有可靠度、失效率、平均故障間隔時間、平均故障修復時間、平均壽命、利用率等。提高控制系統(tǒng)可靠性的措施主要有：1）提高元器件和設備的可靠性；2）提高控制系統(tǒng)的抗干擾能力；3）故障自診斷和容錯技術；4）采用分散化結(jié)構。

CAP1400屏蔽主泵安裝小車頂升載荷電氣控制系統(tǒng)如圖1和圖2所示，主要由控制器、伺服驅(qū)動器、伺服電動機、旋轉(zhuǎn)變壓器（伺服電動機自帶）、激光測距傳感器、測力螺栓、信號調(diào)理器、I/O模塊（就地）、手持操作器等組成。為實現(xiàn)通過對頂升受力、位置、運行速度等的實時檢測來實現(xiàn)頂升機構的運動與負載平衡，其監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性及策略主要由以下幾點來實現(xiàn)。

圖1 控制系統(tǒng)組成圖

圖2 屏蔽主泵安裝小車頂升機構電氣控制系統(tǒng)布置圖

1 采用測力螺栓進行靜態(tài)載荷與動態(tài)載荷監(jiān)控與保護

CAP1400屏蔽主泵安裝小車頂升機構共分為4個獨立的頂升機構單元，每個頂升機構單元配備3個測力螺栓進行受力檢測，并將這3個測力螺栓信號就近接入1個信號調(diào)理器中，1個信號調(diào)理器能夠同時處理4路測力螺栓信號調(diào)節(jié)。全系統(tǒng)總共有12個測力螺栓與4個信號調(diào)理器。負載的質(zhì)量等于12個測力螺栓所測載荷之和。信號調(diào)理器的主要作用是在各測力螺栓不受力的情況下進行零位調(diào)節(jié)與調(diào)滿標定。另外還配備了I/O模塊將模擬量信號轉(zhuǎn)換為CAN總線信號以提高信號的傳輸距離及穩(wěn)定性與抗干擾能力，測力螺栓測力流程如圖3所示。

圖3 測力螺栓測力流程圖

在無負載時能自動檢測與分析測力信號，查看信號是否有擾動與干擾，能夠通過信號調(diào)理器進行調(diào)整，實現(xiàn)人工校正或通過控制器內(nèi)部程序計算自動修改標定測力螺栓零位偏移值，實現(xiàn)一鍵自動校零，保證測力信號的正確、穩(wěn)定、可靠。即保證Yn=0(n=1，…，12)。當擾動值與干擾值出現(xiàn)嚴重失真時自動屏蔽此信號值參與控制，并在操作界面中進行報警指示，提示人員進行檢修更換，以實現(xiàn)無負載情況下的故障自診斷和容錯技術。

在承受負載初始狀態(tài)時，控制系統(tǒng)能記住負載的初始值，并同時比較各測力螺栓的信號，計算分析出負載的重心點，提示與報警負載的擺放是否平衡，并警示某一單獨或多個頂升桿是否因負載不平衡出現(xiàn)承受負荷超出設置范圍等情況。實現(xiàn)靜態(tài)承載情況下的故障自診斷和容錯技術。

在負載承重起升與下降的運動過程中，控制系統(tǒng)能實時監(jiān)視各測力螺栓的負載變化曲線，判斷負載在運行過程中是否穩(wěn)定正常，各頂升動作是否同步，并警示某一單獨或多個頂升桿是否因為運動受阻而出現(xiàn)承受負荷超出設置范圍等情況，以實現(xiàn)動態(tài)承載情況下的故障自診斷和容錯技術。

2 采用伺服驅(qū)動器、伺服電動機、旋轉(zhuǎn)變壓器進行閉環(huán)控制與安全保護

在CAP1400屏蔽主泵安裝小車頂升機構控制過程中，動作機構通過伺服驅(qū)動器、伺服電動機、旋轉(zhuǎn)變壓器一起對速度、位置、轉(zhuǎn)矩值進行閉環(huán)控制與保護，此過程是通過旋轉(zhuǎn)變壓器實時對伺服電動機運行信號以脈沖信號形式進行測速與定位，先傳送給伺服驅(qū)動器，再經(jīng)由伺服驅(qū)動器處理后轉(zhuǎn)發(fā)至控制器。伺服驅(qū)動器在收到旋轉(zhuǎn)變壓器的檢測信號的同時，自身同時檢測伺服電動機的電流及轉(zhuǎn)矩，使伺服驅(qū)動器、伺服電動機、旋轉(zhuǎn)變壓器之間形成完整的速度、位置、轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制。

在電氣主回路安全保護中，每個伺服電動機回路都單獨配置了斷路器，以進行短路、缺相、過流保護；并且配置了單獨的接觸器，可以單獨對伺服驅(qū)動器電源進行分合控制，在控制系統(tǒng)操作時，如果需要單獨操作某個電動機，可以通過操作面板上的相應電動機使能開關進行電源的分合。伺服驅(qū)動器對于伺服電動機有精確控制與保護，比如電流、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、位置等。并將這些信息參數(shù)通過CAN總線傳輸給控制器進行控制，通過手持操作器彩色液晶觸摸顯示屏進行顯示。

3 采用激光測距傳感器進行位置與速度校驗

CAP1400屏蔽主泵安裝小車每個頂升機構各安裝一個激光測距傳感器。激光測距傳感器具有方向性強、亮度高、單色性好、響應速度快、不受環(huán)境溫度影響、定位精度高、重復性好等特點。其控制流程如圖4所示，在本控制系統(tǒng)中激光測距傳感器主要起到以下作用：1）設置上下限位與極限。通過激光檢測裝置為每個頂升機構設置上升限位、上升極限、下降限位與下降極限，防止頂升機構過度上升或下降，防止損壞頂升機構。2）顯示與校驗頂升伸縮長度。通過激光檢測裝置實時顯示各頂升的伸縮長度，并與對應的伺服驅(qū)動器之間相互校驗位置信息的準確性，當兩者之間的長度數(shù)據(jù)比較值超出一定范圍時設備將報警、停機。3）顯示與校驗頂升速度。通過激光檢測裝置實時對每個頂升機構單位時間內(nèi)的位置變化計算出對應頂升機構的伸縮速度，并將此速度與伺服驅(qū)動器的速度值進行相互校驗，當兩者之間的速度數(shù)據(jù)比較值超出一定范圍時設備將報警、停機。4）實現(xiàn)頂升同步。通過激光檢測裝置對各頂升機構之間的位置進行實時比較，保證各頂升機構的伸縮同步，當各頂升機構之間比較值超出一定范圍時設備將報警、停機。

圖4 控制流程圖

當激光檢測裝置與伺服位置檢測裝置中出現(xiàn)其中某一種長度位置檢測失效的應急情況時?？蓪崿F(xiàn)指定另一種正常的位置檢測方式為唯一位置控制方式進行位置同步的控制，保證同步操作系統(tǒng)的連續(xù)可靠。

4 采用CAN總線進行穩(wěn)定通信

CAP1400屏蔽主泵安裝小車頂升機構多電動機同步控制系統(tǒng)采用CAN總線連接控制器、手持操作器及顯示屏、伺服驅(qū)動器、測力螺栓（通過就地I/O模塊采集）、激光測距傳感器（通過就地I/O模塊采集）等。并在設備主體與控制柜、手持操作器之間采用插件聯(lián)接，實現(xiàn)快速連接與更換。CAN總線的優(yōu)點：1）具有通信速率快、傳輸距離遠、實時性強、線間干擾小、抗干擾能力強、易實現(xiàn)、成本低、性價比高等優(yōu)點。2）采用雙線串行通信方式，可保證在系統(tǒng)有錯誤時即使多節(jié)點同時向總線發(fā)送數(shù)據(jù)，也不會導致總線短路造成數(shù)據(jù)丟失[4]。3）具有優(yōu)先權和仲裁功能。各節(jié)點根據(jù)總線訪問的優(yōu)先權采用逐位相互競爭仲裁方式向總線發(fā)送數(shù)據(jù)。CAN協(xié)議摒棄了報文中含源地址與目標地址的站地址編碼方式，而是采用標識符表示功能信息與優(yōu)先級等的方式對通信數(shù)據(jù)塊進行編碼。各節(jié)點依據(jù)報文ID來接收或屏蔽報文，實現(xiàn)不同節(jié)點同時接收同一數(shù)據(jù)或多個CAN控制器連接到同一總線，形成一個多主機的網(wǎng)絡，實現(xiàn)多主工作方式。4）可靠的錯誤處理和檢錯機制。檢錯能力強，可實現(xiàn)在強噪聲環(huán)境下工作。當發(fā)送信息損壞時將自動重發(fā)。當某一節(jié)點出現(xiàn)嚴重錯誤時，該節(jié)點為不影響其他節(jié)點運行將自動關閉輸出并退出總線，從而保證不會因某一節(jié)點存在錯誤而造成總線處于鎖死或癱瘓狀態(tài)。這些優(yōu)點能夠有效減少控制系統(tǒng)布線數(shù)量，方便控制設備的安裝與拆卸，實現(xiàn)了控制系統(tǒng)的分散化布置；同時CAN總線有效地增加了控制系統(tǒng)的抗干擾能力，并且通過CAN總線的診斷功能能夠智能判別各站點是否正常運行，有效提升了系統(tǒng)通信的故障自診斷和容錯技術。

5 采用專用控制器進行可靠控制

CAP1400屏蔽主泵安裝小車頂升機構多電動機同步控制系統(tǒng)使用工程機械專用控制器作為控制器。工程機械專用控制器具有以下特點：溫度范圍寬等級（-40～+70 ℃），可以工作在極端的溫度環(huán)境下；具有較高的防振性與較強的抗沖擊性；高防護等級（IP67），可直接工作在較臟、潮濕的環(huán)境中；具有較寬的電源輸入范圍，可承受由電瓶、發(fā)電機供電的電壓波動；能夠抵抗較高的導體和輻射干擾；非常長的工作時間，能夠有效減少停機時間與維修費用；標準配置CAN接口，能夠方便地通過CAN總線進行設備組網(wǎng)；編程語言與環(huán)境符合IEC61131-3國際標準；這些特點有效提高了設備整體的可靠性、穩(wěn)定性、適用性與安全性。選用的就地CAN總線模擬量I/O模塊也具有以上特點。

控制器同時向各蝸桿頂升機構伺服驅(qū)動器發(fā)出方向與速度控制指令，并同時接收伺服驅(qū)動器、激光檢測傳感器、測力螺栓檢測的各蝸桿頂升機構的位置、速度及對應測力螺栓的載荷信號，檢測并計算判斷各蝸桿頂升機構是否同步運行。當各蝸桿頂升機構出現(xiàn)位置與受力偏差時，將通過調(diào)整相應蝸桿的運行速度實現(xiàn)各蝸桿之間的位置、速度及載荷平衡。如果出現(xiàn)各蝸桿之間在一段調(diào)節(jié)時間內(nèi)無法實現(xiàn)平衡或不平衡趨勢更加惡化時，設備將自動停止運行，并進行故障報警，請求人工干預，進行檢查確認。

6 采用帶彩色液晶觸摸顯示屏的手持操作器進行實時監(jiān)控

CAP1400屏蔽主泵安裝小車頂升機構多電動機同步控制系統(tǒng)采用帶彩色液晶觸摸顯示屏的手持操作器作為操作與顯示終端，以提高人機界面的友好性。手持操作器采用高防護、寬溫域、寬電壓的高可靠型號，其手持操作器布局如圖5所示。

圖5 手持操作器布局圖

液晶顯示屏上能夠?qū)崟r顯示系統(tǒng)中各頂升機構的伸縮位置信息（激光），各頂升機構的伸縮速度信息（激光），各頂升機構的伸縮位置信息（伺服、可標零）,各伺服電動機的電流、速度信息，各伺服驅(qū)動器的上電、運行、故障信息，測力螺栓的實時數(shù)據(jù)信息，操作信息、運行信息及異常狀況的報警信息、故障信息等。

對于操作模式，分別設置了“單獨”操作與“同步”操作模式。在“單獨”操作模式下，手持操作器上分別為每個頂升單元配備了使能按鈕與上下操作按鈕，以方便分別手動調(diào)節(jié)與測試各頂升機構。在“同步”操作模式下，在手持操作器上先選擇需要同步的頂升單元使能按鈕，再選擇同步使能按鈕與同步上下操作按鈕，以實現(xiàn)設備工藝所需各頂升機構之間的同步運行。要使高差保護信息作用，必須按下位置標零開關。當出現(xiàn)緊急危險情況時，操作人員可以直接按下手持式操作盒上的急停按鈕，通過手持式操作盒、控制器及伺服驅(qū)動器之間的CAN總線通信，各伺服電動機將立刻停止工作。另外還有遙控器電源開關、聲光報警關閉開關、一鍵自動校零開關等。

7 采用服務器進行技術支持與數(shù)據(jù)儲存

CAP1400屏蔽主泵安裝小車頂升機構多電動機同步控制系統(tǒng)采用服務器進行技術支持與數(shù)據(jù)儲存?？刂破髋c服務器通信內(nèi)容如圖6所示，控制器具備RS232及CAN等通信接口能力，考慮到現(xiàn)場環(huán)境的復雜性，采用CAN總線作為數(shù)據(jù)通信接口，通過CAN總線通信接口與服務器建立通信，可實現(xiàn)與服務器中的專家數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交換，能有效地為每臺CAP1400屏蔽主泵安裝小車頂升機構多電動機同步控制系統(tǒng)建立完整的實時、歷史數(shù)據(jù)庫信息。在每次負載運行時，通過與數(shù)據(jù)庫中的歷史數(shù)據(jù)進行對比，針對各種平衡與不平衡負載，能在線建議操作人員采用合理的優(yōu)化運行方案，建議設備采用合理的運行速度曲線進行運行。實時、歷史數(shù)據(jù)庫信息還能將控制器傳輸給服務器的實時數(shù)據(jù)信息如控制器、伺服驅(qū)動器、I/O模塊、CAN通信接口等各設備數(shù)據(jù)進行實時檢測，通過對比歷史數(shù)據(jù)，提前判別各設備可能出現(xiàn)的故障，防止CAP1400屏蔽主泵安裝小車頂升機構在使用過程中突然出現(xiàn)設備安全事故。同時對于各設備的所有檢測、運行與故障數(shù)據(jù)進行實時數(shù)據(jù)歸檔與備份。一臺服務器可實現(xiàn)同時或分時與多臺CAP1400屏蔽主泵安裝小車設備進行數(shù)據(jù)交換，分別為每臺CAP1400屏蔽主泵安裝小車設備建立完整的數(shù)據(jù)信息。

8 結(jié)語

針對CAP1400屏蔽主泵安裝小車頂升機構多電動機同步控制系統(tǒng)，本文提出了以工程專用控制器為核心的現(xiàn)場CAN總線控制系統(tǒng)，以CAN現(xiàn)場總線實現(xiàn)在控制器、顯示器、伺服、測力螺栓及激光測距傳感器之間的通信。在檢測數(shù)據(jù)上實現(xiàn)了伺服閉環(huán)檢測與激光傳感器檢測相互校驗，測力螺栓載荷檢測與位置、速度、轉(zhuǎn)矩檢測互為補充。這種方法實現(xiàn)同步的特點是：利用了靜態(tài)與動態(tài)載荷的全過程監(jiān)測，數(shù)字伺服的位置精度高、全閉環(huán)控制，激光測距傳感器高檢測精度檢測，CAN總線可靠性高、傳輸時間短、抗干擾能力強，工程控制器的高可靠性控制，人機界面友好顯示，服務器數(shù)據(jù)功能強大等優(yōu)點。此方案不僅克服了傳統(tǒng)控制方案中各種機械、電氣元件的缺點與相互之間的干擾，而且還具有系統(tǒng)可靠性高、同步性能好、各伺服單元不互相干擾、控制精度高、維護方便、操作智能、界面友好等優(yōu)點。

圖6 控制器與服務器通信內(nèi)容