在CAP1400屏蔽主泵安装小车顶升机构应用中多电动机同步控制系统可靠性的实现

孙波，涂凌志，李义，刘光虎，范志勇，张良

（中联恒通机械有限公司，长沙 410131）

0 引言

在CAP1400屏蔽主泵安装小车顶升机构应用中，由于CAP1400屏蔽主泵安装小车顶升机构本身对于可靠性的特殊要求，多电动机同步控制系统的可靠性是一个非常重要的问题。尤其是多顶升体在多台伺服电动机进行同步顶升时，必须保证顶升动作的同步一致性要求，防止负载发生偏移甚至倾覆。

控制系统的可靠性是指系统在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的能力[1]。可靠性主要表现在它的可使用性、可维护性、有效性和安全性等几个方面。可使用性是指系统在规定的条件下和规定的时间内使用的无故障性或使用寿命。可维护性是指系统在规定的条件下和规定的时间内按规定的方法或程序进行维修后，保持或恢复到规定状态的能力[1]。有效性是指系统在特定条件下能够发挥出色功能的概率。安全性是指系统在能够保证可靠地完成其规定功能的前提下能保证操作人员与维护人员的人身安全[1]。可靠性指标通常用概率来定义，常用的指标主要有可靠度、失效率、平均故障间隔时间、平均故障修复时间、平均寿命、利用率等。提高控制系统可靠性的措施主要有：1）提高元器件和设备的可靠性；2）提高控制系统的抗干扰能力；3）故障自诊断和容错技术；4）采用分散化结构。

CAP1400屏蔽主泵安装小车顶升载荷电气控制系统如图1和图2所示，主要由控制器、伺服驱动器、伺服电动机、旋转变压器（伺服电动机自带）、激光测距传感器、测力螺栓、信号调理器、I/O模块（就地）、手持操作器等组成。为实现通过对顶升受力、位置、运行速度等的实时检测来实现顶升机构的运动与负载平衡，其监控系统的可靠性及策略主要由以下几点来实现。

图1 控制系统组成图

图2 屏蔽主泵安装小车顶升机构电气控制系统布置图

1 采用测力螺栓进行静态载荷与动态载荷监控与保护

CAP1400屏蔽主泵安装小车顶升机构共分为4个独立的顶升机构单元，每个顶升机构单元配备3个测力螺栓进行受力检测，并将这3个测力螺栓信号就近接入1个信号调理器中，1个信号调理器能够同时处理4路测力螺栓信号调节。全系统总共有12个测力螺栓与4个信号调理器。负载的质量等于12个测力螺栓所测载荷之和。信号调理器的主要作用是在各测力螺栓不受力的情况下进行零位调节与调满标定。另外还配备了I/O模块将模拟量信号转换为CAN总线信号以提高信号的传输距离及稳定性与抗干扰能力，测力螺栓测力流程如图3所示。

图3 测力螺栓测力流程图

在无负载时能自动检测与分析测力信号，查看信号是否有扰动与干扰，能够通过信号调理器进行调整，实现人工校正或通过控制器内部程序计算自动修改标定测力螺栓零位偏移值，实现一键自动校零，保证测力信号的正确、稳定、可靠。即保证Yn=0(n=1，…，12)。当扰动值与干扰值出现严重失真时自动屏蔽此信号值参与控制，并在操作界面中进行报警指示，提示人员进行检修更换，以实现无负载情况下的故障自诊断和容错技术。

在承受负载初始状态时，控制系统能记住负载的初始值，并同时比较各测力螺栓的信号，计算分析出负载的重心点，提示与报警负载的摆放是否平衡，并警示某一单独或多个顶升杆是否因负载不平衡出现承受负荷超出设置范围等情况。实现静态承载情况下的故障自诊断和容错技术。

在负载承重起升与下降的运动过程中，控制系统能实时监视各测力螺栓的负载变化曲线，判断负载在运行过程中是否稳定正常，各顶升动作是否同步，并警示某一单独或多个顶升杆是否因为运动受阻而出现承受负荷超出设置范围等情况，以实现动态承载情况下的故障自诊断和容错技术。

2 采用伺服驱动器、伺服电动机、旋转变压器进行闭环控制与安全保护

在CAP1400屏蔽主泵安装小车顶升机构控制过程中，动作机构通过伺服驱动器、伺服电动机、旋转变压器一起对速度、位置、转矩值进行闭环控制与保护，此过程是通过旋转变压器实时对伺服电动机运行信号以脉冲信号形式进行测速与定位，先传送给伺服驱动器，再经由伺服驱动器处理后转发至控制器。伺服驱动器在收到旋转变压器的检测信号的同时，自身同时检测伺服电动机的电流及转矩，使伺服驱动器、伺服电动机、旋转变压器之间形成完整的速度、位置、转矩闭环控制。

在电气主回路安全保护中，每个伺服电动机回路都单独配置了断路器，以进行短路、缺相、过流保护；并且配置了单独的接触器，可以单独对伺服驱动器电源进行分合控制，在控制系统操作时，如果需要单独操作某个电动机，可以通过操作面板上的相应电动机使能开关进行电源的分合。伺服驱动器对于伺服电动机有精确控制与保护，比如电流、转矩、转速、位置等。并将这些信息参数通过CAN总线传输给控制器进行控制，通过手持操作器彩色液晶触摸显示屏进行显示。

3 采用激光测距传感器进行位置与速度校验

CAP1400屏蔽主泵安装小车每个顶升机构各安装一个激光测距传感器。激光测距传感器具有方向性强、亮度高、单色性好、响应速度快、不受环境温度影响、定位精度高、重复性好等特点。其控制流程如图4所示，在本控制系统中激光测距传感器主要起到以下作用：1）设置上下限位与极限。通过激光检测装置为每个顶升机构设置上升限位、上升极限、下降限位与下降极限，防止顶升机构过度上升或下降，防止损坏顶升机构。2）显示与校验顶升伸缩长度。通过激光检测装置实时显示各顶升的伸缩长度，并与对应的伺服驱动器之间相互校验位置信息的准确性，当两者之间的长度数据比较值超出一定范围时设备将报警、停机。3）显示与校验顶升速度。通过激光检测装置实时对每个顶升机构单位时间内的位置变化计算出对应顶升机构的伸缩速度，并将此速度与伺服驱动器的速度值进行相互校验，当两者之间的速度数据比较值超出一定范围时设备将报警、停机。4）实现顶升同步。通过激光检测装置对各顶升机构之间的位置进行实时比较，保证各顶升机构的伸缩同步，当各顶升机构之间比较值超出一定范围时设备将报警、停机。

图4 控制流程图

当激光检测装置与伺服位置检测装置中出现其中某一种长度位置检测失效的应急情况时。可实现指定另一种正常的位置检测方式为唯一位置控制方式进行位置同步的控制，保证同步操作系统的连续可靠。

4 采用CAN总线进行稳定通信

CAP1400屏蔽主泵安装小车顶升机构多电动机同步控制系统采用CAN总线连接控制器、手持操作器及显示屏、伺服驱动器、测力螺栓（通过就地I/O模块采集）、激光测距传感器（通过就地I/O模块采集）等。并在设备主体与控制柜、手持操作器之间采用插件联接，实现快速连接与更换。CAN总线的优点：1）具有通信速率快、传输距离远、实时性强、线间干扰小、抗干扰能力强、易实现、成本低、性价比高等优点。2）采用双线串行通信方式，可保证在系统有错误时即使多节点同时向总线发送数据，也不会导致总线短路造成数据丢失[4]。3）具有优先权和仲裁功能。各节点根据总线访问的优先权采用逐位相互竞争仲裁方式向总线发送数据。CAN协议摒弃了报文中含源地址与目标地址的站地址编码方式，而是采用标识符表示功能信息与优先级等的方式对通信数据块进行编码。各节点依据报文ID来接收或屏蔽报文，实现不同节点同时接收同一数据或多个CAN控制器连接到同一总线，形成一个多主机的网络，实现多主工作方式。4）可靠的错误处理和检错机制。检错能力强，可实现在强噪声环境下工作。当发送信息损坏时将自动重发。当某一节点出现严重错误时，该节点为不影响其他节点运行将自动关闭输出并退出总线，从而保证不会因某一节点存在错误而造成总线处于锁死或瘫痪状态。这些优点能够有效减少控制系统布线数量，方便控制设备的安装与拆卸，实现了控制系统的分散化布置；同时CAN总线有效地增加了控制系统的抗干扰能力，并且通过CAN总线的诊断功能能够智能判别各站点是否正常运行，有效提升了系统通信的故障自诊断和容错技术。

5 采用专用控制器进行可靠控制

CAP1400屏蔽主泵安装小车顶升机构多电动机同步控制系统使用工程机械专用控制器作为控制器。工程机械专用控制器具有以下特点：温度范围宽等级（-40～+70 ℃），可以工作在极端的温度环境下；具有较高的防振性与较强的抗冲击性；高防护等级（IP67），可直接工作在较脏、潮湿的环境中；具有较宽的电源输入范围，可承受由电瓶、发电机供电的电压波动；能够抵抗较高的导体和辐射干扰；非常长的工作时间，能够有效减少停机时间与维修费用；标准配置CAN接口，能够方便地通过CAN总线进行设备组网；编程语言与环境符合IEC61131-3国际标准；这些特点有效提高了设备整体的可靠性、稳定性、适用性与安全性。选用的就地CAN总线模拟量I/O模块也具有以上特点。

控制器同时向各蜗杆顶升机构伺服驱动器发出方向与速度控制指令，并同时接收伺服驱动器、激光检测传感器、测力螺栓检测的各蜗杆顶升机构的位置、速度及对应测力螺栓的载荷信号，检测并计算判断各蜗杆顶升机构是否同步运行。当各蜗杆顶升机构出现位置与受力偏差时，将通过调整相应蜗杆的运行速度实现各蜗杆之间的位置、速度及载荷平衡。如果出现各蜗杆之间在一段调节时间内无法实现平衡或不平衡趋势更加恶化时，设备将自动停止运行，并进行故障报警，请求人工干预，进行检查确认。

6 采用带彩色液晶触摸显示屏的手持操作器进行实时监控

CAP1400屏蔽主泵安装小车顶升机构多电动机同步控制系统采用带彩色液晶触摸显示屏的手持操作器作为操作与显示终端，以提高人机界面的友好性。手持操作器采用高防护、宽温域、宽电压的高可靠型号，其手持操作器布局如图5所示。

图5 手持操作器布局图

液晶显示屏上能够实时显示系统中各顶升机构的伸缩位置信息（激光），各顶升机构的伸缩速度信息（激光），各顶升机构的伸缩位置信息（伺服、可标零）,各伺服电动机的电流、速度信息，各伺服驱动器的上电、运行、故障信息，测力螺栓的实时数据信息，操作信息、运行信息及异常状况的报警信息、故障信息等。

对于操作模式，分别设置了“单独”操作与“同步”操作模式。在“单独”操作模式下，手持操作器上分别为每个顶升单元配备了使能按钮与上下操作按钮，以方便分别手动调节与测试各顶升机构。在“同步”操作模式下，在手持操作器上先选择需要同步的顶升单元使能按钮，再选择同步使能按钮与同步上下操作按钮，以实现设备工艺所需各顶升机构之间的同步运行。要使高差保护信息作用，必须按下位置标零开关。当出现紧急危险情况时，操作人员可以直接按下手持式操作盒上的急停按钮，通过手持式操作盒、控制器及伺服驱动器之间的CAN总线通信，各伺服电动机将立刻停止工作。另外还有遥控器电源开关、声光报警关闭开关、一键自动校零开关等。

7 采用服务器进行技术支持与数据储存

CAP1400屏蔽主泵安装小车顶升机构多电动机同步控制系统采用服务器进行技术支持与数据储存。控制器与服务器通信内容如图6所示，控制器具备RS232及CAN等通信接口能力，考虑到现场环境的复杂性，采用CAN总线作为数据通信接口，通过CAN总线通信接口与服务器建立通信，可实现与服务器中的专家数据库系统进行数据交换，能有效地为每台CAP1400屏蔽主泵安装小车顶升机构多电动机同步控制系统建立完整的实时、历史数据库信息。在每次负载运行时，通过与数据库中的历史数据进行对比，针对各种平衡与不平衡负载，能在线建议操作人员采用合理的优化运行方案，建议设备采用合理的运行速度曲线进行运行。实时、历史数据库信息还能将控制器传输给服务器的实时数据信息如控制器、伺服驱动器、I/O模块、CAN通信接口等各设备数据进行实时检测，通过对比历史数据，提前判别各设备可能出现的故障，防止CAP1400屏蔽主泵安装小车顶升机构在使用过程中突然出现设备安全事故。同时对于各设备的所有检测、运行与故障数据进行实时数据归档与备份。一台服务器可实现同时或分时与多台CAP1400屏蔽主泵安装小车设备进行数据交换，分别为每台CAP1400屏蔽主泵安装小车设备建立完整的数据信息。

8 结语

针对CAP1400屏蔽主泵安装小车顶升机构多电动机同步控制系统，本文提出了以工程专用控制器为核心的现场CAN总线控制系统，以CAN现场总线实现在控制器、显示器、伺服、测力螺栓及激光测距传感器之间的通信。在检测数据上实现了伺服闭环检测与激光传感器检测相互校验，测力螺栓载荷检测与位置、速度、转矩检测互为补充。这种方法实现同步的特点是：利用了静态与动态载荷的全过程监测，数字伺服的位置精度高、全闭环控制，激光测距传感器高检测精度检测，CAN总线可靠性高、传输时间短、抗干扰能力强，工程控制器的高可靠性控制，人机界面友好显示，服务器数据功能强大等优点。此方案不仅克服了传统控制方案中各种机械、电气元件的缺点与相互之间的干扰，而且还具有系统可靠性高、同步性能好、各伺服单元不互相干扰、控制精度高、维护方便、操作智能、界面友好等优点。

图6 控制器与服务器通信内容