基于PLC的大型物體同步升降控制系統設計

石東東

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300461)

0 引言

同步升降技術廣泛應用于海洋鋼結構稱重、道路橋梁建造、大型設備安裝、建筑結構升降、現存建筑的調平、船體升降等大型物體同步升降工程領域。如海油集團公司所屬的大型采油平臺的同步頂升稱重工程、鄭州鄭開大道西干渠橋整體抬高工程、北京國家體育場鋼結構卸載工程等。這些應用領域對同步升降控制系統的穩定性、可靠性和安全性要求普遍較高。

可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller,PLC)控制技術是一種在工業上通用的自動化控制技術，具有可靠性高、安裝方便、編程容易、運行速度快、抗干擾能力強、操作維護簡單等優點。在工業領域，機械設備自動控制系統、生產流水線自動控制系統、生產過程的自動控制系統等多采用PLC來實現[1]。

本文針對大型物體同步升降控制高穩定性及高可靠性的要求，設計了一種以西門子PLC為核心，集現場總線技術、測控技術為一體的大型物體同步升降控制系統。

1 同步升降控制技術基本原理

大型物體同步升降工程的工藝過程一般包括同步頂升(加載)、稱重、同步下降(卸載)等幾個步驟，部分工程應用還包含平移步驟。

大型物體同步升降系統一般包括控制系統、液壓系統、電氣系統及附屬設備，控制系統用來控制多個液壓缸的同步頂升或下降，從而實現大型物體的頂升或下降，即“多點同步控制”。大型物體升降過程中，若控制點的同步性控制不好會造成升降系統崩潰，導致嚴重安全事故。其中下降步驟同步性控制不好，危險性更大。

同步升降控制系統為典型的閉環控制系統[2]，其閉環控制原理如圖1所示。控制系統通過壓力傳感器檢測各液壓缸壓力值，同時通過位移傳感器檢測各升降點位移值，并實時傳遞給PLC控制器。PLC控制器根據預設的安全閥值、控制邏輯及采集到的壓力和位移值，經過邏輯計算，輸出控制指令給各液壓泵站及液壓電磁閥，從而每次選擇一個或一組液壓缸交替動作，控制各升降點的升降。

由此可知，所謂同步頂升或同步下降并非多個液壓缸同時頂升或下降，而是利用大型物體允許的柔性，每個升降點交替的頂升或下降，保持每個升降點的壓力和位移相對同步。

圖1 同步升降系統閉環控制原理

2 控制系統硬件組成

2.1 通訊網絡設計

需要頂升的大型物體一般具有占地面積大、需升降點多、現場控制設備較多、PLC控制信號需要到達各升降點、控制信號傳輸距離長等特點。根據現場應用工況特點，本系統采用簡單、可靠、經濟實用的現場總線(Fieldbus)技術解決PLC控制器與現場控制設備的通訊及信息傳遞問題。根據西門子現場總線通訊設備(Profibus-DP)的特點，采用現場總線的環形網絡拓撲結構，如圖2所示。

2.2 硬件設計

基于PLC控制技術的大型物體同步升降控制系統由操作臺、工控機、PLC控制器主站、PLC現場從站以及現場輸入輸出設備(I/O設備)等通過多點接口通信技術(Multi Point Interface，MPI)和Profibus-DP等工業控制網絡連接而成(見圖2)。操作臺、工控機、PLC控制器主站以及第0號PLC從站布置在控制室內。大型物體的每一個現場升降點布置一個PLC現場從站，PLC現場從站編號從第1號開始至編號x。

PLC控制器主站由電源、CPU、模擬量輸入(M1)、數字量輸入輸出等多個模塊(M2～M7)組成，如圖3所示。CPU是大型物體同步升降控制系統的核心，CPU采用西門子S7-300系列具有DP網絡及MPI通訊功能的S7-317-2DP模塊。模擬量輸入模塊通過壓力傳感器采集油泵壓力值。數字量輸入模塊采集操作臺面板的按鈕控制信號，并傳送給CPU；數字量輸出模塊接收CPU的命令控制油泵的啟停，并且控制操作臺面板指示燈輸出相關狀態信號。

圖2 升降控制系統網絡連接及硬件組成示意圖

圖3 PLC硬件系統組成圖

工控機和操作臺的主要功能是人機交互。工控機運行上位機程序，同時具有程序修改、自動控制、實時顯示、報警處理、輸出打印報表等功能。利用操作臺面板控制按鈕可以單獨控制每個液壓缸的升降，完成手動控制相關功能。

每個PLC現場從站均由通訊模塊(IMx)、模擬量輸入(Mx1)和數字量輸出模塊(Mx2)組成。通訊模塊采用西門子ET200分布式遠程I/O系統模塊，用來實現Profibus-DP網絡通信功能。模擬量輸入模塊用來接收現場各個升降點的位移信號及各個油缸的壓力信號。數字量輸出模塊用來控制現場電磁閥的開關。

3 控制系統軟件設計

大型物體同步升降自動控制系統軟件分為下位機程序(即PLC控制程序)和上位機程序，上位機程序又分為人機交互程序(Human Machine Interface，HMI)和計算程序。

3.1 PLC控制程序

PLC控制程序是軟件系統的主程序，采用STEP7編程軟件平臺開發PLC控制程序。PLC控制程序具有以下作用：①采集現場I/O設備壓力、位移等模擬信號及操作臺按鈕控制等開關信號，輸出電磁閥通斷、油泵啟停、狀態燈開關等控制信號；②進行簡單的邏輯計算、聯鎖控制、定時控制等。

PLC控制程序采用模塊化編程，根據工況的不同，程序模塊分為自動模塊、半自動模塊、手動模塊、調試模塊、急停模塊等。自動程序模塊是PLC控制程序的核心模塊。控制系統采用自動程序運行時不需要人工干預，系統自動完成所有的操作步驟。

3.2 上位機程序

3.2.1 HMI人機交互程序

上位機程序的開發主要采用西門子視窗控制中心編程平臺，即SIMATIC WinCC程序。

HMI人機交互程序主要用來輸入參數及監控系統運行，包含多個交互界面。其中參數輸入界面用來輸入大型物體相關參數、控制閥值參數、升降系統組成參數等。另外還包含主控制界面、壓力監控界面、位移監控界面、油路電磁閥監控界面和報警界面等。

3.2.2 計算程序

上位機計算程序是軟件系統的關鍵程序，主要用于同步升降控制系統的自動運行模式，該模式由上位機計算程序和PLC控制程序相互配合完成。即PLC控制程序將其接收的現場傳感器信息傳輸給上位機計算程序，上位機計算程序通過內置的自動運行算法計算后輸出相應的控制指令給PLC控制程序，PLC控制程序通過PLC控制器控制現場相應設備動作，進而完成系統的自動運行。

自動運行算法分為壓力優先控制算法和位移優先控制算法[3]。壓力優先控制算法和位移優先控制算法是整個控制系統的核心。

壓力優先控制算法的原理是：當各個升降點的位移相同時，各個升降點的液壓缸壓力之和與該點的理論重力相等。以頂升步驟為例，若某升降點液壓缸壓力之和小于該升降點的理論重力時，說明該點位移較低，需要優先頂升。利用壓力優先算法運行自動控制程序時，首先遍歷各個升降點的液壓缸壓力，找出液壓缸壓力之和與該點的理論重力比值最小的升降點，優先打開該升降點各個液壓缸壓力不超限的電磁閥，按預設的頂升時間優先頂升該點。頂升時間達到預設的時間時停止頂升，再重新遍歷各個升降點的液壓缸壓力，如此循環直到達到要求的頂升位移為止。

位移優先控制算法是優先考慮每個升降點的位移量，再結合壓力優先算法控制升降點的升降。圖4為位移優先控制算法示意圖。

圖4 位移優先控制算法示意圖

如圖4所示，程序開始后，首先遍歷各個升降點的位移量，選取位移量較小的幾個升降點，然后求出所取升降點液壓缸壓力之和與該升降點理論重力比值最小的升降點，優先打開該升降點電磁閥，優先頂升該點。

4 結論

大型物體多點同步頂升、下降或移動是一項復雜的系統工程,存在著較大的安全風險，確保安全性和可靠性是大型物體同步升降工程施工的關鍵。本文設計的同步升降控制系統以西門子PLC控制器為核心，集現場總線技術、測控技術為一體，選型嚴格，程序設計巧妙，具有自動操作模式、半自動操作模式及手動操作模式，操作簡單，維護方便。在多個工程項目的運行結果表明該系統具有較高的安全性和穩定性。