基于PLC的水下切割装置速度控制系统研制

惠胜利，陶杰，王儒，邢毅川，牟宪民

(1.海洋石油工程股份有限公司，天津300462;2.大连理工大学，辽宁大连116024)

作为海洋工程技术的重要组成部分，水下切割技术已经成为海洋资源开发不可缺少的支撑技术。水下切割设备的驱动多采用液压传动技术。相对于机械传动、电气传动以及气压传动，液压传动技术具有力矩大、传动平稳和自动润滑等优点［1］，被广泛应用于水下切割装置的驱动。

现有的水下切割装置不具有速度指示和速度控制功能，运行时操作人员根据经验调整液压系统的流量来控制液压马达的转速。由于液压系统内泄漏和外泄漏的存在，很多工况下，特别是液压马达负载变化较大时，使用流量来估计液压马达转速会产生较大的误差，而且控制的实时性也不能保证。为此实现液压马达转速和水下切割装置速度的自动控制十分必要。

水下检测是一项复杂的系统工程，复杂的工作环境及较高的精度要求使一些常用的检测方法难于实施。特别是深水检测，其压力大、传输距离远和能见度低等恶劣条件，大大增加了水下切割装置的控制难度［2］。文中设计的方案采用PLC 远程监测液压马达转速，折算成水下切割装置的运行速度，利用流量调节阀调整液压马达的流量，使用PID 控制器控制切割装置的运行速度。该系统可以完成切割速度的设定以及自动控制，达到精确切割的目的。

1 系统概况

水下切割装置的液压控制系统的原理框图如图1所示。系统为定压系统，采用阀控液压马达方式运行，主要由油泵、液压阀、压力表、节流阀、换向阀和液压马达构成。液压泵向液压马达提供动力，压力表显示压力，流量计显示液体流量，经由节流阀的液体驱动液压马达转动，再通过减速机构驱动切割装置。其中手动换向阀用来改变液压马达的旋转方向，实现切割装置正向和反向运行。

图1 原有手动液压系统控制回路原理图

系统在运行时，操作人员观察流量计的指示流量，通过调节节流阀的开度，调节系统中流量的大小，来控制液压马达的转速，实现对切割速度的控制。给出了液体流量和切割装置运行速度的对应关系，如表1所示，用于手动控制时估算切割装置的运行速度。

表1 流速及运行速度对应表

从表1 可以看出:给出的液体流速和对应的切割速度基本满足线性关系，但仅给出了少数几个工作点。操作人员一边观察流量，一边调节流量，不能实现切割速度的精确控制。另外，由于液压控制系统中存在内部泄漏和外部泄漏，随着切割过程中液压马达负载的变化，泄漏量也不同，用流量估计切割装置的运行速度产生的误差较大［3］。

2 改造方案

为实现切割速度的精确控制，需要采用速度传感器实时检测切割速度，和设定速度进行比较，利用控制器控制液压马达的转速，实现切割速度的自动控制。

图2 切割速度自动控制回路原理框图

2.1 速度检测方法

水下切割速度检测可以采用多种方案实现。针对水下切割装置的工作情况，考虑采用水下码盘检测液压马达的转速，通过折算，得到切割装置的实际运行速度。由于驱动切割装置的液压马达输出齿轮和切割行走机构采用齿轮链条连接，能够保证折算的精度。

液压马达转动时，带动码盘的转动部分旋转，码盘的转动圆盘刻有亮暗条纹，利用光电转换原理将转动速度转换成3 组方波脉冲，分别为A、B 和Z 相。其中A、B 两组脉冲相位差90°，可以判断旋转方向;Z 相每转输出一个脉冲，用于基准定位。

将码盘与液压马达轴通过联轴器连接，通过检测码盘的输出信号，计算马达转速。码盘构造简单，抗干扰能力强，可靠性高，适合于长距离传输。实际使用时直接选用满足密封、压力等要求的深水码盘，安装简便。

2.2 液压回路改造方法

为实现自动控制功能并保留原有手动控制功能，在原有的液压回路上增加一个液压回路，如图3所示。增加的液压回路通过手动闸阀与原液压回路相接，切割装置的速度及运行方向控制通过电动阀来完成。自动控制回路中，流量传感器将流量信号转换为脉冲信号，码盘将速度信号转换为脉冲信号，连接至PLC，进行PID 控制。

图3 增加自动控制功能的液压控制回路原理图

3 PLC 控制系统设计

PLC 控制器需要监测码盘输出的脉冲信号，折算成切割速度，经过PID 控制计算，输出模拟量电压控制电磁流量阀开度，调整液压马达流量，改变切割装置运行速度，满足给定的要求。根据系统需求，采用西门子S7-200 系列PLC。选用S7-226 型号CPU 作为核心控制器，226 型CPU 内部包含高速计数器，可以实现和码盘的直接接口，内部还包含PID 模块，易于实现PID 控制功能。选用模拟量输出模块EM213 作为流量阀的驱动，选用TP117 型号HMI 接口实现系统的状态实时显示。系统总体框图如图4所示。

图4 PLC 控制系统框图

其中系统可以接受特定功能按键输入，实现起停等功能，并通过指示灯指示当前工作状态。按键和码盘信号接至CPU226 的数字量输入(DI)端，指示灯和方向阀接至CPU226 的数字量输出(DO)端，模拟量输出(AO)端接至流量调节阀。

3.1 速度监测

高速计数器指令格式见表2［4］。

表2 高速计数器指令格式

根据系统的要求，选定高速计数器工作在模式9。两路脉冲输入A 相和B 相正交计数，当A 相时钟脉冲超前B 相时钟时进行增计数，而A 相时钟脉冲滞后B 相时钟时进行减计数。根据单位时间内的计数值容易计算出液压马达的转速，最后折算成切割装置的运行速度。

3.2 PID 控制器

PID 指令由助记符或操作码PID、使能输入端EN(语句表由前一条指令使能)、PID 运算的回路表TBL和PID 指令的回路号LOOP 构成。PID 指令必须在定时发生的中断程序中使用，当指令使用时，PID 指令根据回路表中断数据进行PID 运算，并得到输出控制量。PID 回路指令的基本格式见表3［4］。

进行PID 运算的前提条件是逻辑堆栈栈顶TOS值必须为1;在程序中最多可以用8 条PID 指令，PID 回路指令不可重复使用同一回路号(即，使这些指令的回路表不同)，否则会产生不可预料的结果。

表3 PID 回路指令的基本格式

PID 回路表中包含9 个参数，全部为32 位的实数，共占36 个字节，用来控制和监视PID 运算。PID指令回路表格式见表4［4］。进行PID 运算，PID 指令须编入定时中断程序中，由定时器控制PID 指令的执行频率。

表4 PID 指令回路表格式

3.3 人机接口HMI

采用西门子触摸屏TP170A 作为显示器，显示部分由4 个画面组成:欢迎画面、参数设置画面、控制按钮及状态显示画面和运行监视画面。其中，欢迎页面是系统的迎接页面。参数设置页面完成的主要功能是:PID 参数以及切割装置参数的设定(包括PID 的增益、采样时间、积分时间以及微分时间;切割速度上限、速度下限、速度变比、以及齿数齿距等)。程序可对切割装置的多种参数进行设置，当更换切割装置时，只需要在人机界面中进行参数更改即可，不必对控制程序进行改动，具有较强的适应能力。按钮及状态显示页面完成的主要功能是完成对切割状态设计以及显示(如:切割装置的运行、停止;自动控制和手动控制的切换;正转及反转的控制)。运行监视页面完成的主要功能是:设定切割装置的运行速度，被切割物体的半径及厚度;显示切割状态，如:切割速度、切割时间以及切割长度。所设计的人机界面画面框图如图5所示。

图5 HMI 画面框图

3.4 部分程序流程

自动控制程序完成的主要功能为:从人机界面中读取切割速度的设定值，被切件的半径以及厚度。开启定时器、计数器并开中断，中断连接为自动控制中断程序(每一个采样周期，初始为100 ms，产生一次定时中断，中断程序中执行PID 控制语句;进行运行速度、运行距离、运行时间的计算，并将PID 运算结果经过转换后送入模拟输出口，输出0～20 mA 电流驱动液压马达)。程序流程图如图6所示［5］。

图6 控制程序流程图

4 结论

为解决水下切割装置在水下运行时，运行速度估计误差较大的问题，采用PLC 作为主控制器，水下码盘作为速度传感器，采用比例流量阀实现液压马达的转速控制，实现了水下切割装置速度控制功能。解决了在实际使用过程中，用流量估计切割速度误差较大的问题。

［1］刘敏，赵方，王慧，等.液压传动技术在工程机械行走驱动技术中的应用与发展［J］.机械设计与制造，2006(6):31-33.

［2］彭学伦.水下机器人的研究现状与发展趋势［J］.机器人技术与应用，2004(4):43-47.

［3］吴元道.工程机械静液压传动装置［J］.液压气动与密封，2002(4):46-48.

［4］刘凤春，王林，周晓丹.可编程控制器原理与应用基础［M］.北京:机械工业出版社，2009.

［5］吕品.PLC 和触摸屏组合控制系统的应用［J］.自动化仪表，2010，31(8):45-51.

［6］蒋文斌，刘寿康，邹柏华.基于MATLAB/Simulink 的液压马达低速稳定性仿真研究［J］.矿冶工程，2008，28(1):94-96.