在CAP1400屏蔽主泵安裝小車頂升機構應用中多電動機同步控制系統可靠性的實現

孫波，涂凌志，李義，劉光虎，范志勇，張良

（中聯恒通機械有限公司，長沙 410131）

0 引言

在CAP1400屏蔽主泵安裝小車頂升機構應用中，由于CAP1400屏蔽主泵安裝小車頂升機構本身對于可靠性的特殊要求，多電動機同步控制系統的可靠性是一個非常重要的問題。尤其是多頂升體在多臺伺服電動機進行同步頂升時，必須保證頂升動作的同步一致性要求，防止負載發生偏移甚至傾覆。

控制系統的可靠性是指系統在規定的條件下和規定的時間內，完成規定功能的能力[1]?？煽啃灾饕憩F在它的可使用性、可維護性、有效性和安全性等幾個方面?？墒褂眯允侵赶到y在規定的條件下和規定的時間內使用的無故障性或使用壽命。可維護性是指系統在規定的條件下和規定的時間內按規定的方法或程序進行維修后，保持或恢復到規定狀態的能力[1]。有效性是指系統在特定條件下能夠發揮出色功能的概率。安全性是指系統在能夠保證可靠地完成其規定功能的前提下能保證操作人員與維護人員的人身安全[1]。可靠性指標通常用概率來定義，常用的指標主要有可靠度、失效率、平均故障間隔時間、平均故障修復時間、平均壽命、利用率等。提高控制系統可靠性的措施主要有：1）提高元器件和設備的可靠性；2）提高控制系統的抗干擾能力；3）故障自診斷和容錯技術；4）采用分散化結構。

CAP1400屏蔽主泵安裝小車頂升載荷電氣控制系統如圖1和圖2所示，主要由控制器、伺服驅動器、伺服電動機、旋轉變壓器（伺服電動機自帶）、激光測距傳感器、測力螺栓、信號調理器、I/O模塊（就地）、手持操作器等組成。為實現通過對頂升受力、位置、運行速度等的實時檢測來實現頂升機構的運動與負載平衡，其監控系統的可靠性及策略主要由以下幾點來實現。

圖1 控制系統組成圖

圖2 屏蔽主泵安裝小車頂升機構電氣控制系統布置圖

1 采用測力螺栓進行靜態載荷與動態載荷監控與保護

CAP1400屏蔽主泵安裝小車頂升機構共分為4個獨立的頂升機構單元，每個頂升機構單元配備3個測力螺栓進行受力檢測，并將這3個測力螺栓信號就近接入1個信號調理器中，1個信號調理器能夠同時處理4路測力螺栓信號調節。全系統總共有12個測力螺栓與4個信號調理器。負載的質量等于12個測力螺栓所測載荷之和。信號調理器的主要作用是在各測力螺栓不受力的情況下進行零位調節與調滿標定。另外還配備了I/O模塊將模擬量信號轉換為CAN總線信號以提高信號的傳輸距離及穩定性與抗干擾能力，測力螺栓測力流程如圖3所示。

圖3 測力螺栓測力流程圖

在無負載時能自動檢測與分析測力信號，查看信號是否有擾動與干擾，能夠通過信號調理器進行調整，實現人工校正或通過控制器內部程序計算自動修改標定測力螺栓零位偏移值，實現一鍵自動校零，保證測力信號的正確、穩定、可靠。即保證Yn=0(n=1，…，12)。當擾動值與干擾值出現嚴重失真時自動屏蔽此信號值參與控制，并在操作界面中進行報警指示，提示人員進行檢修更換，以實現無負載情況下的故障自診斷和容錯技術。

在承受負載初始狀態時，控制系統能記住負載的初始值，并同時比較各測力螺栓的信號，計算分析出負載的重心點，提示與報警負載的擺放是否平衡，并警示某一單獨或多個頂升桿是否因負載不平衡出現承受負荷超出設置范圍等情況。實現靜態承載情況下的故障自診斷和容錯技術。

在負載承重起升與下降的運動過程中，控制系統能實時監視各測力螺栓的負載變化曲線，判斷負載在運行過程中是否穩定正常，各頂升動作是否同步，并警示某一單獨或多個頂升桿是否因為運動受阻而出現承受負荷超出設置范圍等情況，以實現動態承載情況下的故障自診斷和容錯技術。

2 采用伺服驅動器、伺服電動機、旋轉變壓器進行閉環控制與安全保護

在CAP1400屏蔽主泵安裝小車頂升機構控制過程中，動作機構通過伺服驅動器、伺服電動機、旋轉變壓器一起對速度、位置、轉矩值進行閉環控制與保護，此過程是通過旋轉變壓器實時對伺服電動機運行信號以脈沖信號形式進行測速與定位，先傳送給伺服驅動器，再經由伺服驅動器處理后轉發至控制器。伺服驅動器在收到旋轉變壓器的檢測信號的同時，自身同時檢測伺服電動機的電流及轉矩，使伺服驅動器、伺服電動機、旋轉變壓器之間形成完整的速度、位置、轉矩閉環控制。

在電氣主回路安全保護中，每個伺服電動機回路都單獨配置了斷路器，以進行短路、缺相、過流保護；并且配置了單獨的接觸器，可以單獨對伺服驅動器電源進行分合控制，在控制系統操作時，如果需要單獨操作某個電動機，可以通過操作面板上的相應電動機使能開關進行電源的分合。伺服驅動器對于伺服電動機有精確控制與保護，比如電流、轉矩、轉速、位置等。并將這些信息參數通過CAN總線傳輸給控制器進行控制，通過手持操作器彩色液晶觸摸顯示屏進行顯示。

3 采用激光測距傳感器進行位置與速度校驗

CAP1400屏蔽主泵安裝小車每個頂升機構各安裝一個激光測距傳感器。激光測距傳感器具有方向性強、亮度高、單色性好、響應速度快、不受環境溫度影響、定位精度高、重復性好等特點。其控制流程如圖4所示，在本控制系統中激光測距傳感器主要起到以下作用：1）設置上下限位與極限。通過激光檢測裝置為每個頂升機構設置上升限位、上升極限、下降限位與下降極限，防止頂升機構過度上升或下降，防止損壞頂升機構。2）顯示與校驗頂升伸縮長度。通過激光檢測裝置實時顯示各頂升的伸縮長度，并與對應的伺服驅動器之間相互校驗位置信息的準確性，當兩者之間的長度數據比較值超出一定范圍時設備將報警、停機。3）顯示與校驗頂升速度。通過激光檢測裝置實時對每個頂升機構單位時間內的位置變化計算出對應頂升機構的伸縮速度，并將此速度與伺服驅動器的速度值進行相互校驗，當兩者之間的速度數據比較值超出一定范圍時設備將報警、停機。4）實現頂升同步。通過激光檢測裝置對各頂升機構之間的位置進行實時比較，保證各頂升機構的伸縮同步，當各頂升機構之間比較值超出一定范圍時設備將報警、停機。

圖4 控制流程圖

當激光檢測裝置與伺服位置檢測裝置中出現其中某一種長度位置檢測失效的應急情況時。可實現指定另一種正常的位置檢測方式為唯一位置控制方式進行位置同步的控制，保證同步操作系統的連續可靠。

4 采用CAN總線進行穩定通信

CAP1400屏蔽主泵安裝小車頂升機構多電動機同步控制系統采用CAN總線連接控制器、手持操作器及顯示屏、伺服驅動器、測力螺栓（通過就地I/O模塊采集）、激光測距傳感器（通過就地I/O模塊采集）等。并在設備主體與控制柜、手持操作器之間采用插件聯接，實現快速連接與更換。CAN總線的優點：1）具有通信速率快、傳輸距離遠、實時性強、線間干擾小、抗干擾能力強、易實現、成本低、性價比高等優點。2）采用雙線串行通信方式，可保證在系統有錯誤時即使多節點同時向總線發送數據，也不會導致總線短路造成數據丟失[4]。3）具有優先權和仲裁功能。各節點根據總線訪問的優先權采用逐位相互競爭仲裁方式向總線發送數據。CAN協議摒棄了報文中含源地址與目標地址的站地址編碼方式，而是采用標識符表示功能信息與優先級等的方式對通信數據塊進行編碼。各節點依據報文ID來接收或屏蔽報文，實現不同節點同時接收同一數據或多個CAN控制器連接到同一總線，形成一個多主機的網絡，實現多主工作方式。4）可靠的錯誤處理和檢錯機制。檢錯能力強，可實現在強噪聲環境下工作。當發送信息損壞時將自動重發。當某一節點出現嚴重錯誤時，該節點為不影響其他節點運行將自動關閉輸出并退出總線，從而保證不會因某一節點存在錯誤而造成總線處于鎖死或癱瘓狀態。這些優點能夠有效減少控制系統布線數量，方便控制設備的安裝與拆卸，實現了控制系統的分散化布置；同時CAN總線有效地增加了控制系統的抗干擾能力，并且通過CAN總線的診斷功能能夠智能判別各站點是否正常運行，有效提升了系統通信的故障自診斷和容錯技術。

5 采用專用控制器進行可靠控制

CAP1400屏蔽主泵安裝小車頂升機構多電動機同步控制系統使用工程機械專用控制器作為控制器。工程機械專用控制器具有以下特點：溫度范圍寬等級（-40～+70 ℃），可以工作在極端的溫度環境下；具有較高的防振性與較強的抗沖擊性；高防護等級（IP67），可直接工作在較臟、潮濕的環境中；具有較寬的電源輸入范圍，可承受由電瓶、發電機供電的電壓波動；能夠抵抗較高的導體和輻射干擾；非常長的工作時間，能夠有效減少停機時間與維修費用；標準配置CAN接口，能夠方便地通過CAN總線進行設備組網；編程語言與環境符合IEC61131-3國際標準；這些特點有效提高了設備整體的可靠性、穩定性、適用性與安全性。選用的就地CAN總線模擬量I/O模塊也具有以上特點。

控制器同時向各蝸桿頂升機構伺服驅動器發出方向與速度控制指令，并同時接收伺服驅動器、激光檢測傳感器、測力螺栓檢測的各蝸桿頂升機構的位置、速度及對應測力螺栓的載荷信號，檢測并計算判斷各蝸桿頂升機構是否同步運行。當各蝸桿頂升機構出現位置與受力偏差時，將通過調整相應蝸桿的運行速度實現各蝸桿之間的位置、速度及載荷平衡。如果出現各蝸桿之間在一段調節時間內無法實現平衡或不平衡趨勢更加惡化時，設備將自動停止運行，并進行故障報警，請求人工干預，進行檢查確認。

6 采用帶彩色液晶觸摸顯示屏的手持操作器進行實時監控

CAP1400屏蔽主泵安裝小車頂升機構多電動機同步控制系統采用帶彩色液晶觸摸顯示屏的手持操作器作為操作與顯示終端，以提高人機界面的友好性。手持操作器采用高防護、寬溫域、寬電壓的高可靠型號，其手持操作器布局如圖5所示。

圖5 手持操作器布局圖

液晶顯示屏上能夠實時顯示系統中各頂升機構的伸縮位置信息（激光），各頂升機構的伸縮速度信息（激光），各頂升機構的伸縮位置信息（伺服、可標零）,各伺服電動機的電流、速度信息，各伺服驅動器的上電、運行、故障信息，測力螺栓的實時數據信息，操作信息、運行信息及異常狀況的報警信息、故障信息等。

對于操作模式，分別設置了“單獨”操作與“同步”操作模式。在“單獨”操作模式下，手持操作器上分別為每個頂升單元配備了使能按鈕與上下操作按鈕，以方便分別手動調節與測試各頂升機構。在“同步”操作模式下，在手持操作器上先選擇需要同步的頂升單元使能按鈕，再選擇同步使能按鈕與同步上下操作按鈕，以實現設備工藝所需各頂升機構之間的同步運行。要使高差保護信息作用，必須按下位置標零開關。當出現緊急危險情況時，操作人員可以直接按下手持式操作盒上的急停按鈕，通過手持式操作盒、控制器及伺服驅動器之間的CAN總線通信，各伺服電動機將立刻停止工作。另外還有遙控器電源開關、聲光報警關閉開關、一鍵自動校零開關等。

7 采用服務器進行技術支持與數據儲存

CAP1400屏蔽主泵安裝小車頂升機構多電動機同步控制系統采用服務器進行技術支持與數據儲存?？刂破髋c服務器通信內容如圖6所示，控制器具備RS232及CAN等通信接口能力，考慮到現場環境的復雜性，采用CAN總線作為數據通信接口，通過CAN總線通信接口與服務器建立通信，可實現與服務器中的專家數據庫系統進行數據交換，能有效地為每臺CAP1400屏蔽主泵安裝小車頂升機構多電動機同步控制系統建立完整的實時、歷史數據庫信息。在每次負載運行時，通過與數據庫中的歷史數據進行對比，針對各種平衡與不平衡負載，能在線建議操作人員采用合理的優化運行方案，建議設備采用合理的運行速度曲線進行運行。實時、歷史數據庫信息還能將控制器傳輸給服務器的實時數據信息如控制器、伺服驅動器、I/O模塊、CAN通信接口等各設備數據進行實時檢測，通過對比歷史數據，提前判別各設備可能出現的故障，防止CAP1400屏蔽主泵安裝小車頂升機構在使用過程中突然出現設備安全事故。同時對于各設備的所有檢測、運行與故障數據進行實時數據歸檔與備份。一臺服務器可實現同時或分時與多臺CAP1400屏蔽主泵安裝小車設備進行數據交換，分別為每臺CAP1400屏蔽主泵安裝小車設備建立完整的數據信息。

8 結語

針對CAP1400屏蔽主泵安裝小車頂升機構多電動機同步控制系統，本文提出了以工程專用控制器為核心的現場CAN總線控制系統，以CAN現場總線實現在控制器、顯示器、伺服、測力螺栓及激光測距傳感器之間的通信。在檢測數據上實現了伺服閉環檢測與激光傳感器檢測相互校驗，測力螺栓載荷檢測與位置、速度、轉矩檢測互為補充。這種方法實現同步的特點是：利用了靜態與動態載荷的全過程監測，數字伺服的位置精度高、全閉環控制，激光測距傳感器高檢測精度檢測，CAN總線可靠性高、傳輸時間短、抗干擾能力強，工程控制器的高可靠性控制，人機界面友好顯示，服務器數據功能強大等優點。此方案不僅克服了傳統控制方案中各種機械、電氣元件的缺點與相互之間的干擾，而且還具有系統可靠性高、同步性能好、各伺服單元不互相干擾、控制精度高、維護方便、操作智能、界面友好等優點。

圖6 控制器與服務器通信內容