，

(1.武漢地鐵集團(tuán)有限公司，武漢 430017；2.武昌工學(xué)院 土木工程學(xué)院，武漢 430065)

基于PLC的三維調(diào)整機(jī)同步控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

劉慶貴1，馬魁2

(1.武漢地鐵集團(tuán)有限公司，武漢430017；2.武昌工學(xué)院土木工程學(xué)院，武漢430065)

為了解決目前分段造船模式采用人工肉眼合攏準(zhǔn)確率低的現(xiàn)況，提出了三維調(diào)整機(jī)多機(jī)同步控制的思路，設(shè)計(jì)了基于西門(mén)子S7-200 PLC和工業(yè)無(wú)線以太網(wǎng)的同步控制方案;在同步控制系統(tǒng)方案中，利用PLC對(duì)工況數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取和計(jì)算，并將計(jì)算結(jié)果轉(zhuǎn)化為各維度油缸的位移值，同時(shí)各油缸內(nèi)置位移傳感器將動(dòng)作結(jié)果反饋給PLC形成閉環(huán)控制，從而保證同步控制的精確性;利用工業(yè)無(wú)線以太網(wǎng)作為數(shù)據(jù)的傳輸媒介，在保證數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定的前提下，操作者可以靈活變化位置;實(shí)驗(yàn)中將4臺(tái)機(jī)器組成一個(gè)系統(tǒng)，分別對(duì)X、Y、Z三個(gè)方向的油缸進(jìn)行同步位移測(cè)試，結(jié)果顯示系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確地進(jìn)行平移、頂升動(dòng)作，動(dòng)作過(guò)程中每臺(tái)三維調(diào)整機(jī)同方向油缸同步誤差滿足設(shè)計(jì)要求，實(shí)現(xiàn)了同步控制的效果。

三維調(diào)整機(jī)；PLC；同步控制；工業(yè)無(wú)線以太網(wǎng)

0 引言

隨著中國(guó)船舶工業(yè)的迅速發(fā)展，造船技術(shù)和質(zhì)量不斷提高，目前造船采用的都是現(xiàn)代造船總裝模式，這種模式在前期船體設(shè)計(jì)時(shí)就采用了模塊化設(shè)計(jì)，將船體分解成一段一段的模塊，建造時(shí)用大型吊車(chē)將各個(gè)分段移到船臺(tái)合攏位置，利用吊車(chē)對(duì)分段進(jìn)行空間姿態(tài)調(diào)整，最后在船臺(tái)合攏成型[1]。因此，對(duì)于對(duì)接合攏的精度要求很高，雖然目前在造船過(guò)程中采用工程機(jī)械對(duì)接合攏替代了傳統(tǒng)了人工肉眼對(duì)接合攏操作，但是準(zhǔn)確度和效率確十分低下，自動(dòng)化程度低。

數(shù)控三維調(diào)整機(jī)就是專(zhuān)為“分段總裝造船法”船體分段合攏工藝而設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)分段船體的橫向、縱向、上下3個(gè)維度，六個(gè)方向的多自由度移動(dòng)，可以自由地調(diào)整分段船體的姿態(tài)。大型吊車(chē)只需將船體分段初步吊裝到位，然后通過(guò)船體分段三維調(diào)整機(jī)進(jìn)行精確定位，因此可大大減少大型吊車(chē)的占用時(shí)間。

本文設(shè)計(jì)的基于PLC的三維調(diào)整機(jī)同步控制系統(tǒng)以西門(mén)子S7-200 PLC為核心，配制無(wú)線工業(yè)以太網(wǎng)模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，控制三維調(diào)整機(jī)XYZ三個(gè)方向的油缸，對(duì)船體分段進(jìn)行同步頂升、平移工作。利用三維調(diào)整機(jī)可以大大提高船體分段對(duì)接的高效性，實(shí)現(xiàn)高精度、高質(zhì)量地對(duì)接、合攏操作[2]。同時(shí)三維調(diào)整機(jī)自帶行走輪和吊裝孔，在平整的場(chǎng)地上，只需通過(guò)手柄上的走輪控制按鈕即可控制三維調(diào)整機(jī)的前進(jìn)、后退，轉(zhuǎn)向通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)手柄來(lái)控制，搬運(yùn)、移動(dòng)都十分方便，不受場(chǎng)地限制[3]。

1 三維調(diào)整機(jī)系統(tǒng)介紹

圖1 數(shù)控三維調(diào)整機(jī)機(jī)身結(jié)構(gòu)圖

三維調(diào)整機(jī)主要由行走、油缸和控制系統(tǒng)三部分構(gòu)成。如圖1所示。三維調(diào)整機(jī)為相對(duì)獨(dú)立單元，可聯(lián)動(dòng)也可單獨(dú)手動(dòng)操作。頂舉和平移為液壓驅(qū)動(dòng)，聯(lián)機(jī)時(shí)油缸位置為閉環(huán)控制，手動(dòng)時(shí)為開(kāi)環(huán)控制。行走由液壓閥控制液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，能夠?qū)崿F(xiàn)前進(jìn)、后退、緊急停止及加減速起停等功能，行走速度手動(dòng)給定。為了保證整個(gè)系統(tǒng)的安全性，行走與頂舉采用了分時(shí)操作。

控制系統(tǒng)輸入部分采集操作信息，通過(guò)遙控按鈕盒或多機(jī)同步控制箱控制X向、Y向、Z向的油缸伸縮，以此來(lái)調(diào)整船體位置。

單臺(tái)三維調(diào)整機(jī)安裝有3個(gè)油缸，分別為主油缸(船體高度Z方向)，兩個(gè)副油缸(船體寬度Y方向和船體長(zhǎng)度X方向)，每個(gè)方向的油缸內(nèi)安裝有直線位移傳感器，用來(lái)檢測(cè)油缸的位移值，主油缸安裝有壓力傳感器，用來(lái)檢測(cè)主油缸內(nèi)壓力。在調(diào)整過(guò)程中，各個(gè)油缸位直線移傳感器信號(hào)用來(lái)確定當(dāng)前油缸的具體位置，內(nèi)置式直線位移傳感器選用耐高壓型(耐壓值為700 bar)，并在油缸極限位置安裝耐高壓型限位開(kāi)關(guān)(耐壓值為700 bar)，當(dāng)油缸伸縮到極限位置時(shí)限位開(kāi)關(guān)動(dòng)作，控制系統(tǒng)得到信號(hào)后停止運(yùn)行以保護(hù)設(shè)備安全。每臺(tái)三維調(diào)整機(jī)都有獨(dú)立的控制的控制系統(tǒng)[4]，控制系統(tǒng)由S7-200PLC作為控制器，每臺(tái)控制器配置一個(gè)以太網(wǎng)模塊和無(wú)線工業(yè)以太網(wǎng)客戶端[5]，控制系統(tǒng)安裝于機(jī)身結(jié)構(gòu)內(nèi)，控制面板留有按鈕和指示燈，可以進(jìn)行本地控制，機(jī)身設(shè)置有觸摸屏，在整個(gè)操作過(guò)程中，可以通過(guò)安裝在機(jī)身面板的觸摸屏實(shí)時(shí)查看當(dāng)前油溫、油壓、XYZ向油缸等設(shè)備實(shí)時(shí)參數(shù)，觸摸屏界面如圖2所示。

圖2 機(jī)身觸摸屏界面

三維調(diào)整機(jī)在工作時(shí)每四臺(tái)為一組，可以多組同時(shí)工作，系統(tǒng)預(yù)留了48臺(tái)接口，可以方便后續(xù)進(jìn)行擴(kuò)展。所有的三維調(diào)整機(jī)全部由一個(gè)同步控制箱控制。

2 三維調(diào)整機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)主要由西門(mén)子PLC控制器、傳感器及觸摸屏等構(gòu)成硬件平臺(tái)，通過(guò)PLC程序控制各個(gè)電磁換向閥來(lái)實(shí)現(xiàn)X向、Y向、Z向的油缸伸縮，以此來(lái)調(diào)整船體分段位姿。

油缸的頂舉和平移為液壓驅(qū)動(dòng)，頂舉和平移油缸內(nèi)設(shè)置有位移傳感器，主頂升回路中設(shè)置有壓力傳感器和壓力表，機(jī)身上設(shè)置有顯示屏。聯(lián)機(jī)時(shí)油缸為位置閉環(huán)控制，手動(dòng)時(shí)為開(kāi)環(huán)控制。在調(diào)整過(guò)程中，各位移傳感器信號(hào)用來(lái)確定當(dāng)前油缸的具體位置，壓力傳感器用來(lái)計(jì)算主油缸的承載壓力。

單臺(tái)PLC控制系統(tǒng)數(shù)字量輸入主要采集3個(gè)走輪收放限位開(kāi)關(guān)信號(hào)，濾堵信號(hào)，熱繼保護(hù)信號(hào)及各個(gè)操作按鈕信號(hào)。數(shù)字量輸出主要控制行走輪的馬達(dá)、行走輪的收放、油泵啟停及相關(guān)指示燈等，如圖3所示。

行走保護(hù)：行走輪收放控制充分考慮了安全保護(hù)措施，3個(gè)走輪上每個(gè)走輪分別設(shè)置了兩個(gè)光電限位開(kāi)關(guān)，檢測(cè)行走輪的位置。三維調(diào)整機(jī)行走之前，走輪全部要放到位，3個(gè)走輪放下限位開(kāi)關(guān)全部檢測(cè)到走輪信號(hào)后才可以進(jìn)行行走操作，避免由于某個(gè)走輪未到位行走操作，存在安全隱患。同理，走輪收起限位開(kāi)關(guān)全部檢測(cè)到信號(hào)后，整個(gè)三維調(diào)整機(jī)機(jī)身平穩(wěn)扎實(shí)著地后才可以進(jìn)行船體分段頂升平移等操作，防止出現(xiàn)走輪支起的情況進(jìn)行船體分段平移和頂升操作損壞走輪甚至出現(xiàn)安全事故。

單臺(tái)三維調(diào)整機(jī)PLC控制系統(tǒng)模擬量輸入主要采集油溫、油壓、油缸壓力及位移信號(hào)。模擬量輸出控制給定XYZ三個(gè)方向油缸的比例閥放大器的信號(hào)，如圖4所示。單臺(tái)三維調(diào)整機(jī)PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)有良好的報(bào)警機(jī)制，當(dāng)油缸壓力、油箱溫度等超出預(yù)設(shè)定安全值時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)保護(hù)并進(jìn)行聲光報(bào)警，直到故障排除后方可進(jìn)行。

圖3 數(shù)字量接線原理圖

負(fù)載保護(hù)：在單臺(tái)三維調(diào)整機(jī)控制系統(tǒng)PLC內(nèi)設(shè)定船體分段三維調(diào)整機(jī)的Z向油缸的最大壓力值，當(dāng)壓力傳感器檢測(cè)到的Z向油缸壓力值大于設(shè)定的最大壓力值時(shí)，PLC的數(shù)字I/O接口的對(duì)應(yīng)輸出點(diǎn)斷開(kāi)、Z向油缸頂升液壓閥斷電，Z向油缸下降液壓閥通電，船體分段三維調(diào)整機(jī)的Z向油缸下降以保護(hù)油缸，同時(shí)配合直線位移傳感器信號(hào)實(shí)時(shí)判斷油缸位置，將油缸回落到零點(diǎn)位置進(jìn)行保護(hù)。

圖4 模擬量信號(hào)原理圖

閉環(huán)控制原理：系統(tǒng)將用戶設(shè)定的位移值轉(zhuǎn)換成數(shù)值，經(jīng)過(guò)計(jì)算得到模擬量信號(hào)電壓號(hào)，下傳到比例閥放大器驅(qū)動(dòng)板驅(qū)動(dòng)比例液壓閥[6]動(dòng)作，油缸內(nèi)置直線位移傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)位移值作為反饋值與設(shè)定值進(jìn)行比對(duì)，最終達(dá)到用戶設(shè)定值完成調(diào)整工作。

圖5 閉環(huán)控制原理圖

三維調(diào)整機(jī)共有3種控制方式，分別為：本機(jī)按鈕控制、單機(jī)遙控手柄控制及多機(jī)控制箱控制。

1)本機(jī)按鈕操作：設(shè)備在場(chǎng)地內(nèi)短距離移動(dòng)時(shí)，可操作行走輪控制手柄上的油泵起停、行走輪升降和進(jìn)退按鈕控制設(shè)備在場(chǎng)地內(nèi)就位。油泵啟動(dòng)后，可以通過(guò)進(jìn)退按鈕控制三維調(diào)整機(jī)在場(chǎng)地內(nèi)行走，行走速度手動(dòng)給定。到達(dá)指定位置后，通過(guò)機(jī)身控制面板按鈕控制油缸的平移、頂舉動(dòng)作。

2)單機(jī)遙控手柄控制：每臺(tái)三維調(diào)整機(jī)配備有遙控操作手柄，當(dāng)三維調(diào)整機(jī)單獨(dú)控制用于分段調(diào)整時(shí)，可通過(guò)單機(jī)遙控手柄上的按鈕控制平移及頂升油缸的運(yùn)動(dòng)。單機(jī)遙控手柄設(shè)有總急停、油泵啟動(dòng)、油泵停止、X向伸出、X向回縮、Y向伸出、Y向回縮、Z向頂升、Z向下降共9個(gè)按鈕，通過(guò)單機(jī)遙控手柄可以控制每臺(tái)三維調(diào)整機(jī)在XYZ方向的調(diào)整，也能夠控制每臺(tái)三維調(diào)整機(jī)油泵的開(kāi)啟、關(guān)閉和電源的緊急切斷。

3)多機(jī)控制箱控制：多臺(tái)三維調(diào)整機(jī)同步控制采用工業(yè)無(wú)線以太網(wǎng)通信的多機(jī)控制箱，將多臺(tái)三維調(diào)整機(jī)PLC通過(guò)工業(yè)無(wú)線以太網(wǎng)相連，多機(jī)控制箱操作按鈕通過(guò)數(shù)量字輸入模塊轉(zhuǎn)換成工業(yè)以太網(wǎng)信號(hào)，達(dá)到通過(guò)一個(gè)多機(jī)控制箱能夠同時(shí)控制多臺(tái)或者分別控制一臺(tái)三維調(diào)整機(jī)的目的。

3 無(wú)線同步控制系統(tǒng)實(shí)施

無(wú)線同步控制系統(tǒng)分為主端和客戶端，主端為多機(jī)控制箱，多機(jī)控制箱原理圖如圖6所示，主要配置有S7-200PLC、西門(mén)子人機(jī)交互界面6AV6 643-0CD01-1AX1、DP模塊、以太網(wǎng)模塊、菲尼克斯遙控主端FL WLAN 24 AP 802-11，客戶端即為單臺(tái)三維調(diào)整機(jī)控制系統(tǒng)。

圖6 多機(jī)控制箱原理圖

采用多機(jī)無(wú)線同步控制時(shí)，所有客戶端將選擇按鈕打到遠(yuǎn)程模式，即可通過(guò)多機(jī)控制箱進(jìn)行控制。操作時(shí)，首先進(jìn)行油缸回原點(diǎn)操作，然后將船體分段通過(guò)大型吊車(chē)放在多臺(tái)三維調(diào)整機(jī)上，之后進(jìn)行預(yù)頂升操作，預(yù)頂升操作完成后，在多機(jī)控制箱觸摸屏界面設(shè)置好各軸油缸位移值和各軸油缸速度，設(shè)置好同步位移差即可開(kāi)始操作，多機(jī)控制箱操作界面如圖7所示。

圖7 多機(jī)控制箱觸摸屏主界面

回原點(diǎn)工作原理：當(dāng)把機(jī)器布置到現(xiàn)場(chǎng)的時(shí)候，根據(jù)實(shí)際需要來(lái)選擇是否進(jìn)行回原點(diǎn)功能，回原點(diǎn)即X、Y油缸所在位置正好在油缸行程的中心位置，可伸可縮，操作時(shí)按住回原點(diǎn)按鈕，等設(shè)備開(kāi)始進(jìn)行回原點(diǎn)動(dòng)作時(shí)即可松開(kāi)，機(jī)器自行完成回原點(diǎn)動(dòng)作。

預(yù)頂升工作原理：設(shè)置預(yù)頂升壓力值，頂升油缸內(nèi)的壓力傳感器檢測(cè)油缸的負(fù)載壓力，當(dāng)某臺(tái)機(jī)器負(fù)載壓力達(dá)到設(shè)定值后，停止頂升，直到所有的機(jī)器都達(dá)到設(shè)定值后，完成預(yù)頂升功能，防止因?yàn)閆向油缸未接觸分段船體就進(jìn)行同步作業(yè)導(dǎo)致誤差。

同步位移差工作原理：例如四臺(tái)機(jī)器同時(shí)進(jìn)行Z軸頂升操作，設(shè)定同步位移差為10 mm，當(dāng)速度最快的超出最小的10 mm時(shí)，速度最快的機(jī)器停止動(dòng)作，等位移差減小到10 mm內(nèi)繼續(xù)動(dòng)作，直到完成設(shè)定的位移值，防止因?yàn)楦髋_(tái)三維調(diào)整機(jī)油缸速度不一致引起船體分段傾斜。

本設(shè)計(jì)1臺(tái)多機(jī)控制箱可以控制4臺(tái)三維調(diào)整機(jī)，這4臺(tái)三維調(diào)整機(jī)可以同時(shí)控制，也可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況任意組合控制。

同步多機(jī)控制箱通過(guò)工業(yè)無(wú)線以太網(wǎng)信號(hào)采集到單臺(tái)三維調(diào)整機(jī)傳感器信號(hào)，油溫、油壓、各個(gè)油缸所在位置等，設(shè)置3個(gè)油缸的目標(biāo)值，下達(dá)命令后，單臺(tái)三維調(diào)整機(jī)根據(jù)收到的命令開(kāi)始進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，直到達(dá)到目標(biāo)值后停止。在執(zhí)行命令過(guò)程中，如果某項(xiàng)數(shù)值達(dá)到報(bào)警值，則機(jī)器會(huì)發(fā)出聲光報(bào)警，同時(shí)停止運(yùn)行。

4 實(shí)驗(yàn)

將4臺(tái)三維調(diào)整機(jī)全部選中，首先執(zhí)行回原點(diǎn)操作，即各個(gè)油缸全部縮回至原點(diǎn)位置，然后進(jìn)行預(yù)頂升操作，為了記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)方便，將此時(shí)各個(gè)油缸的位移值定為0，然后按如下參數(shù)進(jìn)行設(shè)置：

Z軸位移值：20 mm，Z軸速度：2 mm/s;

X軸位移值：10 mm，X軸速度：1 mm/s;

Y軸位移值：10 mm，Y軸速度：1 mm/s。

設(shè)置完后開(kāi)始執(zhí)行同步操作。

同步操作執(zhí)行完后各個(gè)油缸的位移值如表1所示，系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中無(wú)報(bào)警。

表1 同步位移結(jié)束后各油缸的位移值 mm

在控制系統(tǒng)同步運(yùn)行過(guò)程中，各個(gè)油缸的實(shí)際位移值接近理論值，同步運(yùn)行過(guò)程平穩(wěn)，位移過(guò)程曲線如圖8～10所示。

圖8 X軸位移過(guò)程曲線

圖9 Y軸位移過(guò)程曲線

圖10 Z軸位移過(guò)程曲線

實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析：從表1可以看出，同步位移結(jié)束后，4臺(tái)三維調(diào)整機(jī)X向油缸的位移值與設(shè)定值的差分別為0.034 mm, -0.013 mm, -0.02 mm, 0.025 mm,Y向油缸的位移值與設(shè)定值的差分別為-0.017 mm, -0.024 mm, 0.13 mm, 0.035 mm,Z向油缸的位移值與設(shè)定值的差分別為0.013 mm, 0.046 mm, -0.02 mm, -0.025 mm。將各個(gè)油缸的位移差值取絕對(duì)值計(jì)算平均值，可以得出X軸油缸平均誤差為0.023 mm，Y軸油缸平均誤差為0.052 mm，Z軸油缸平均誤差為0.026 mm，雖然實(shí)際位移與設(shè)定值差值最大的為3號(hào)三維調(diào)整機(jī)的Y軸油缸，誤差達(dá)到0.13 mm，但是所有油缸平均誤差均小于設(shè)計(jì)誤差0.1 mm，因此各個(gè)油缸滿足設(shè)計(jì)要求。通過(guò)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行分析不難得出，誤差產(chǎn)生的原因來(lái)自比例閥動(dòng)作的反應(yīng)時(shí)間，這是不可避免的，在后續(xù)的研究中可以考慮改進(jìn)算法，對(duì)比例閥動(dòng)作的反應(yīng)時(shí)間進(jìn)行補(bǔ)償，進(jìn)一步減小誤差。

5 結(jié)論

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，三維調(diào)整機(jī)同步控制系統(tǒng)能穩(wěn)定準(zhǔn)確地完成船體分段同步平移和頂升工作，同步精度達(dá)到設(shè)計(jì)要求，相比傳統(tǒng)由人工肉眼對(duì)接合攏操作更加準(zhǔn)確，節(jié)省人力和大型吊機(jī)的占用時(shí)間，提高了船體分段對(duì)接的準(zhǔn)確性，而且投入成本相對(duì)很低，在生產(chǎn)企業(yè)具有工業(yè)應(yīng)用推廣價(jià)值。

[1]劉文艷，徐 平. 大型艦船分段自動(dòng)合攏系統(tǒng)[J]. 儀器儀表用戶, 2004,5(111):13-15.

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DesignandImplementationofThreeDimensionalAdjustingMachineSynchronousControlSystemBasedonPLC

Liu Qinggui1, Ma Kui2

(1. Wuhan Metro Group Co., Ltd.,Wuhan 430017，China; 2. Wuchang Institute of Technology, Wuhan 430065,China)

In order to solve the present situation of low accuracy of artificial joint closure in segmented shipbuilding mode, put forward a multi machine synchronous control method of three-dimensional adjustment machine, design the synchronization control scheme based on Siemens S7-200 PLC and industrial wireless Ethernet. In the scheme of synchronization control system, read and calculation condition data by using PLC, and the calculation results were transferred into the dimensions of the cylinder displacement value, while the cylinder built-in displacement sensor will be the result of the action of feedback to the PLC closed-loop control, so as to ensure the accuracy of synchronous control. Using industrial wireless Ethernet as the transmission medium of data, the operator can change the position flexibly, which is convenient and practical. In the experiment, a system composed of 4 machines, respectively X, Y, Z of cylinder three directions were tested, the results show that the system can be stably moving, lifting action, the same direction of the cylinder synchronization error of each machine meets design requirements in the action process, achieved synchronous control effect.

three dimensional adjusting machine; PLC; synchronous control; industrial wireless ethernet

2017-03-27；

2017-04-21。

劉慶貴(1984-)，男，湖北武漢人，碩士，工程師，主要從事自動(dòng)控制系統(tǒng)的研究開(kāi)發(fā)和項(xiàng)目管理工作方向的研究。

1671-4598(2017)10-0098-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.10.026

TP273; TP29

A