船用剪叉式升降機電液比例控制系統設計

陳四華，普 超，舒建華

● （中國船舶重工集團公司第704研究所，上海 200031）

船用剪叉式升降機電液比例控制系統設計

陳四華，普 超，舒建華

● （中國船舶重工集團公司第704研究所，上海 200031）

在船用剪叉式升降機裝置上，本文設計了一套采用PLC控制的電液比例控制系統，分析了電液比例控制系統的控制原理及特點。選用西門子公司S7-300 PLC 實現開環控制，其控制方式靈活，調試方便，調速范圍、穩定性和自動控制等方面具有明顯優勢。實際運行表明，該裝置在四級及以下海況下運行平穩，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；設計

0 引言

電液比例控制技術是指在液壓傳動與控制的工程系統中，能實現系統輸出量，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變化而變化的一門技術[1]。隨現代船舶技術的發展，電液比例控制在現代船舶上，如錨機、舵機、減搖裝置、絞車和升降裝置等廣泛應用。整個船用液壓系統由不同的液壓分系統組成，構成較為復雜[2]。本文針對船舶海洋環境的特殊性，利用國內外先進技術和成功經驗，結合我國國情和剪叉式液壓升降平臺的具體使用要求，實用，力求簡單、用盡可能少的液壓元件來實現剪叉式液壓升降平臺應具備的各種動作，以便降低故障發生機率，提高系統能量利用率，從而降低生產成本[3]。論述了電液比例控制技術和PLC在船用剪叉式液壓升降機中的應用研究。

1 工況分析

研究的剪叉式液壓升降機由平臺、導向柱、內臂架、外臂架、驅動油缸、機架、液壓機組和電控柜等組成，如圖 1所示。升降機額定載荷為 500kg，最大起升高度1200mm，起升時間50s，平臺靜尺寸(長×寬)為2600mm×2500mm，整機質量 2500kg。平臺是剛性較好的框架結構平面，下部由臂架支承。臂架分內臂架和外臂架，它們在中部以銷軸鉸接，臂架下端部與機架鉸接。2個液壓缸傾斜安裝在臂架中部的橫梁上，避免了垂直布置時2個液壓缸穩定性不高或在水平布置時橫向力影響較大的缺點，結構更合理些。當油缸伸出時，帶動內臂架和外臂架相互轉動張開，從而帶動平臺也上升運動；反之，當油缸縮回時，平臺下降。

圖1 升降機結構圖

升降機采用集成化設計將升降平臺組件、液壓機組、所有電纜中間接線箱全部安裝在一個機械框架內，升降平臺的電纜、液壓管路全部敷設在機架內，整個升降平臺在陸上安裝調試完畢后，可整體吊裝。首先將升降平臺整體吊裝到位后，機架的安裝基座與船體相應基座通過螺栓連接。集成化設計后的升降平臺適裝性更強，安裝方便，縮短了船上安裝及設備單機性能恢復時間。

升降機簡化示意圖如圖2所示。HG表示驅動油缸，建立以固定支點A為坐標原點的直角坐標系。綜合油缸的行程和液壓缸的最大負載力等因素，取 AH=200mm，OG=400mm，α=10°，用上述的數據通過ADAMS仿真分析得到的平臺位置曲線和速度曲線及油缸負載力變化曲線如圖 3(a)、3(b)、3(c)所示

圖2 升降機簡化示意圖

圖3 平臺位置、平臺速度與油缸負載力變化曲線

剪叉式液壓升降機液壓缸是驅動剪叉起升的動力裝置，活塞的最大推力 Fmax是確定液壓系統工作壓力的依據。由分析結果圖3(b)可知，平臺的速度由大逐漸變小，油缸最大負載力Fmax=64430N。在啟動時，油缸力最大，平臺速度也最大，初始時刻會有沖擊。

2 液壓系統設計

從平臺的運動分析(如圖3(b))可知，平臺上升啟動初期沖擊較大。用簡單的閥控缸型式難以實現平臺的平穩運動，所以采用電液比例控制系統。其控制方式又分為開環和閉環控制等，開環控制的液壓系統是依靠各種電氣和液壓控制元件來實現速度、位置等控制，它一個顯著的特點就是沒有設定和檢測裝置，所以對其產生的誤差也就不會自動的反饋和糾正。一旦選定了控制元件，整個控制系統的精度也就基本上固定了，這就影響了開環控制的大量應用和推廣。不過開環控制系統成本較低，控制方式較可靠和簡單。閉環控制與開環控制相比，它是根據控制對象輸出的反饋來進行校正的控制方式，這種方法是在測量出實際的控制要求與指令的發生偏差時，按設定的控制策略來進行糾正，能達到更高的控制精度。但閉環控制的控制系統一般比較復雜，控制成本較高；但當系統要達到高的控制精度時，就必須采用閉環控制。

由于升降機的平均速度僅為0.024m/s，且運行時間較短只有50s，不需要較高的速度控制精度，所以，要設計的液壓系統采用開環比例閥控制液壓缸傳動，實現液壓剪叉式升降平臺的正常工作，系統設計原理圖見圖4。

圖4 系統設計原理圖

在升降平臺上升狀態時，能平穩上升。在下降時，升降平臺平穩下落，速度穩定，無沖擊。在突然斷電的情況下，平衡閥起作用，升降平臺能固定在某處，不會突然下落，造成意外事故；系統液壓原理圖見圖5。在啟動初期，通過PLC輸出一個極低的信號給比例放大器，將設定輸出的信號放大成一定的驅動功率的控制信號加到電液比例閥(8)上，控制電液比例閥(8)閥芯開口的大小，從而控制液壓系統的流量，使油缸(2.1)和(2.2)緩慢伸出，降低初期的沖擊振動。此外，為保證電液控制系統正常工作，設置有液壓附件如溫度計、液位傳感器(19)和過濾器(20)等。

圖5 液壓系統原理圖

在電氣元件損壞或突然失電的情況下，為了提高設備的任務可靠性而增加了手動工況，依靠人力撳手動泵，通過操作換向閥(6)和(8)來驅動油缸動作，從而實現在突然斷電的情況下，升降平臺能繼續上升或下降。 當到達某一位置時，操作手動換向閥使其處于斷開狀態，由于平衡閥(3)的作用，升降平臺停止，提高了設備的任務可靠性。

3 電氣系統的設計

3.1 硬件配置

設計的電液比例控制系統含有模擬、數字量和脈沖量的輸入輸出等參量。根據這一特點，選擇西門子 S7-300可編程控制器作為整個電控系統的控制元件； S7-300系列PLC是一種模塊化的結構，提供了各種性能遞增的CPU和豐富的且帶有許多功能的I/O擴展模塊，各種模塊可根據系統復雜程度很方便配置。在系統中 CPU 選用CPU315，具有中到大容量的程序存儲器和大規模I/O配置的CPU，可用于包括分布式及集中式I/O的任務中[4]。

PLC配置為：CPU模塊CPU 315、開關量輸入模塊DI2、模擬量輸入輸出模塊AI2/AO2和電源模塊PS 307 10A。結構如圖6所示。

S7-300 控制系統I/O地址分配見表1。

表1 可編程控制系統I/O分配表

3.2 控制軟件設計

PLC 程序采用STEP7軟件設計開發。STEP7 有LAD(梯形圖)、STL (語句表)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。程序設計采用結構化編程，有組織塊(OB)、數據塊(DB)、功能塊( FB、FC)等組成剪叉式升降平臺控制系統程序。

先在 STEP7 軟件中對系統進行硬件配置和網絡配置，在STEP7 5.2中按上述配置進行硬件組態，將AI設置為0～20mA，與模擬傳感器輸出信號匹配，將AO設置為-10V～+10V，與比例放大器匹配。

PLC軟件的設計與編寫。按照系統的工況和聯鎖條件，程序結構為：一個組織塊(OB1)、四個功能(FC1、FC2、FC3、FB1)、和三個數據塊(DB1、DB2、DB3)等。其中OB1作為主循環程序塊，調用其它功能塊和數據塊實現控制任務；FC1是條件、狀態檢測功能，用于對油溫、液位、油污染情況進行檢測，判斷液壓系統是否具備工作條件；FC2屬聯鎖控制功能，對平臺啟動、停止條件和聯鎖條件進行邏輯運算，保護平臺運行安全；FC3是通訊功能塊，為未來系統擴展用；FB1是控制比例閥8的功能塊， DB1作為整個程序的共享數據塊。程序結構如圖7所示。

4 結語

在船用剪叉式升降機裝置上完成了基于PLC 的比例液壓控制系統的方向、調速回路設計；選用西門子公司S7300 PLC 實現控制，采用STEP軟件編制了相關PLC控制程序。這比開環液壓調速控制系統，控制簡單，穩定性好，調速方便，工作可靠、操作簡便、調試方便和易于維修保養。

圖7 S7-300程序結構圖

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

[1]李浩.電液比例控制技術在耙頭絞車主動補償系統中的應用研究[J]. 液壓與氣動, 2013(4): 66-68.

[2]陳四華.船用輸送裝置控制系統冗余設計[J].機電設備, 2012(2): 58-59

[3]於又玲,劉明春,曾志鋼,等.剪叉式升降機液壓系統的設計[J]. 液壓與氣動, 2008 (11): 25-26.

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

[5]成大先.機械設計手冊(第四版)[M]. 北京:化學工業出版社, 2002.

[6]液壓傳動與控制.機械設計手冊單行本[M]. 北京:機械工業出版社, 2007.

1～4月我國船舶工業經濟運行情況 1

2014年前4個月，船舶工業行業經濟運行繼續保持平穩，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增長，主要工業經濟指標同比企穩回升。

三大造船指標兩升一降

1～4月份，全國造船完工1036萬載重噸，同比下降24.9%；承接新船訂單3030萬載重噸，同比增長160%；4月底，手持船舶訂單1.5015億載重噸，同比增長43.2%，比2013年年底增長14.6%。

1～4月份，全國完工出口船948萬載重噸，同比下降17.2%；承接出口船訂單2897萬載重噸，同比增長174%；4月底，手持出口船訂單1.4084億載重噸，同比增長57.5%。出口船舶分別占全國造船完工量、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，主要從事方向為機電液系統設計和研究。