陳四華，普 超，舒建華

● （中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第704研究所，上海 200031）

船用剪叉式升降機(jī)電液比例控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳四華，普 超，舒建華

● （中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第704研究所，上海 200031）

在船用剪叉式升降機(jī)裝置上，本文設(shè)計(jì)了一套采用PLC控制的電液比例控制系統(tǒng)，分析了電液比例控制系統(tǒng)的控制原理及特點(diǎn)。選用西門(mén)子公司S7-300 PLC 實(shí)現(xiàn)開(kāi)環(huán)控制，其控制方式靈活，調(diào)試方便，調(diào)速范圍、穩(wěn)定性和自動(dòng)控制等方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。實(shí)際運(yùn)行表明，該裝置在四級(jí)及以下海況下運(yùn)行平穩(wěn)，上升、下降沖擊都較小，取得了良好效果。

船用；電液比例控制；升降機(jī)；設(shè)計(jì)

0 引言

電液比例控制技術(shù)是指在液壓傳動(dòng)與控制的工程系統(tǒng)中，能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)輸出量，比如壓力、流量、速度和力矩等， 按確定的比例隨輸入控制信號(hào)變化而變化的一門(mén)技術(shù)[1]。隨現(xiàn)代船舶技術(shù)的發(fā)展，電液比例控制在現(xiàn)代船舶上，如錨機(jī)、舵機(jī)、減搖裝置、絞車(chē)和升降裝置等廣泛應(yīng)用。整個(gè)船用液壓系統(tǒng)由不同的液壓分系統(tǒng)組成，構(gòu)成較為復(fù)雜[2]。本文針對(duì)船舶海洋環(huán)境的特殊性，利用國(guó)內(nèi)外先進(jìn)技術(shù)和成功經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合我國(guó)國(guó)情和剪叉式液壓升降平臺(tái)的具體使用要求，實(shí)用，力求簡(jiǎn)單、用盡可能少的液壓元件來(lái)實(shí)現(xiàn)剪叉式液壓升降平臺(tái)應(yīng)具備的各種動(dòng)作，以便降低故障發(fā)生機(jī)率，提高系統(tǒng)能量利用率，從而降低生產(chǎn)成本[3]。論述了電液比例控制技術(shù)和PLC在船用剪叉式液壓升降機(jī)中的應(yīng)用研究。

1 工況分析

研究的剪叉式液壓升降機(jī)由平臺(tái)、導(dǎo)向柱、內(nèi)臂架、外臂架、驅(qū)動(dòng)油缸、機(jī)架、液壓機(jī)組和電控柜等組成，如圖 1所示。升降機(jī)額定載荷為 500kg，最大起升高度1200mm，起升時(shí)間50s，平臺(tái)靜尺寸(長(zhǎng)×寬)為2600mm×2500mm，整機(jī)質(zhì)量 2500kg。平臺(tái)是剛性較好的框架結(jié)構(gòu)平面，下部由臂架支承。臂架分內(nèi)臂架和外臂架，它們?cè)谥胁恳凿N(xiāo)軸鉸接，臂架下端部與機(jī)架鉸接。2個(gè)液壓缸傾斜安裝在臂架中部的橫梁上，避免了垂直布置時(shí)2個(gè)液壓缸穩(wěn)定性不高或在水平布置時(shí)橫向力影響較大的缺點(diǎn)，結(jié)構(gòu)更合理些。當(dāng)油缸伸出時(shí)，帶動(dòng)內(nèi)臂架和外臂架相互轉(zhuǎn)動(dòng)張開(kāi)，從而帶動(dòng)平臺(tái)也上升運(yùn)動(dòng)；反之，當(dāng)油缸縮回時(shí)，平臺(tái)下降。

圖1 升降機(jī)結(jié)構(gòu)圖

升降機(jī)采用集成化設(shè)計(jì)將升降平臺(tái)組件、液壓機(jī)組、所有電纜中間接線箱全部安裝在一個(gè)機(jī)械框架內(nèi)，升降平臺(tái)的電纜、液壓管路全部敷設(shè)在機(jī)架內(nèi)，整個(gè)升降平臺(tái)在陸上安裝調(diào)試完畢后，可整體吊裝。首先將升降平臺(tái)整體吊裝到位后，機(jī)架的安裝基座與船體相應(yīng)基座通過(guò)螺栓連接。集成化設(shè)計(jì)后的升降平臺(tái)適裝性更強(qiáng)，安裝方便，縮短了船上安裝及設(shè)備單機(jī)性能恢復(fù)時(shí)間。

升降機(jī)簡(jiǎn)化示意圖如圖2所示。HG表示驅(qū)動(dòng)油缸，建立以固定支點(diǎn)A為坐標(biāo)原點(diǎn)的直角坐標(biāo)系。綜合油缸的行程和液壓缸的最大負(fù)載力等因素，取 AH=200mm，OG=400mm，α=10°，用上述的數(shù)據(jù)通過(guò)ADAMS仿真分析得到的平臺(tái)位置曲線和速度曲線及油缸負(fù)載力變化曲線如圖 3(a)、3(b)、3(c)所示

圖2 升降機(jī)簡(jiǎn)化示意圖

圖3 平臺(tái)位置、平臺(tái)速度與油缸負(fù)載力變化曲線

剪叉式液壓升降機(jī)液壓缸是驅(qū)動(dòng)剪叉起升的動(dòng)力裝置，活塞的最大推力 Fmax是確定液壓系統(tǒng)工作壓力的依據(jù)。由分析結(jié)果圖3(b)可知，平臺(tái)的速度由大逐漸變小，油缸最大負(fù)載力Fmax=64430N。在啟動(dòng)時(shí)，油缸力最大，平臺(tái)速度也最大，初始時(shí)刻會(huì)有沖擊。

2 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

從平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)分析(如圖3(b))可知，平臺(tái)上升啟動(dòng)初期沖擊較大。用簡(jiǎn)單的閥控缸型式難以實(shí)現(xiàn)平臺(tái)的平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)，所以采用電液比例控制系統(tǒng)。其控制方式又分為開(kāi)環(huán)和閉環(huán)控制等，開(kāi)環(huán)控制的液壓系統(tǒng)是依靠各種電氣和液壓控制元件來(lái)實(shí)現(xiàn)速度、位置等控制，它一個(gè)顯著的特點(diǎn)就是沒(méi)有設(shè)定和檢測(cè)裝置，所以對(duì)其產(chǎn)生的誤差也就不會(huì)自動(dòng)的反饋和糾正。一旦選定了控制元件，整個(gè)控制系統(tǒng)的精度也就基本上固定了，這就影響了開(kāi)環(huán)控制的大量應(yīng)用和推廣。不過(guò)開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)成本較低，控制方式較可靠和簡(jiǎn)單。閉環(huán)控制與開(kāi)環(huán)控制相比，它是根據(jù)控制對(duì)象輸出的反饋來(lái)進(jìn)行校正的控制方式，這種方法是在測(cè)量出實(shí)際的控制要求與指令的發(fā)生偏差時(shí)，按設(shè)定的控制策略來(lái)進(jìn)行糾正，能達(dá)到更高的控制精度。但閉環(huán)控制的控制系統(tǒng)一般比較復(fù)雜，控制成本較高；但當(dāng)系統(tǒng)要達(dá)到高的控制精度時(shí)，就必須采用閉環(huán)控制。

由于升降機(jī)的平均速度僅為0.024m/s，且運(yùn)行時(shí)間較短只有50s，不需要較高的速度控制精度，所以，要設(shè)計(jì)的液壓系統(tǒng)采用開(kāi)環(huán)比例閥控制液壓缸傳動(dòng)，實(shí)現(xiàn)液壓剪叉式升降平臺(tái)的正常工作，系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理圖見(jiàn)圖4。

圖4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理圖

在升降平臺(tái)上升狀態(tài)時(shí)，能平穩(wěn)上升。在下降時(shí)，升降平臺(tái)平穩(wěn)下落，速度穩(wěn)定，無(wú)沖擊。在突然斷電的情況下，平衡閥起作用，升降平臺(tái)能固定在某處，不會(huì)突然下落，造成意外事故；系統(tǒng)液壓原理圖見(jiàn)圖5。在啟動(dòng)初期，通過(guò)PLC輸出一個(gè)極低的信號(hào)給比例放大器，將設(shè)定輸出的信號(hào)放大成一定的驅(qū)動(dòng)功率的控制信號(hào)加到電液比例閥(8)上，控制電液比例閥(8)閥芯開(kāi)口的大小，從而控制液壓系統(tǒng)的流量，使油缸(2.1)和(2.2)緩慢伸出，降低初期的沖擊振動(dòng)。此外，為保證電液控制系統(tǒng)正常工作，設(shè)置有液壓附件如溫度計(jì)、液位傳感器(19)和過(guò)濾器(20)等。

圖5 液壓系統(tǒng)原理圖

在電氣元件損壞或突然失電的情況下，為了提高設(shè)備的任務(wù)可靠性而增加了手動(dòng)工況，依靠人力撳手動(dòng)泵，通過(guò)操作換向閥(6)和(8)來(lái)驅(qū)動(dòng)油缸動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)在突然斷電的情況下，升降平臺(tái)能繼續(xù)上升或下降。 當(dāng)?shù)竭_(dá)某一位置時(shí)，操作手動(dòng)換向閥使其處于斷開(kāi)狀態(tài)，由于平衡閥(3)的作用，升降平臺(tái)停止，提高了設(shè)備的任務(wù)可靠性。

3 電氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.1 硬件配置

設(shè)計(jì)的電液比例控制系統(tǒng)含有模擬、數(shù)字量和脈沖量的輸入輸出等參量。根據(jù)這一特點(diǎn)，選擇西門(mén)子 S7-300可編程控制器作為整個(gè)電控系統(tǒng)的控制元件； S7-300系列PLC是一種模塊化的結(jié)構(gòu)，提供了各種性能遞增的CPU和豐富的且?guī)в性S多功能的I/O擴(kuò)展模塊，各種模塊可根據(jù)系統(tǒng)復(fù)雜程度很方便配置。在系統(tǒng)中 CPU 選用CPU315，具有中到大容量的程序存儲(chǔ)器和大規(guī)模I/O配置的CPU，可用于包括分布式及集中式I/O的任務(wù)中[4]。

PLC配置為：CPU模塊CPU 315、開(kāi)關(guān)量輸入模塊DI2、模擬量輸入輸出模塊AI2/AO2和電源模塊PS 307 10A。結(jié)構(gòu)如圖6所示。

S7-300 控制系統(tǒng)I/O地址分配見(jiàn)表1。

表1 可編程控制系統(tǒng)I/O分配表

3.2 控制軟件設(shè)計(jì)

PLC 程序采用STEP7軟件設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)。STEP7 有LAD(梯形圖)、STL (語(yǔ)句表)和FBD (功能塊圖)等編程形式，3種形式種可隨意切換和組合使用，非常方便。程序設(shè)計(jì)采用結(jié)構(gòu)化編程，有組織塊(OB)、數(shù)據(jù)塊(DB)、功能塊( FB、FC)等組成剪叉式升降平臺(tái)控制系統(tǒng)程序。

先在 STEP7 軟件中對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行硬件配置和網(wǎng)絡(luò)配置，在STEP7 5.2中按上述配置進(jìn)行硬件組態(tài)，將AI設(shè)置為0～20mA，與模擬傳感器輸出信號(hào)匹配，將AO設(shè)置為-10V～+10V，與比例放大器匹配。

PLC軟件的設(shè)計(jì)與編寫(xiě)。按照系統(tǒng)的工況和聯(lián)鎖條件，程序結(jié)構(gòu)為：一個(gè)組織塊(OB1)、四個(gè)功能(FC1、FC2、FC3、FB1)、和三個(gè)數(shù)據(jù)塊(DB1、DB2、DB3)等。其中OB1作為主循環(huán)程序塊，調(diào)用其它功能塊和數(shù)據(jù)塊實(shí)現(xiàn)控制任務(wù)；FC1是條件、狀態(tài)檢測(cè)功能，用于對(duì)油溫、液位、油污染情況進(jìn)行檢測(cè)，判斷液壓系統(tǒng)是否具備工作條件；FC2屬聯(lián)鎖控制功能，對(duì)平臺(tái)啟動(dòng)、停止條件和聯(lián)鎖條件進(jìn)行邏輯運(yùn)算，保護(hù)平臺(tái)運(yùn)行安全；FC3是通訊功能塊，為未來(lái)系統(tǒng)擴(kuò)展用；FB1是控制比例閥8的功能塊， DB1作為整個(gè)程序的共享數(shù)據(jù)塊。程序結(jié)構(gòu)如圖7所示。

4 結(jié)語(yǔ)

在船用剪叉式升降機(jī)裝置上完成了基于PLC 的比例液壓控制系統(tǒng)的方向、調(diào)速回路設(shè)計(jì)；選用西門(mén)子公司S7300 PLC 實(shí)現(xiàn)控制，采用STEP軟件編制了相關(guān)PLC控制程序。這比開(kāi)環(huán)液壓調(diào)速控制系統(tǒng)，控制簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性好，調(diào)速方便，工作可靠、操作簡(jiǎn)便、調(diào)試方便和易于維修保養(yǎng)。

圖7 S7-300程序結(jié)構(gòu)圖

目前，該剪叉式升降機(jī)已在某型船投人使用，而實(shí)際運(yùn)行表明，該裝置在四級(jí)及以下海況下運(yùn)行平穩(wěn)，上升、下降沖擊都較小，取得了良好效果。

[1]李浩.電液比例控制技術(shù)在耙頭絞車(chē)主動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[J]. 液壓與氣動(dòng), 2013(4): 66-68.

[2]陳四華.船用輸送裝置控制系統(tǒng)冗余設(shè)計(jì)[J].機(jī)電設(shè)備, 2012(2): 58-59

[3]於又玲,劉明春,曾志鋼,等.剪叉式升降機(jī)液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J]. 液壓與氣動(dòng), 2008 (11): 25-26.

[4]S7-300可編程程序控制器產(chǎn)品目錄[M]. SIEMENS,2012.

[5]成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)(第四版)[M]. 北京:化學(xué)工業(yè)出版社, 2002.

[6]液壓傳動(dòng)與控制.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)單行本[M]. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社, 2007.

1～4月我國(guó)船舶工業(yè)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行情況 1

2014年前4個(gè)月，船舶工業(yè)行業(yè)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行繼續(xù)保持平穩(wěn)，造船完工量同比下降，承接新船訂單、手持船舶訂單同比繼續(xù)增長(zhǎng)，主要工業(yè)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)同比企穩(wěn)回升。

三大造船指標(biāo)兩升一降

1～4月份，全國(guó)造船完工1036萬(wàn)載重噸，同比下降24.9%；承接新船訂單3030萬(wàn)載重噸，同比增長(zhǎng)160%；4月底，手持船舶訂單1.5015億載重噸，同比增長(zhǎng)43.2%，比2013年年底增長(zhǎng)14.6%。

1～4月份，全國(guó)完工出口船948萬(wàn)載重噸，同比下降17.2%；承接出口船訂單2897萬(wàn)載重噸，同比增長(zhǎng)174%；4月底，手持出口船訂單1.4084億載重噸，同比增長(zhǎng)57.5%。出口船舶分別占全國(guó)造船完工量、新接訂單量、手持訂單量的91.5%、95.6%和93.8%。

Design of Marine Hydraulic Scissor-fork Lift Electro-hydraulic Proportional Control System

CHEN Si-hua, PU Chao, SHU Jian-hua
(No.704 Research Institute, CSIC, Shanghai 200031, China)

According to marine hydraulic scissor-fork lift, an electro-hydraulic proportional control system is designed and the electro-hydraulic proportional’s control principle is analyzed. The open control system has the flexible and intellectualized function,and excellence of control mode, little debug and good stability etc. In practice, the lift can work smoothly under Class 4 sea condition and less shock under up and down movement. It obtains a good effect.

marine; electro-hydraulic proportional control; lift; design

TM31

A

陳四華（1981-），男，碩士，主要從事方向?yàn)闄C(jī)電液系統(tǒng)設(shè)計(jì)和研究。