多功能疏浚實(shí)驗(yàn)臺車控制技術(shù)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

胡知斌，黃宗銳，張紅升

（中交疏浚技術(shù)裝備國家工程研究中心有限公司，上海 201208）

多功能疏浚實(shí)驗(yàn)臺車控制技術(shù)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

胡知斌，黃宗銳*，張紅升

（中交疏浚技術(shù)裝備國家工程研究中心有限公司，上海 201208）

在現(xiàn)代疏浚設(shè)備及施工工藝的研究中，大型疏浚施工實(shí)驗(yàn)平臺發(fā)揮了重要作用。文中設(shè)計(jì)的多功能疏浚實(shí)驗(yàn)臺車可以搭載耙吸平臺和絞吸平臺，分別模擬耙吸挖泥船和絞吸挖泥船在多種工況下的施工過程。臺車系統(tǒng)具有牽引力大、穩(wěn)速精度高、起制動功能強(qiáng)、過載能力強(qiáng)等特點(diǎn)。臺車采用直流自驅(qū)和絞車牽引兩種驅(qū)動形態(tài)。臺車的控制也分為直流自驅(qū)和絞車牽引兩套控制系統(tǒng)，兩套控制系統(tǒng)的控制理念一致，均以PLC為核心，采用變頻器調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，從而實(shí)現(xiàn)對臺車速度的控制，同時通過編碼器對臺車速度和位置進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。在完成系統(tǒng)電氣設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，通過對PLC的編程完成臺車運(yùn)行中各項(xiàng)設(shè)計(jì)指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

疏浚實(shí)驗(yàn)臺車；變頻器；直接轉(zhuǎn)矩控制；可編程序控制器（PLC）；自動控制

0 引言

隨著現(xiàn)代航運(yùn)業(yè)的發(fā)展，港口和船舶向大型化、深水化發(fā)展，使得當(dāng)前的疏浚工程量逐年上升，對疏浚工程的施工效率也要求越來越高。中國的疏浚業(yè)由于技術(shù)水平不高，導(dǎo)致在國際市場上競爭力較為薄弱[1]。建立起圍繞國家重大工程建設(shè)和行業(yè)發(fā)展需求的疏浚共性技術(shù)和關(guān)鍵裝備的研究、試驗(yàn)和工程化平臺，對我國疏浚技術(shù)和設(shè)備的研究和發(fā)展具有重要意義。為此，發(fā)改委和交通運(yùn)輸部聯(lián)合批復(fù)，在中交疏浚技術(shù)裝備國家工程研究中心有限公司古翠路基地投資建設(shè)了“疏浚技術(shù)裝備國家工程研究中心創(chuàng)新能力建設(shè)項(xiàng)目”。疏浚實(shí)驗(yàn)臺車是該項(xiàng)目的重要組成部分，可以搭載耙吸平臺和絞吸平臺，分別模擬耙吸挖泥船和絞吸挖泥船在多種工況下的施工過程。臺車的牽引力、速度、穩(wěn)速精度、起制動距離、負(fù)載能力等各項(xiàng)指標(biāo)均有較高要求，各項(xiàng)指標(biāo)的同時實(shí)現(xiàn)突破了國內(nèi)現(xiàn)有臺車技術(shù)。為此，本文分別對臺車的驅(qū)動裝置、行走安全系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測系統(tǒng)、自動控制系統(tǒng)等進(jìn)行了設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

1 臺車系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)和驅(qū)動系統(tǒng)

目前主流的耙吸挖泥船的航速一般為2～6 kn（1 kn=0.5 m/s），因此臺車的最大穩(wěn)定試驗(yàn)速度設(shè)計(jì)為3 m/s。臺車的起動和制動最大加速度設(shè)計(jì)為0.5 m/s2，所以臺車起動和制動的距離都為9 m。臺車的其他設(shè)計(jì)參數(shù)如下：軸距10.9 m；試驗(yàn)時最大水平牽引力140 kN；穩(wěn)速精度1%。綜合場地限制及功能需求，設(shè)計(jì)臺車由車架、驅(qū)動行走機(jī)構(gòu)、水平導(dǎo)輪機(jī)構(gòu)、測速輪、制動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)組成。實(shí)物如圖1所示。

圖1 臺車現(xiàn)場實(shí)物圖Fig.1 Site picture of the trolley

臺車的驅(qū)動分為直流自驅(qū)和絞車牽引兩種形態(tài)，通過電磁離合器進(jìn)行切換。電磁離合器吸合后，臺車由直流電機(jī)驅(qū)動。直流電機(jī)驅(qū)動具有調(diào)速范圍廣、穩(wěn)速精度高、起制動功能強(qiáng)、過載能力強(qiáng)、可弱磁調(diào)速等特點(diǎn)。但其牽引力不是無限增加的，它受輪軌間黏著系數(shù)的限制，經(jīng)計(jì)算選用4臺27 kW的直流電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動，最大提供20 kN水平牽引力。電磁離合器脫開后，臺車由絞車牽引驅(qū)動。采用2臺100 kN摩擦式絞車牽引，封閉繞繩，選用2臺355 kW的交流電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動，可以達(dá)到140 kN的牽引力要求。

綜上所述，本項(xiàng)目中臺車驅(qū)動系統(tǒng)是直流驅(qū)動加絞車牽引的組合系統(tǒng)，兩套系統(tǒng)相互獨(dú)立，通過電磁離合器進(jìn)行切換。臺車直流自驅(qū)系統(tǒng)由于其加速快、速度高、穩(wěn)速精度高的特點(diǎn)，適合大多數(shù)負(fù)載不大的耙吸挖泥模擬實(shí)驗(yàn)；若做原型耙齒實(shí)驗(yàn)或挖掘介質(zhì)較硬的工況下，絞車牽引系統(tǒng)驅(qū)動由于其牽引力較大則比較適合。

2 臺車控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

臺車驅(qū)動裝置包含直流自驅(qū)系統(tǒng)和絞車牽引系統(tǒng)，因此控制系統(tǒng)也分為直流自驅(qū)控制和絞車牽引控制兩套系統(tǒng)，分別由兩套PLC實(shí)現(xiàn)。兩套系統(tǒng)的控制原理類似：主站CPU作為系統(tǒng)的控制中心，與其它設(shè)備通過Profibus-DP進(jìn)行通信。控制中心接收各設(shè)備的狀態(tài)和參數(shù)信息，并通過以太網(wǎng)實(shí)時顯示在工控機(jī)界面上。控制系統(tǒng)經(jīng)過決策和運(yùn)算，得出控制指令，再經(jīng)由控制中心通過Profibus-DP下達(dá)至各個設(shè)備。系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)原理如圖2所示。

圖2 絞車牽引控制系統(tǒng)原理圖Fig.2 Schematic diagram of the winch traction control system

2.1 直流自驅(qū)控制系統(tǒng)

直流自驅(qū)控制系統(tǒng)的控制位置在臺車上，其實(shí)質(zhì)是由西門子S7-300PLC控制ABB直流調(diào)速器（DCS-800）驅(qū)動4臺直流電機(jī)帶動臺車行走。4臺直流電機(jī)采用并聯(lián)結(jié)構(gòu)，4臺電機(jī)的轉(zhuǎn)速同步通過勵磁電流來調(diào)節(jié)。

2.2 絞車牽引控制系統(tǒng)

絞車牽引控制系統(tǒng)的控制位置在控制房，其實(shí)質(zhì)是由西門子S7-300PLC控制2臺ABB變頻器（ACS-880）分別驅(qū)動2臺355 kW交流電機(jī)帶動絞車來驅(qū)動臺車行走。目前，采用變頻器進(jìn)行交流調(diào)速主要有U/f控制、矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制三種[2]。其中U/f控制是最基本的控制方式，但是其在低速運(yùn)行時轉(zhuǎn)差和電流大，動態(tài)性能較差。直接轉(zhuǎn)矩控制是高性能的變頻控制模式，其通過對定子磁鏈幅值的控制來有效控制磁通，對定子磁鏈旋轉(zhuǎn)速度的控制來控制轉(zhuǎn)速差，從而實(shí)現(xiàn)對電磁轉(zhuǎn)矩的控制[3]。直接轉(zhuǎn)矩控制的動態(tài)特性好，故本項(xiàng)目選用了采取直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的ABB變頻器。這里2臺電機(jī)的轉(zhuǎn)速同步問題采用變頻器的主從控制來解決，即1號變頻器為主，控制指令只發(fā)送給1號變頻器，2號變頻器跟隨1號變頻器。

3 臺車控制PLC程序設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

從運(yùn)動學(xué)角度看，臺車控制系統(tǒng)的實(shí)質(zhì)就是對臺車速度的控制。直流自驅(qū)系統(tǒng)和絞車牽引系統(tǒng)的控制理念都是通過變頻器調(diào)節(jié)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)臺車的速度控制。因此PLC程序的核心內(nèi)容是讀取速度反饋、讀取變頻器反饋信息并進(jìn)行運(yùn)算，對運(yùn)算結(jié)果進(jìn)行決策后給變頻器發(fā)送運(yùn)行指令和速度給定。要實(shí)現(xiàn)臺車的自動控制，PID算法是最常用的速度控制方法，本項(xiàng)目采取調(diào)用S7-300中的PID模塊FB41來實(shí)現(xiàn)。

3.1 臺車速度自動控制

本文研究的臺車速度自動控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示，圖中Ns為速度給定；Nf為速度反饋；其差值e給速度控制器來運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果給定到變頻器，由變頻器調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，形成閉環(huán)控制系統(tǒng)。

3.2 PLC軟件設(shè)計(jì)

圖3 速度自動控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖Fig.3 Block diagram of the speed automatic control system

STEP7編程軟件采用的是塊式結(jié)構(gòu)編程，OB塊中的OB1是系統(tǒng)操作程序與應(yīng)用程序在各種條件下的接口界面，用于控制程序的運(yùn)行，是必不可少的[4]。本系統(tǒng)PLC程序部分用到了主程序循環(huán)（OB1）、狀態(tài)檢測子程序（FB1）變頻器控制子程序（FB2）、PID算法（FB41）、速度檢測子程序（FB3）、變頻器通訊子程序（FC20）、安全限位檢測子程序（FC50）。主程序流程如圖4所示。

圖4 控制系統(tǒng)程序流程圖Fig.4 Flow chart of the control system program

其中狀態(tài)檢測子程序（FB1）主要用以檢測臺車的各種狀態(tài)并判斷臺車是否能夠啟動；變頻器控制子程序（FB2）用于變頻器的啟停以及速度給定等控制；PID算法（FB41）用于臺車速度的自動控制，其采用的是位置式PID算法[5]。位置式PID算法是數(shù)字PID的一種，不僅繼承了模擬PID的優(yōu)點(diǎn)，還將計(jì)算機(jī)控制與邏輯計(jì)算結(jié)合起來，并且由于軟件系統(tǒng)的靈活性，使得算法更加完善；速度檢測子程序（FB3）用于采集編碼器的數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)換為臺車的速度反饋給PID算法控制器；變頻器通訊子程序（FC20）將控制指令發(fā)送給變頻器并接收變頻器反饋的電機(jī)狀態(tài)；安全限位檢測子程序（FC50）用來檢測臺車兩端的安全限位，以保證臺車的行駛安全。

4 調(diào)試和結(jié)果

PID控制參數(shù)的整定比較困難，是整個控制系統(tǒng)的關(guān)鍵，一般有試湊法、經(jīng)驗(yàn)法、擴(kuò)充臨界比例度法[6]。本項(xiàng)目中對PID參數(shù)的整定采取經(jīng)驗(yàn)法調(diào)試確定，用湊試法需經(jīng)過多次反復(fù)的實(shí)驗(yàn)，為提高效率，在借鑒他人經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，按照本項(xiàng)目的指標(biāo)要求，經(jīng)過幾次先期實(shí)驗(yàn)得到些基準(zhǔn)參數(shù)，在基準(zhǔn)參數(shù)的基礎(chǔ)上再經(jīng)過實(shí)驗(yàn)確定更優(yōu)化的參數(shù)。本項(xiàng)目中軌道長度100 m，兩端各留20 m安全距離，穩(wěn)速段長度為60 m。在上述軌道上分別對絞車牽引系統(tǒng)和直流自驅(qū)系統(tǒng)在0～3 m/s速度區(qū)間段進(jìn)行了反復(fù)試驗(yàn)，其中直流自驅(qū)系統(tǒng)在1.5 m/s速度下的控制效果曲線如圖5所示。

圖5 直流自驅(qū)系統(tǒng)在1.5 m/s速度下的控制曲線Fig.5 The control curve of the DC self-drive system at 1.5 m/s speed

在圖5中，橫坐標(biāo)為時間，縱坐標(biāo)為控制系統(tǒng)對變頻器的速度給定，0～20 000對應(yīng)速度0～3 m/s。從圖中可以看出，直流自驅(qū)系統(tǒng)控制下臺車加速到1.5 m/s的時間為3.2 s，穩(wěn)速時間40 s，制動時間也為3.2 s，通過編碼器測得的加速距離和制動距離均為4.8 m；在實(shí)驗(yàn)中得到的數(shù)據(jù)顯示，直流自驅(qū)系統(tǒng)控制下臺車加速到3 m/s的時間為5.6 s，穩(wěn)速時間20 s，制動時間也為5.6 s，通過編碼器測得的加速距離和制動距離均為8.6 m。從各項(xiàng)指標(biāo)看均能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)語

本文通過疏浚技術(shù)裝備國家工程研究中心創(chuàng)新能力建設(shè)項(xiàng)目，主要針對疏浚施工實(shí)驗(yàn)平臺中的關(guān)鍵設(shè)備——多功能疏浚實(shí)驗(yàn)臺車的自動控制進(jìn)行了設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。從調(diào)試結(jié)果看，起制動能力、穩(wěn)速精度等各項(xiàng)指標(biāo)都能很好地滿足設(shè)計(jì)要求。今后對PID的參數(shù)還可進(jìn)一步優(yōu)化，以滿足不同的控制需求，適應(yīng)更多工況下的實(shí)驗(yàn)要求。

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Design and Realization of multifunctional dredging experimental trolley control technology

HU Zhi-bin,HUANG Zong-rui*,ZHANG Hong-sheng
（CCCC National Engineering Research Center of Dredging Technology and Equipment Co.,Ltd.,Shanghai 201208,China）

In modern research of dredging equipment and construction dredging construction,the large-scale dredging experimental platform plays an important role.Multifunctional dredging experimental trolley of this study can be equipped with trailing suction and cutter suction platform,simulate trailing suction hopper dredger and cutter suction dredger construction process in a variety of conditions.The trolley system has large traction,high precision of steady speed,strong starting and braking function,strong overload capacity and other characteristics.The driven form of the trolley is two kinds:DC Drives and Rope tow.Therefore,the trolley control system is two also,the two control systems have the same control concept,and both take PLC as the core.Motor speed is adjusted by converter.At the same time the position and speed of trolley are being monitored by the encoder.Therefore,it is a closed-loop control system.Upon completion of the design of the electrical system,the implementation of the design specifications of the trolley are achieved by programming the PLC.

dredging experimental trolley;converter;direct torque control;Programmable Logic Controller(PLC);automatic control

U616.1

A

2095-7874（2017）01-0042-04

10.7640/zggwjs201701009

2016-08-10

2016-10-25

胡知斌（1984— ），男，湖北英山人，碩士，工程師，信號與信息處理專業(yè)。

*通訊作者：黃宗銳，E-mail：huangzhongrui@CCCC-drc.com