提高混凝土泵排量控制可靠度的冗余控制策略.pdf

交流 D OI ： 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 9 - 9 4 9 2 ． 2 0 1 4 ． 1 1 ． 0 3 2 提高混凝土泵排量控制可靠度的冗余控制策略 邵恩奇 ( 华菱星马汽车 ( 集团)股份有限公 司，安徽马鞍山 2 4 3 0 6 1 ) 摘要：混凝土泵排量控制的电气系统一般采用一路控制通道，一旦该控制信号通道出现故障，则泵将停止正常工作。为提高混 凝土泵排量控制的可靠度，介绍了一种基于冗余控制原理的四通道电气控制的技术方案。采用四冗余电气控制技术方案后，使 泵排量控制的可靠性 大为提高 。 关键词： 混凝土泵；排量控制冗余控制；电气控制 中图分类号 ：T U 6 4 6 文献标识码 ：B 文章编号 ：1 0 0 9—9 4 9 2( 2 0 1 4)1 l 一0 1 2 0一o 4 Re d u n d a n t Co n t r o l S t r a t e g y o f Co n c r e t e P u mp P u mp a g e Co n t r o l Re l i a bi l i t y SHAO En —qi ( Hu a l i n g Xi n g ma Au t o mo b i l e ( g r o u p)C o ． ，L t d，Ma a n s h a n 2 4 3 0 6 1 ，C h i n a) Ab s t r a c t ： Co n c r e t e p u mp p u mp a g e c o n t r o l o f e l e c t ric a l s y s t e m g e n e r a l l y a d o pt s t h e c o n t r o l c h a n n e l a l l t h e wa y， wh e n t h e c o n t r o l s i g n a l c h a nn e l f a i l s 。 p u mp wi l l c e a s e t o wo r k pr o p e r l y ． I n o r d e r t O i mp mv e t h e r e l i a b i l i t y o f c o n c r e t e p u mp p u mp a g e c o n t r o l ， t h i s p a p e r i n t r o d u c e s a k i n d o f b a s e d o n r e d u n d a n c y c o n t r o l p rin c i p l e o f t h e t e c h n i c a l s c h e me o f e l e c t r i c c o n t r o l o f f o u r c h a n n e l s ． Aft e r a d o p t e d f o u r r e d u n d a n c y e l e c t ric c o n t r o l t e c hn o l o g y s o l ut i o n s ， h a s g r e a t l y i mpr o v e d t h e r e l i a b i l i t y o f the p u mp p u mp a g e c o n t r o 1 ． Ke y wo r d s ：c o n c r e t e p u mp；p u mp ~e c o n t r o l ；r e d u n da n c y c o n t r o l ；e l e c t ric al c o n t r o l 1 控制泵车排量的电气系统简介 混凝 土泵 排量 控制 是在 正泵 、反泵 的基 础 上 ，通过改变主变量泵上比例电磁 阀 ( D T )的平 均电流 ，从而改变主变量泵 的流量 ，也 即改变了 泵车的排量 。早期的混凝土 泵采用一路排量通道 控制 ， 一 旦出现故障 ，混凝土泵将 停止工作 ，所 以设计 了四冗 余度排量通道，这样 ，可以 大大提高混凝土泵排量控制 的可靠度，下面谈谈泵车排 量 通道 四冗余 度 控 制 的硬 件 、软件 以及故障通道诊 断 、切除的工作原理。 2四冗余控 制的硬件 实 现 如图 1 所示 ，该系统采 收稿 日期 ：2 0 1 4—0 5—3 1 用西 门子小型可编程逻辑控制 器 C P U 2 2 4 t 1 ，L +、 1 L +、2 L + 接 1 O A的保 险 F ，再接 电瓶正极 ，M、 1 M、2 M接 电瓶负极 ，Q 0 ． 1 为控制排量通道 的脉 冲 宽 度 调 制( P WM) 输 出 端 ， Q 0 ． 6 、 Q 0 ． 7 、 + 2 4 V B ．B + 图1 排量四冗余度控制原理图 郎恩奇：提高混凝土泵排量控制可靠度的冗余控制策略 经验 Q 1 ． 0、Q1 ． 1 为切 除故障排量 通道 的四个 输 出端 ， 分别连接到四个继电器 K 1 、K 2 、K 3 、K 4 的四个 线 圈。S B为排量调节钮子开关 ，其两触点上端接 到 F下 端 ，两 触点 下 端分 别接 到 P L C的输入 端 1 0 ． 6 、1 0 ．7 ，1 0 ．6 为排量减小输入端，I O ．7 为排量增 加输入端 。比例 电磁 阀 ( D T )一端接+ 2 4 V电 源 ，另 一端 接 1 0 ． 3 和 四个 继 电器 K 1 、K 2 、K 3 、 K 4 的四个常闭触点后，再接四个绝缘栅场效应管 的 四个漏级( D端 ) ，而 四个 绝缘栅场效 应管 的 四个源级 ( s 端)接地 ( 电瓶负极) ，四个绝缘栅 场效应管的四个栅级 ( G端)通过四个 1 0 k Q 、 3 0 k Q的电阻分压器连接到Q O ． 1 。1 0 ．3 为故障通 道监测输入端 1 。 3四冗余控制的主控程序 P L C 程序 ( S T L 语句) 部分段【2 叫如下 ： 初始化程序 I n i t i a l i z e 网络3 LD Al wa y s ——On ： S M0． 0 MOVB 2 5 0， Ti me _0_I n t r v l ： S MB3 4 ATCH I NT _0 ： I NT0， 1 0 ENI 网络4 LD Al wa y s 一 0n： S MO． O I T D 2 5 0 0 ，d w Ma x P Q — ． P W： V D 7 3 0 MO VD d w Ma x P Q — P W： V D 7 3 0 ，d w C u r r e n t — P Q _ P W： V D 7 3 4 M0 VD + 1 0 0，d wRe a l t i v e P Q： VD7 3 8 子程序 S e t P Q 网络 1 LD I _D e c P Q： 1 0 ． 6 A T _S e t P Q p e e d ： T 3 3 L PS AD > d w R e a l t i v e P Q ： V D 7 3 8 ，0 D E C D d w R e a l t i v e P Q： V D 7 3 8 LP P R T _S e t P Q p e e d ： T 3 3 ，1 网络 3 LD Al wa y s —．On ： S M0 ． 0 MO V D d w R e a h i v e P Q ： V D 7 3 8 ，A C 1 D d w Ma x P Q _ P W： V D 7 3 0 ，A C 1 MO VD AC 1 ，d w C u r r e n t P Q — ． P W： V D 7 3 4 ／ D + 1 0 0 ，d w C u r r e n t P Q P W： VD 7 3 4 子程序 P Q C h R e c o v e r 网络 1 L D b R e c o v e P Q C h ： M 1 4 ． 0 T O N r - P Q C HT e s t S h i f t ： T 2 0 3 ，+ 1 0 0 A W> = T _ P Q C H T e s t S h i f t ： T 2 0 3 ，+ 8 0 R r _ P Q C HT e s t S h i f t ： T 2 0 3 ， 1 R b R e c o v e P Q C h ： M 1 4 ． 0 ，1 M OVW O． VW 1 0 6 网络 2 L D b R e c o v e P Q C h ： M 1 4 ． 0 A Wd w C u r r e n t P Q _ P W： V D 7 3 4 ，+ 1 0 A D =d w P Q P WMC o u n t ： V D 6 9 0 ．+ 0 TON T_P Q C h E r r ： T 1 7 9 ．+ 8 4 泵车排量的四冗余控制策略 ( 1 )调节排量的P WM脉冲信号的输出 在子程序 I n i t i a l i z e 网络 1 中对 Q O ． 1 进行脉 冲 宽度调制 ( P WM)的初 始化 ，设定 Q 0 ． 1 的P WM 的输 出脉 冲的周 期 为 4 0 0 0 s ( 0 ． 0 0 4秒 ) ，也 即 Q O ． 1 的 P WM的输 出脉 冲 的频率 为 1 ／ 0 ．0 0 4 = 2 5 0 Hz 。在子程序 I n i t i a l i z e 网络4初始化输 出脉冲 的最大脉宽为 2 5 0 0 I x s，初始化最大相对排量为 1 0 0 ( 就是第一次开机时泵车的初始排量 ) 。在子 程 序 S e t P Q网 络 3中 ，给 出 了 当 前 相 对 排 量 ( V D 7 3 8 ) 、最大排量脉宽( V D 7 3 0 ) 和当前设定排量 脉宽( V D 7 3 4 ) 的关系：当前相对排量：一c 最大排量脉 宽／ 1 0 0 = 当前设定 排量脉 宽 。操 作 s B钮子 开关 ， 可以让 1 0 ．6 或 1 0 ．7 置 2 4 V，由子程序 S e t P Q网络 1 、 网 络 2可 以减 小 或 者 增 大 当 前 相 对 排 量 ( V D 7 3 8 ) ，使其在 0 ～ 1 0 0之间变化 ，从而改变当前 设定排量脉宽( V D 7 3 4 ) 从 0 — 2 5 0 0 I x s 之间变化。这 样 ，从Q O ． 1 输出的脉冲周期为40 0 0 Ix s，振幅为 DC 2 4 V，高 电平脉宽从 0 ～ 2 5 0 0 I x s可变 的脉 冲信 号 ，但此脉 冲信号功率太小 ，不能直接驱动主变 量泵上 比例 电磁 阀 ( D T ) ，必须经过绝缘栅场效 应管 的功率放大 。Q O ． 1 输 出的脉冲 电压如图 2 所示。 图2 Q o ． 1 电压 ( 2 )Q O ． 1 输 出脉冲的功率放大 Q O ． 1 的输出脉冲经过 1 0 k Q 、3 0 k f t 的电阻 分压后 ，在场效应管 的栅极 ( G端 )产生和 Q O ． 1 的输出脉冲频率( 2 5 0 U z ) 相同，但振幅为其四分之 一 ( 6 v )的脉冲信号 ，而场效应管 的源级 ( S 端 )接地 ( 电瓶 负极 ) ，所 以 ，场效应 管的栅极 ( G端 )和 源级( S端 )之 间 的 电压 为 频 率 2 5 0H z ，振幅为 6V的脉冲电压 ，如 图3 所示 。当 此脉冲为低 电平 时 ，场效应管的漏极( D端 )和 源极 ( S端 )之间的导电沟道 夹断 ，场效应 管的 漏极 ( D端 )和源极 ( S 端 )之间的电流为零 ；当 6 V 图3 场效应管栅、源间电压 此脉冲为高电平时，场效应管的漏极 ( D 端)和 源极( S 端 )之 间的导 电沟道打开 ，四个场效应 管的漏极 ( D端)和源极 ( s 端)之间的总电流为 U D T( D T两端电压)／ R 。 ( D T电阻 )= 2 4 伏／ 2 5 欧= 0 ． 9 6 A= 9 6 0 MA，所 以 ，流 过 D T的 电流 为频 率 2 5 0 H z ，振幅为9 6 0 MA的脉冲电流 ，如图四所示。 由上面可知，Q O ． 1 输 出的脉冲周期为40 0 0Iz s，高 电平 脉 宽 从 0 ～ 2 5 0 0 s可 变 的脉 冲信 号 ，所 以 ，流过 D T的电流脉 冲为周期 4 0 0 0 s，振 幅 9 6 0 M A，高电平脉宽从0 ～ 2 5 0 0 I t s 可变的脉冲， 这样流过 D T的平均 电流为 0 ／ 4 0 0 09 6 0 MA 一 2 5 0 0 ／ 4 0 0 09 6 0 MA可调 ，即 0 ～ 6 0 0 MA可调 ，从而实 现了主变量泵 的流量从最小到最大的调节。 ( 3 )排量故障通道的诊断与切除 在子程序 I n i t i a l i z e 网络 2中对 1 0 ． 3 输入 口对应 的高速计数器 HS C 4 进行初始化 ，定 义HS C 4为模 郎恩奇：提高混凝土泵排量控制可靠度的冗余控制策略 经验 式 0 。在子程序 I n i t i a l i z e网络 3 中对 时钟 中断进行 初 始 化 ，定 义 每 2 5 0 ms 调 用 一 次 中 断 程 序 0 ( I N T 0 ) 。当四个场效应管都正常的情况下，输入 1 0 ． 3的电压也是频率为 2 5 0 Hz ，振幅为 2 4 V的脉 冲 ，所 以 ，此时 高速计 数器 的计数 值 H C 4每秒 增加 2 5 0 ；当四个排量驱动通道 中某一个或 多个 出现故障 ( 短路 )时 ，1 0 _ 3 的电压被强制下 拉到 0 V ，执行中断程序0 ，此时高速计数器的计数值 H C 4 为0 ，由子程序 I N T _ 0 ( I N T 0 ) 网络 1 可知 ，在 当前设定排量脉宽( VD 7 3 4 ) > 1 0 ms ，且高速计数器 的计数值 H C 4 为0 两条件都满足的情况下，启用 延时接通定时器 T 1 7 9 ，延时 8 0 0 m s 后 ，排量驱动 通道故障中间寄存器 M1 4 ． 1 置 1 ，同时 ，在四个通 道没有全部故障 ( M1 3 ． 7 置 0 ) ，且泵 车不处 在正 泵状态和急停状态，排量驱动通道故障切除中间 寄存器 M1 4 ．0 置 1 。由子程序 P Q C h R e c o v e r 网络 1 可知 ，M1 4 ． 0置 1 启用 定时器 T 2 0 3 ，T 2 0 3的预设 值 为 1 0 0 。 由子 程 序 P Q C h R e c o v e r 网络 2可 知 ， M1 4 ． 0 置 1 ，且 0 < T 2 0 3 当前值< 2 0 时 ，变量寄存器 V 1 0 6 ． 3 、V 1 0 6 ．6 、V 1 0 7 ． 1 都置 1 ，由子程序 P Q ． C h R e c o v e r 网络 4 、 网络 5 、网络 6可 知 ，Q O ． 7 、 Q1 ． 0 、Q1 ． 1 同时也置 1 ，即K 2 、K 3 、K 4三继 电器 线 圈同时得 电 ，K 2 、K 3 、K 4 三个 常闭触 点 同时 断开 ，此 时只有通道一处于接通测试状态 ，在 O < T 2 0 3 当前值 1 0 m s ，且高速计数器的计数值 H C 4 仍 为 0 ( 即通道 一处于故 障短路 状态 ) ， M1 4 ． 1 在置 1 之后 5 0 0 ms( M1 4 ． 1 置 1 启用 5 0 0 ms 延时接通定时器 T 1 7 8 )M1 3 ． 0 置 1 ，此时 ，如果 四 个通道没有全部故 障 ( M1 3 ． 7 置 0 ) ，且 T 2 0 3 当前 值 ≥8 0 H ~ ( M1 4 ． 0置 0 ) ，由子 程序 P Q C h R e c o v e r 网 络 3 ，Q O ． 6置 1 ，K1 线 圈得 电 ，K1 常 闭触 点 断 开，处于故障短路状态的通道一被切除。同样道 理 ，当2 1 ~o v e r 网络 3 、网络 4 、网络 5 、网络 6可 知 ，Q O ． 6 、Q O ． 7 、 Q 1 ．0 、Q 1 ． 1 都置0 ，此时四个排量驱动通道都不切 I D S ] r_] r_] r_] 厂] 厂] r_] 一 图4 场效应管漏 、源问电流 断，通过 D T的平均 电流为最大 电流 ，泵车 以最大 排量工作，只是排量不能调节。如果四个场效应 管 中某个或多个 ( 少于 四个 )断路 ，输入 1 0 _ 3 的 电压脉冲不变 ，HC 4 计数值不变 ，系统正常工作。 5结束语 根据华菱 星马公司售 出的混凝土泵的故 障统 计结果 ，排量采用四冗余度排量控制，混凝土泵 排量平均无故障时间与采用一路通道控制的混凝 土泵相比，排量平均无故障时间延长一倍，大大 提高 了混凝土泵使用的可靠性。 参考文献 ： [ 1 ]胡学林． 可编程控制器原理及应用 [ M]． 北京：电子 工业 出版社 ．2 0 0 7 ． [ 2 ]徐德鸿． 电力电子技术 [ M]． 北 京：科 学出版社 ， 2 006 ． [ 3 ]西门子 ( 中国)有限公 司． s 7 — 2 0 0系统手册 [ Z]． 20 02． [ 4 ]西门子 ( 中国)有限公司． 可编程序控制器产品手册 [ Z ]．2 0 0 6 ． [ 5 ]翁瑞琪． 电子工程师手册 [ M]． 北京：机械工业出版 社 。2 0 0 6 ． [ 6 ]赵 明生． 电气工程 师手册 [ M]．北京 ：机械工业 出版 社 ．2 O 0 0 ． 作者简介：邵恩奇，男，1 9 7 6 年生 ，安徽舒城人 ，大学本 科 ，工程师。研究领域：工程机械智能化。已发表论文 1 篇。 ( 编辑 ： 王智圣) 匿 薹 薹 墨圜亘 誓