PLC在车载式混凝土输送泵上的应用
摘要：本文利用西门子S7-100型PLC作为核心控制器搭建车载式混凝土输送泵的控制器，完成了控制系统软件程序的开发，利用该控制器，实现了对车载柴油机转速的自适应控制以及主油泵排量的无级变量自适应调节控制，有效实现了对柴油发动机与负载的功率自适应匹配控制，达到了节能的目的。
关键词：车载泵PLC 控制系统流程图
1 引言
随着经济的不断发展, 能源的日益紧张, 现代化施工对工程机械的智能化控制、节能减排等方面地要求越来越高, 老式的继电器控制已无法满足控制的需求; 随着机械、电子、计算机、控制理论等的发展,P L C 技术也得到了飞速的发展, 由于P L C能连续读取各种按钮、行程开关、速度传感器等信号, 再根据程序设定的各项参数,调用相应的执行程序, 在C P U 内进行逻辑分析、比较, 准确的控制各电磁阀、电机等按照严格的逻辑顺序动作, 同时也可将各项现场数据送入指定的内部数据存储器,便于用户从文本显示器中读取或查询, 因此在工业过程控制中得到了广泛应用。
车载式混凝土输送泵是一种利用管道将混凝土输送到施工现场的大型工程机械。
它以汽车底盘柴油机为动力, 驱动液压泵产生高压压力油, 进而驱动主油缸及与其相连的两个混凝土输送缸实现交替往复运动, 并在滑阀的有序配合动作下, 使混凝土不断地从料斗吸入输送缸并通过输送管输送到施工现场, 在机场、码头、道路、桥梁、建筑房屋等混凝土施工方面, 具有重要作用。
由于混凝土泵的施工场所环境恶劣, 在其控制系统的开发过程中, 需要首先考虑控制器的可靠性、抗干扰能力、通用性等, 而基于P L C 对混凝土泵控制系统,具有环境要求低、可靠性高, 抗干扰能力强、通用灵活、维护方便的特点, 并且较传统的控制电路, 控制系统的各项参数可以通过软件进行调整, 实现起来简便、稳定性好, 在混凝土泵车控制系统中得到了广泛的应用。
2 控制系统的硬件结构及设计
车载式混凝土输送泵工作时, 其混凝土输送量与发动机转速和主油泵的排量成正比。
通过对控制系统的设计,在满足泵送排量与功率的条件下, 根据工作
状况的变化, 控制系统自动调节发动机转速与主油泵排量,在排量达到要求后, 发动机在各种不同的工况下以不同的转速运行,无动作要求时自动降至怠速,达
到节能的目的。
控制系统硬件采用西门子S 7 - 2 0 0 型P L C 作为核心控制器, 中央模块型号为6ES7214-1AD23-0XB0,再配两个扩展模块。
共有3 0 个输入点, 2 6 个输出点。
系统分近控与遥控两种工作方式, 允许用户在近距离与远距离操作, 根据各种工况( 正泵、反泵、退活塞等) 分别对柴油机、液压系统等进行控制, 控制系统的I / O 点分配简图如图1 所示。
图1 控制系统I / O 分配简图
2 . 1 对柴油机转速的控制
作为主动力的柴油机, 其工作状况与工作效率直接影响着混凝土输送泵的工作
性能和寿命, 其工作转速直接影响整机的输出功率, 为了提高整机工作效率,
最大限度的发挥柴油机全程调速的性能, 通过对柴油机转速进行闭环控制实现
柴油机转速的自动调节。
柴油机转速闭环控制原理如图2所示。
图2 柴油机转速闭环控制原理
柴油机转速信号由发动机自带的转速传感器获取,PLC 从高速计数器(I0.1)对传感器的脉冲信号进行计数,再经速度检测中断子程序内部运算处理后计算出
实际转速ni ,系统设定的速度 ne与实际测得的柴油机速度ni 的偏差量Δn进行PID 算法处理后, 将输出量转换成相应数量的脉冲, 经PLC 高速脉冲输出端(Q 0.1)输出至步进电机驱动器, 功率驱动器将控制脉冲转换成步进电机线圈电流, 产生旋转磁场, 使转子旋转相应数量的步数, 再通过机械机构转换为直线位移
带动油门执行机构动作, 从而控制柴油机油门开度大小, 实现柴油机转速的自
动调节。
2 . 2 对主油泵排量的控制
主油泵为恒功率变量泵, 是泵送油路系统的主要部件, 油泵输出流量的大
小可通过调节电比例阀的控制电流来实现, 当电流最小时则达到最小排量。
系统软件通过改变Q 0 . 0 上电压的大小来改变电比例阀的线圈电流, 从而实现对排量大小的控制, 即通过程序进行P W M 控制, 产生占空比变化而周期固定的脉冲, 并经放大后对电比例阀进行控制。
调节分为手动与自动两种工作方式,自动调节时,程序根据工况不同,按设定的最佳排量自动加、减, 改变PWM 控制信号的脉宽值;手动调节时可通过排量调节按钮将排量从0% 到100% 进行调节,实现无级排
量调节。
3 控制系统的软件设计
P L C 程序采用模块化结构, 把各主要功能分别用子程序实现。
系统软件主要由主程序、速度检测中断程序和柴油机速度控制子程序、排量控制子程序等组成, 主程序根据需要调用不同的子程序。
整个控制系统的程序流程图如图3 所示, 各主要子程序的功能实现简述如下:
图3 控制系统的程序流程图
速度检测中断程序主要采用了西门子P L C 的高速计数器指令( H D E F ) ,初次扫描时即设置为定时中断, 间隔设定的周期, 将来自转速传感器的脉冲信号作为高速计数器的输入信号(I0.1),计算出当前柴油机的转速, 用于柴油机速度控制。
由于中断事件产生的速率远低于高速计数器的速率,用高速计数器可实现精确控制, 而与P L C整个扫描周期的关系不大。
柴油机速度控制程序则采用了P T O 高速脉冲串输出指令、P I D 回路控制等指令。
程序根据当前速度与设定速度的偏差量进行P I D 运算后, 将输出量转换成相应的数量脉冲, P T O 按照给定的脉冲个数与周期输出一串方波( 占空比为50%),可对步进电机的起动、升速、降速、调速整个过程进行控制。
排量控制子程序主要运用了西门子PLC 的脉冲输出指令(PLS),用于在高速输出点(Q0.0)上实现脉宽调制(PWM)功能,主要原理是产生一个占空比变化、周期固定的脉冲输出。
程序可根据各工况排量大小的要求更新当前脉冲的脉宽值, 从而实现对Q0.0 电压大小(电比例阀的电流大小) 的控制。
4.计算机节能控制技术
混凝土泵车在泵送作业时发动机的有效输出功率由液压泵输出给液压系统。
在确保扭矩、功率输出的情况下，节能前泵送混凝土时柴油机均在额定转速下工作，致使发动机长期工作在燃油消耗率很高的区域，没有工作在经济运行区，造成底盘动力系统的经济性能下降、机械损耗增加。
特别是在中载或轻载工况时，工作装置所需功率就会大大低于泵的输出功率，多余的功率就以各种形式在系统中消耗掉，造成极大的能量浪费。
因为混凝土泵车不全在满负荷状态下工作，所以整个作业过程中能量损耗率是非常可观的。
针对混凝土泵车存在的能耗问题，三一重工在多年工程机械开发经验的基础上，进行了上万次现场施工实验。
自主开发出以动力系统节能为控制目标，满足各种施工要求的节能控制技术：即在保证供油流量与作业功率的前提下，结合发动机功率特性曲线，根据当前柴油机速度、系统压力、流量等传感器采集的工作状态参数来判断混凝土泵送负载并通过计算机控制实现柴油机负荷自动匹配，进行发动机的转速、液压泵排量联合调节，实现系统的自动控制，其系统简单框如图4所示：
图4节能控制系统框图
在整个施工的过程中，根据所泵送的混凝土标号（强度）和所浇注混凝土对象的不同（即工况的不同），操作人员只需调节泵送排量操纵杆，使泵送量达到施工要求，计算机控
制系统再根据泵送负荷自动调节底盘发动机或变量泵，从而改变柴油机转速使设备在满足施工要求的最省油工况下运行，进一步降低柴油发动机的油耗，提高燃料的经济性，减少尾气排放量，达到节能环保的目的。
该技术目前已在混凝土泵车全面推广应用，下图为VOLVO大排量泵车节能整改前后的油耗对比如图5所示，经测试平均节油较以前泵车可达到15%以上。
图5柴油机节能前后油耗-排量对比图
5 结语
本文介绍了使用西门子S7-200 型PLC对车载式混凝土输送泵的柴油机转速及排量进行控制的方法, 通过搭建硬件系统, 开发应用软件系统, 实现了基于功率匹配的柴油机转速及主泵排量的自适应控制, 获得了良好的节能减排效果。
参考文献
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