PLC控制技術(shù)在插銷式液壓升降平臺的應用

韓紹林，王守城，段俊勇，王 熙，董新華

(青島科技大學機電工程學院，山東 青島 266061)

液壓升降平臺是一種多功能起重、裝卸機械設備，依靠其升降平穩(wěn)準確、可實現(xiàn)大范圍的無級調(diào)速、可頻繁啟動、承載質(zhì)量大、易于實現(xiàn)自動化等特點[1]，有效地解決了工業(yè)企業(yè)各類升降工作中的難題，適用性廣。能承受大載荷的剪叉式液壓升降平臺由于受到結(jié)構(gòu)的限制，升降高度有限，難以實現(xiàn)大幅度的升降[2]，無法滿足高空作業(yè)的需求，而插銷式液壓升降平臺不但能夠承受較大的載荷，還能夠滿足大幅度升降的要求。

本文參考了海洋移動自升式鉆井平臺[3]的相關(guān)資料，運用液壓技術(shù)和自動化技術(shù)設計了一種插銷式液壓升降平臺，可方便地在多種場合往返，能運輸大噸位貨物到達高空，并能實現(xiàn)自動和人工雙重控制，可為其他升降平臺產(chǎn)品的研制提供參考。

1 插銷式液壓升降平臺液壓系統(tǒng)的組成

插銷式液壓升降平臺工作原理與海洋自升式液壓升降平臺類似，升降機構(gòu)中主液壓缸的伸縮配合上、下兩組插銷銷軸的交替插入和拔出，實現(xiàn)平臺主體沿立柱升降。升降機構(gòu)液壓系統(tǒng)主要由3部分組成，第一部分為用于不同場合往返移動對升降平臺起穩(wěn)定支撐作用的支腿承載平臺油路，包括4個支腿液壓缸Z1～Z4；第二部分是設計的核心，為升降平臺的主升降油路，包括4個主液壓缸G1～G4；第三部分是用來固定上環(huán)梁和下環(huán)梁的插銷式立柱油路，包括8個插銷液壓缸，其中C1～C4為上插銷液壓缸，C5～C8為下插銷液壓缸[4]。

支腿結(jié)構(gòu)如圖1所示，液壓系統(tǒng)原理圖如圖2所示。

圖1 支腿機構(gòu)示意圖

2 插銷式液壓升降平臺自動控制系統(tǒng)流程

德國西門子研發(fā)設計的S7-1200系列PLC(可編程邏輯控制器)能夠?qū)崿F(xiàn)各種方案的精準邏輯控制，其擁有功能強大、參數(shù)設置簡單方便、性能穩(wěn)定的指令集等特點?；赟IEMENS S7-1200 PLC的自動控制系統(tǒng)以控制液壓執(zhí)行元件的動作為基礎實現(xiàn)對液壓缸的控制，保證液壓系統(tǒng)的16個液壓缸按照預定的程序運行。運用PLC控制液壓缸具有接收指令快、運行精度高、同組液壓缸同步性好等特點[5]，具體的流程為：

1)控制支腿承載平臺缸位動作。啟動液壓系統(tǒng)，SIEMENS S7-1200 PLC控制電磁換向閥7使溢流閥8的先導閥口關(guān)閉，支腿液壓缸活塞桿頂出，在活塞桿達到預定的行程后，PLC命令換向閥22處于中位。同時，電磁換向閥7得電，其右位接通，液壓泵B1卸荷。

1,7—二位二通電磁換向閥；2,8—溢流閥；3,4—電動機；5—過濾器；6,14,15,16,17—單向閥；9—壓力表開關(guān)；10,11,13,22—三位四通電磁換向閥；12—順序閥；18,19,21—液控單向閥；20—電液比例調(diào)速閥 圖2 液壓系統(tǒng)原理圖

2)控制插銷式立柱升降缸位動作。插銷式立柱油路系統(tǒng)處于初始狀態(tài)，上、下插銷液壓缸活塞桿均在立柱內(nèi)。平臺上升時，PLC發(fā)出指令使換向閥10的左位接入系統(tǒng)，上插銷液壓缸回縮，活塞桿脫離立柱孔壁，上插銷液壓缸的壓力傳感器值為零，傳感器發(fā)出信號使主液壓缸伸出，此時下插銷承受全部載荷，主液壓缸帶動上環(huán)梁上升一個節(jié)距。上插銷液壓缸伸出，活塞桿伸出到預定位置后，上插銷液壓缸行程開關(guān)動作，液壓缸停止工作后自鎖，觸發(fā)下插銷液壓缸行程開關(guān)使換向閥11的左位接入系統(tǒng)，下插銷液壓缸回縮，活塞桿脫離立柱孔壁，下插銷液壓缸的壓力傳感器值為零，傳感器發(fā)出信號使主液壓缸回縮，此時上插銷承受全部載荷，主液壓缸上升一個節(jié)距。下插銷液壓缸伸出，活塞桿伸出到預定位置后，下插銷液壓缸行程開關(guān)動作，液壓缸停止工作后自鎖。平臺下降時，下插銷液壓缸開始動作，動作過程與平臺上升相似，只是順序相反。

3)控制主升降缸位動作。電磁換向閥13接到PLC的指令后左位接入系統(tǒng)，主液壓缸活塞桿開始頂出。當裝有位移傳感器的主液壓缸檢測到活塞桿的位置變化后發(fā)出信號，PLC將接收到的活塞桿位置信息存儲到寄存器中。將4個主液壓缸中的任意一個設置為主動液壓缸，其余的3個為從動液壓缸。以主液壓缸活塞桿的位移為參照，其余3個活塞桿的位移跟從其變化，以達到4個液壓缸同步的目的。4個活塞桿的同步性調(diào)節(jié)由PLC中的PID控制器完成。

4)循環(huán)動作。當主液壓缸活塞桿到達設定的位置后，PLC控制液壓泵B1卸荷，液壓泵B2接入油路開始供油。上插銷液壓缸動作，插銷插入銷孔，其控制原理依據(jù)2)和3)的控制原理，過程按照平臺液壓系統(tǒng)的插銷式立柱升降缸位動作過程和主升降缸位動作過程依次進行，直到平臺到達指定的位置[6]。升降平臺自動控制流程如圖3所示。

3 控制系統(tǒng)程序設計

3.1 主程序設計

插銷式液壓升降平臺有手動單步控制和自動控制兩種控制方式。由于兩種控制方式互不干擾，所以程序中的兩個功能模塊相互獨立[7]，可以在TIA Portal軟件的主程序Main[OB1]中分別調(diào)用手動單步和自動程序功能塊。主程序如圖4所示，控制系統(tǒng)操作面板如圖5所示。

圖3 自動控制流程圖

圖4 控制系統(tǒng)主程序

圖5 控制系統(tǒng)操作面板

3.2 PID控制程序設計

液壓升降平臺上升或下降時，很容易產(chǎn)生平臺受力不均導致4個主液壓缸不能同步運行的情形，容易造成液壓缸活塞桿在缸內(nèi)卡死的現(xiàn)象。通過S7-1200 PLC中的PID控制器控制從動主液壓缸電液比例調(diào)速閥的開度，使從動主液壓缸與主動主液壓缸位移同步[8]。主液壓缸同步控制系統(tǒng)如圖6所示，圖中p(t)為給定值，pv(t)為反饋量，c(t)為系統(tǒng)輸出量，M(t)為控制器輸出值，e(t)=p(t)-pv(t)。程序中PID指令的設置如圖7所示。

圖6 同步控制系統(tǒng)

圖7 PID指令參數(shù)設置

3.3 自動控制方式的程序設計

采用順序控制法設計自動控制的梯形圖程序。圖8所示為液壓升降平臺的自動控制系統(tǒng)順序功能圖，圖中的M表示存儲器的一種工作狀態(tài)，Q為控制線圈，I為行程開關(guān)。當接到相應的傳感器信號時，系統(tǒng)立即進入下一狀態(tài)，上一狀態(tài)自動終止。當按鈕輸入觸點I0.0按下，系統(tǒng)進入循環(huán)狀態(tài)，輸出觸點Q0.0響應，電機3啟動并默認執(zhí)行支腿液壓缸伸出動作；當觸點I3.0和I2.2通電時，輸出觸點Q0.3響應，電機4啟動并執(zhí)行上插銷液壓缸縮回動作；當觸點I3.1得電時，輸出觸點Q0.4響應，電機3啟動并執(zhí)行主液壓缸伸出動作；當輔助觸點M3.2得電時，輸出觸點Q0.5響應，電機4啟動并執(zhí)行上插銷液壓缸伸出動作；當輔助觸點I3.3得電時，輸出觸點Q0.6響應，電機4啟動并執(zhí)行下插銷液壓缸縮回動作；當輔助觸點I3.4得電時，輸出觸點Q0.7響應，電機3啟動并執(zhí)行主液壓缸縮回動作；當輔助觸點I3.5得電時，輸出觸點Q1.0響應，電機4啟動并執(zhí)行下插銷液壓缸伸出動作，如此循環(huán)實現(xiàn)平臺的上升直至到達指定位置。圖的右半部分為平臺下降到起點的流程，不再贅述。

圖8 自動控制方式順序功能圖

4 結(jié)束語

本文以插銷式液壓升降平臺應用于高空作業(yè)為研究方向，在分析其工作原理和控制方式的基礎上，基于PLC控制技術(shù)的高可靠性以及較強的抗干擾性和維護方便、易學易用等特點，給出了升降平臺自動控制的設計方案，采用PID指令控制策略，實現(xiàn)了4個主液壓缸的同步動作和平穩(wěn)運行，確保系統(tǒng)安全可靠地工作。