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1.3 现场总线在液压智能控制中的应用

现场总线(Fieldbus)是用于过程自动化、制造自动化、楼宇自动化等领域的现场智能设备互连通信网络。

1.3.1 现场总线的概念

现场总线作为工厂数字通信网络的基础,沟通了生产过程现场及控制设备之间及其与更高控制管理层次之间的联系。它不仅是一个基层网络,而且还是一种开放式、新型全分布控制系统。这项以智能传感、控制、计算机、数字通信等技术为主要内容的综合技术,已经受到世界范围的关注,成为自动化技术发展的热点,并将导致自动化系统结构与设备的深刻变革。国际上许多实力、有影响的公司都先后在不同程度上进行了现场总线技术与产品的开发。

现场总线设备的工作环境处于过程设备的底层,作为工厂设备级基础通信网络,要求具有协议简单、容错能力强、安全性好、成本低的特点:具有一定的时间确定性和较高的实时性要求,还具有网络负载稳定,多数为短帧传送、信息交换频繁等特点。现场总线系统从网络结构到通信技术,都具有不同于上层高速数据通信网的特色。

一般把现场总线系统称为第五代控制系统,也称作FCS现场总线控制系统。人们一般把20世纪50年代前的控制系统PCS称作第一代,把4~20mA等电动模拟信号控制系统称为第二代,把数字计算机集中式控制系统称为第三代,而把70年代中期以来的集散式分布控制系统DCS称作第四代。现场总线控制系统FCS作为新一代控制系统。一方面,突破了DCS系统采用通信专用网络的局限,采用了基于公开化、标准化的解决方案,克服了封闭系统所造成的缺陷;另一方面把DCS的集中与分散相结合的集散系统结构,变成了新型全分布式结构,把控制功能彻底下放到现场。可以说,开放性、分散性与数字通信是现场总线系统最显著的特征。

现场总线引入到电液系统的目的在于其主控模块特别适用于复杂的工业现场,具有电磁干扰低、抗干扰能力强、可以直接驱动多片电液比例阀等优点。由于总线上传输的信号是数字量,这样就大大地提高了电液系统的精度以及系统的抗干扰能力,从而改善了电液系统的性能与可靠性。

智能液压元件的基本功能之一是为液压元件服务的总线及其通信功能。

1.3.2 基于嵌入式控制器与CAN总线的智能监控系统

CAN总线是现场控制总线之一,它属于总线式串行通信网络,建立在国际标准化组织的开放系统互连模型OSI(open system interconnection)上。OSI由物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层、应用层7个层次组成,CAN总线实际只使用OSI底层的物理层和数据链路层。由于OSI的开放性、流行性和可靠性,使得以其为基础的CAN总线成为现场控制总线的首选类型。

嵌入式PLC系统具有体积小、成本低、抗干扰性强和可靠性高等特点,在现场控制中得到广泛应用。尤其是PLC所采用的开放式模块化体系结构与所具有的网络通信能力,使其能够完成复杂的机械装备现场监控任务,比较好地满足了现场控制系统的柔性化和开放性要求。在此,将嵌入式PLC和CAN总线技术应用于挖掘机电液控制系统。

(1)挖掘机电液控制系统的组成与工作原理

挖掘机是一种多用途工程机械,兼具军用与民用等功能,可以实施轻型工程装备牵引、救援作业,具有挖掘、起重、破碎、外孔等多种作业功能。其工作及行走装置主要是由铲斗、斗杆、大臂、行走履带及相应的操纵油缸、马达等组成的多自由度系统。挖掘机的操作比较复杂、安全性要求较高,导致驾驶作业人员的劳动强度很大。挖掘机向智能化发展是必然趋势。智能化工程机械通过各种传感器获取作业过程中的状态参数。挖掘机的智能化主要包含有3个方向,即挖掘机的智能监控、故障检测与预报、故障的远程诊断与维护技术,挖掘机单机智能化操控技术,以及基于网络的机群智能化控制与管理技术。将CAN局域网控制总线技术和嵌入式PLC技术应用于挖掘机的电液控制系统中,提高了电控系统的标准化和可扩充性,为今后的升级换代和走向国际市场打下良好的基础。

挖掘机电控系统由操控箱、显示器(虚拟仪表)、指示盒、信号中继盒、前悬臂中继盒、功率输出盒及安装在挖掘机作业机构和发动机上的传感器等组成,从功能上分为以下几个部分:

① 传感器部分 主要用来采集挖掘机工程过程中的状态信息参数,如液压缸极限位置检测,油缸的直线位移检测,左右回转马达的回转位移检测,液压系统压力、温度检测,滤清器堵塞状态检测,发动机转速、机油压力、水温等参数的检测。传感器的输出信号类型有开关量信号、模拟量信号、计数脉冲信号和压差信号,直接送入PLC控制器SPT-K-2023和SPT-K-2024中。

② 控制器部分 接收位置检测传感器、油缸位移传感器和马达计数传感器等的开关信号、模拟信号和脉冲信号,由控制器中的CPU处理后,数据分两部分输出:一部分数据送往到显示器(虚拟仪表),显示油缸等的位置信息、发动机状态信息、挖掘机作业状态报警信息等;另一部分数据送往电液比例阀等执行元件,控制油缸、马达等的动作,完成挖掘机的挖掘作业。

③ 显示器部分(虚拟仪表) 虚拟仪表采用显示器与主机集成设计,主要用来显示系统状态参数、挖掘作业的视频输入显示、挖掘向导功能及行驶导航功能。

④ 操作控制部分 操作控制面板上设置有液压系统的操作控制手柄、切换旋钮、拨挡开关、自锁按钮和指示灯等。操作人员通过这些按钮,控制挖掘机的挖掘、装卸载作业、短距行驶等。操作控制部分所产生的模拟信号和开关信号调制为CAN总线信号格式后输入到控制器,由其进行处理转换后输出到控制执行元件。

⑤ 执行元件部分 采用PSL型电控比例多路阀,该阀为德国哈威公司生产,可控制液压执行元件的运动方向和无级调节独立于负载的运动速度。控制器输出PWM信号至电磁阀线圈,通过激励电流大小控制阀的流量大小,控制液压元件的执行速度。

PLC控制系统的原理如图1-37所示。

图1-37 PLC控制系统原理图

(2)PLC控制系统的实现

挖掘机作业时,驾驶人员主要通过操作左侧位的斗杆/回转控制手柄和右侧位的动臂/铲斗控制手柄,产生4路模拟量控制信号,通过CAN总线传入到控制柜,控制相关的电液比例负载敏感控制阀,使斗杆油缸、回转马达、动臂油缸和铲斗油缸动作,完成挖掘作业功能。挖掘机行驶时,通过操作装置产生电信号,控制左右行走马达的电液比例阀动作,使马达正转或反转以及变速,实现挖掘机的行进和转向等功能。由此可见,挖掘机的电液控制系统是比较复杂的,输入参数和输出控制参数较多,因此采用了2台嵌入式软PLC控制器,一台作为主控制器,PLC控制器通过采集传感器的信号和操作人员的操纵控制信号,实现挖掘机的挖掘作业。主、辅控制器及主控盒之间通过CAN总线互连,数据通信采用CANOPEN协议,如图1-37所示。

① PLC的特点与选型 控制系统采用SPT-K系统控制器,该控制器为一种嵌入式的高性能工程机械专用软控制器,集成PLC、比例放大电路、数模/模数转换模块、继电器输出和PWM输出驱动为一体,特别适合在恶劣的环境条件下工作,该系列控制器的特点如下:

内置的嵌入式比例放大器,将多片阀的放大器集成为一体,输出可直接驱动电液比例阀,减少了外围辅助电路,有效提高了系统的可靠性;

模拟信号输入端子具备处理不同输入信号的能力,可连接电位计、热敏电阻、电流/电压信号变送器等多种工程信号,并可使用软件编程进行灵活设定;

基于CAN总线开发,提供了CANOPEN与CAN2.0两种总线接口,便于使用多个控制器组网。

由于挖掘机的液压系统比较复杂,共有15个模拟量输入、4个脉冲量输入、4个开关量输入、7个PWM输出,另有主控盒上的控制手柄和操作开关的信号输入,控制点多,控制逻辑复杂,因此采用2台控制器SPT-K-2023和SPT-K-2024构成主从式结构。另设置了作业显示终端进行状态参数的显示和导航、报警等参数的显示。各个部分之间通过CAN总线连接。

② 控制器资源配置 控制器的I/O资源配置如表1-6所示。

表1-6 I/O资源配置表

③ 电液比例阀的驱动方式 挖掘机的所有电磁阀的工作电压均为24V,负载敏感多路换向阀每联电磁阀的工作电流小于3A,可由PLC直接驱动阀芯动作。SPT-K-2023嵌入式PLC的PWM输出采用大功率MOS管图腾柱结构的推动级方式,输出引脚的特性为“正向电流输出型”。

嵌入式PLC的PWM输出口可以直接驱动电液比例阀,控制手柄操作电磁阀时,PLC采集角度传感器信号,经处理后改变PWM的输出驱动电流值,从而达到调整电液比例换向阀开度大小的目的。在控制过程中,PLC通过内置采样电阻来获取驱动电流的反馈信息,因此双向电液比例阀电磁线圈的驱动电路接线需采用2个输出引脚。由于双向电液比例阀的2个电磁线圈不会同时通电工作,所以对其驱动可采用3个引脚的接线方式,2个引脚接线圈的驱动输入接头,而第3引脚的电流返回线由2个驱动引脚共用。每个PWM电流返回引脚都具有单独的地址,能够与8个PWM输出端口的任何一个配合。为保护PLC输出级的CMOS功率管,在电液比例阀的电磁线圈端口上必须并联续流二极管,其接线方式如图1-38所示。

图1-38 双向比例阀驱动接线图

(3)嵌入式PLC的操作系统软件

① SPT-K控制器的初始化 基于CANOPEN协议的网络为主从式结构,网络中的节点号最小的控制器设置为主模式(MASTER),其他的节点设置为辅助(SLAVE)模式,这是因为节点号越小,控制器的优先级越高。系统使用标准的CAN数据格式,ID为11位,有效数据长度为8个字节,CANOPEN数据结构为:“CAN ID,DLC,D0,D1,D2,D3,D4,D5,D6,D7”。

如果控制器需向CAN总线上发送数据,那么在初始化完成后,控制器从虚拟节点往总线上发送4帧TPDO:(CANOPEN_START_INIT、CANOPEN_END_INIT),第1帧PDO数据的ID为“0X180+控制器的节点号”,随后3帧依次为“0X280”“0X380”和“0X480”与控制器的节点号相加。

如果发送时数据没有变化,则每隔300ms控制器向总线发送一次数据。如数据变化了,则控制器会立即将更新后的数据发送到总线上。

② 操作系统软件 操作系统程序基于CoDeSys开发环境编写,按功能块结构进行程序设计:

a. 模块之间的通信程序的编写,包括CAN总线的初始化、PDO数据的发送、PDO数据的接收和参数设定等。根据系统需求与特点,将EPEC2023的节点ID定义为1,EPEC2024的节点ID定义为4,主控盒节点定义为3,由于显示器只需要从总线上接收信号而无输出信号,因而不需要定义节点ID。

b. 标度变换功能块、故障处理与报警功能块、逻辑功能调用模块和数据显示模块,主要完成坐标参数、状态参数的变换,故障的处理和报警、挖掘作业、行走作业的正常操作与防误操作等,以及发动机状态参数、液压系统状态参数、车体倾斜、GPS导航等信息的显示等功能。

通过功能模块调用,在挖掘机的行走、作业、导航等工况下,根据系统要求,保证电控系统的正常运行,控制液压系统按要求实现作业功能和车外远程操作功能等。

1.3.3 基于CAN总线的液压混合动力车智能管理系统

(1)液压混合动力车驱动系统的构成及工作原理

液压混合动力车驱动系统由车辆原有驱动系和液压辅助驱动单元构成,结构简图如图1-39所示。图中的虚线方框内为液压辅助驱动单元,主要由变量泵/马达、高低压蓄能器、电磁阀等元件组成,实现储存和释放能量的目的。

图1-39 液压混合动力车驱动系统结构简图

在液压混合动力驱动系统中,当车辆处于制动状态时,辅助驱动单元中的变量泵/马达以液压泵的方式工作,为车辆提供制动转矩,并将车辆的惯性能转换成液压能,低压蓄能器中的液体以高压的形式存储到高压蓄能器中;当车辆起步时,变量泵/马达以液压马达的方式工作,将高压蓄能器中的压力能转换成机械能并驱动车辆行驶,当行驶到一定速度时启动发动机,车辆开始正常行驶;当车辆爬坡时,液压辅助驱动单元与发动机经过动力耦合装置共同驱动车辆,以平衡发动机的功率,实现节能和减少尾气有害物排放的目的。

(2)液压混合动力车智能管理系统

智能管理系统包括:液压辅助驱动单元智能节点,制动、油门踏板智能节点,发动机智能节点和附件节点等。系统采用主从式结构,上位机采用车载工控机CTN-B0202GA,具有体积小、运算速度快、能耗低的优点;发动机和液压辅助驱动单元智能节点ECU采用ARM控制器,核心芯片为LPC2294,LPC2294具有运算速度快、可靠性高的优点。系统结构如图1-40所示。

图1-40 液压混合动力车智能管理系统组成图

(3)系统的硬件

液压辅助驱动单元节点与发动机节点设计思想和采用的控制器相同。

① 液压辅助驱动单元智能节点设计 液压辅助驱动单元采用图1-39的液压回路,其控制主阀为伺服比例阀,具有响应速度快、控制精度高等特点,电磁阀控制高压蓄能器的通断,达到释放和回收制动能量的目的。该智能节点具有信号采集检测和驱动的功能。检测功能是指回路中蓄能器的压力、变量泵/马达的转速、变量缸的位置,实现对变量泵/马达转速的精确控制,最终很好地完成与另一动力源发动机转速的耦合,使发动机处在最佳的工作区间,实现能源的最佳匹配。驱动功能是接受指令并输出信号,驱动电磁阀和伺服比例阀动作。液压辅助驱动单元ECU负责单元的管理,并实时与车辆驱动系统的上位机进行通信,接受其指令,并实时将节点采集的数据上传给上位机以保证单元控制和运行的可靠性。液压辅助驱动单元智能节点的电路原理如图1-41所示。节点采用ARM控制器,其核心是LPC2294,它是一款基于16/32位ARM7TDM1核,既可以执行32位的ARM指令,也可以执行16位Thumb指令,支持实时仿真和跟踪的CPU。LPC2294内部有16KB静态RAM和256KB的FlashROM,有高速I 2 C接口400kbit/s,8路10位A/D转换器、2个32位定时器、4路捕获和4路比较通道,晶振频率范围为1~30MHz;6个PWM输出、2个CAN通道;通过片内PLL可以实现最大60MHz的CPU操作频率。

图1-41 液压辅助驱动单元智能节点电路原理图

LPC2294提供了8路的10位精度A/D转换模块,该模块的电压测量范围是0~3.3V。而传感器信号传出的模拟电压信号的电压范围是0~5V,所以信号采集及处理模块还要对其输出电压进行转化。传感器信号调理电路原理如图1-42所示。系统采用两级反向比例运算电路,把传感器的输出信号范围由0~5V按比例转换成0~3.3V;同时使用容阻滤波网络对传感器输出信号滤波,去除外部干扰得到稳定的输出电压信号。

图1-42 传感器信号调理电路图

② 油门踏板、制动踏板智能节点 油门踏板、制动踏板节点主要负责采集油门、制动踏板位置信号,并实时传递给上位机,以保证其对节点的实时监控。节点控制器运算要求不高,因此,本节点控制器采用单片机8051兼容芯片P89C54UFPN。节点电路如图1-43所示。车辆的制动踏板行程分为制动能量回收行程和紧急制动行程,为了防止驾驶员误操作,当制动行程接近紧急制动行程时节点控制器会发出报警,同时保证了制动能量最大限度地回收。智能节点选用SJA1000作为CAN控制器,SJA1000是一种基于单片机的独立CAN总线控制器,大量应用在汽车和普通的工业。CAN模块通过驱动器8X250与总线相连,它可以提供对CAN总线的差动发送与接受能力。SJA1000的TX1脚悬空,RX1引脚的电位必须维持在0.5VCC上,否则将不能形成CAN协议所要求的电平逻辑。由于传输距离较远,车辆环境复杂、干扰大,采用光电隔离,保证了节点通信的可靠性。

图1-43 油门、制动踏板智能节点电路原理图

(4)系统的软件

液压混合动力车的智能管理系统主要作用是根据车辆运行的工况控制发动机、液压泵/液压马达和液压蓄能器的能量分配;协调发动机和液压辅助驱动单元(液压泵/液压马达)两动力源的动力耦合的精准性。由于控制系统具有复杂的动力分配控制策略和算法,并要求系统能够实时、快速地完成整车的动力分配,故在选定CTN-B0202GA工控机为上位机的同时,还结合了实时嵌入操作系统平台来完成控制策略的运算。制动踏板节点或油门踏板节点在其踏板被踏下时,向上位机发送踏板变化角度的数据。上位机接收到该数据后,向压力、转矩、转速等测量参数节点请求数据。上位机收到这些参数数据后,用这些参数运算动力分配策略,然后向液压泵/液压马达节点送出改变其排量的数据。液压泵/液压马达节点收到上位机的数据信号后,经过平滑运算处理,再向其I/O输出改变液压泵或液压马达排量的模拟电压信号,从而达到对液压混合动力车辆的控制的目的。CAN接口完全兼容SAE J1939/71协议,按照SAE J1939协议进行设计。智能管理系统运行主程序流程如图1-44所示。液压混合动力车辆的智能管理系统软件功能划分如图1-45所示。

图1-44 智能管理系统运行主程序流程

图1-45 液压混合动力车辆的智能管理系统软件功能划分

(5)小结

对智能管理系统进行通信试验CAN总线波特率设为80k,通信距离为20m,数据更新周期为50ms,主要节点全部工作,系统连续工作48h未出现通信错误。车辆采用液压辅助驱动模式进行实车试验,系统正常工作24h无错误发生;同时,由于系统采用ARM控制器作为系统主要节点的控制器,其强大的运算能力,能够迅速地对节点故障进行查询和处理,实时保证了车辆的安全,有效地监控运行状态及协调驱动模式保证了车辆处于最佳的能源匹配。

1.3.4 CAN总线在平地机液压智能控制系统中的应用

平地机是一种以铲刀为主,配以其他多种可换作业装置,进行土地平整和整形作业的施工机械。

(1)系统总体方案

静液压全轮驱动PY200H型平地机行走智能控制系统采用微电子技术、智能控制技术和通信技术以及静液压驱动技术,实现平地机的恒速作业控制以及整机在线参数检测和故障诊断报警功能。其中恒速作业控制包括两个环节:自动换挡控制和恒速控制。自动换挡控制首先是根据行驶速度的设定值确定变速器按设定速度行驶所需的最佳工作挡位,然后自动变换变速器的挡位使其工作在最佳挡位;恒速控制是指平地机工作在最佳工作挡位后,采用PID(proportional,integral and derivative比例、积分和微分)调节控制方式保证平地机行驶速度按设定值恒速行驶。

控制系统总体方案如图1-46所示。该系统主要由前轮1、前马达2、电喷发动机3、前进挡电磁阀4、后退挡电磁阀5、驱动泵6、前马达电磁阀7、后驱动马达8、后马达电磁阀9、变速器一速电磁阀10、变速器11、变速器二速电磁阀12、后桥13、平衡箱14、后轮15以及发动机控制器、主控制器、换挡控制器和显示器组成。

图1-46 行走智能控制系统总体方案

1—前轮;2—前马达;3—电喷发动机;4—前进挡电磁阀;5—后退挡电磁阀;6—驱动泵;7—前马达电磁阀;8—后驱动马达;9—后马达电磁阀;10—变速器一速电磁阀;11—变速器;12—变速器二速电磁阀;13—后桥;14—平衡箱;15—后轮

控制系统采用了集散型计算机体系结构,即将整个控制系统功能分化为4个模块:电喷发动机控制器、主控制器、换挡控制器和显示器。其中,电喷发动机控制器根据发动机实际工况实现发动机转速控制等功能;主控制器实现整车状态参数检测和行驶挡位选择等功能;换挡控制器实现行驶挡位的实际控制等功能;显示器实现整车状态参数和故障报警信息的人机界面显示等功能。考虑到CAN总线通信技术在通信过程中具有的可靠性、实时性和灵活性等特点,系统中各控制模块通信采用CAN总线技术。

(2)系统硬件

静液压全轮驱动平地机行走智能控制系统硬件原理如图1-47所示,其核心模块主控制器和换挡控制器采用EPEC控制器,显示器采用自主开发的工程机械智能监视器,发动机控制器由电喷发动机自带。

图1-47 平地机行走智能控制系统硬件原理图

发动机控制器、主控制器、换挡控制器和显示器之间采用CAN总线实现数据的双向通信,其中主控制器、换挡控制器和显示器之间采用CAN2.0B协议,电喷发动机控制器与主控制器之间采用J1939协议。

换挡控制器根据手动、自动选择开关输入的状态信号确定整车行驶控制模式为手动控制模式或自动控制模式。

主控制器检测车速电位器、车速传感器等整车状态传感器的输入信号,并根据车速电位器和车速传感器的输入信号确定自动控制模式下整车的行驶挡位。换挡控制器根据手动模式下换挡手柄输入的挡位信号或自动模式下由主控制器通过CAN总线发送过来的挡位信号向变速器输出挡位电磁阀控制信号,实现行驶挡位的变换。该系统能够实现后轮驱动和前后轮同时驱动两种驱动方式。后轮驱动时,前马达电磁阀7断电,变速器一速电磁阀10或变速器二速电磁阀12通电,电喷发动机3的动力经驱动泵6、后驱动马达8、变速器11、后桥13、平衡箱14最后到达后轮15。前后轮同时驱动时,前马达电磁阀7通电,同时变速器一速电磁阀10或变速器二速电磁阀12通电,电喷发动机3的动力同时传给前轮和后轮。

(3)系统软件

平地机行走智能控制系统软件包括整机状态参数检测及其控制模块和整机状态参数人机界面显示模块。整机状态参数检测及控制模块主要完成平地机作业过程中的自动换挡控制和恒速控制。根据手动、自动选择开关状态,平地机作业过程可选择为手动或自动控制模式。图1-48为自动控制模式下的自动换挡控制流程。自动控制模式下,首先根据设定车速计算所需最低工作挡位。如果所需最低工作挡位等于当前实际挡位,则首先根据设定速度调整发动机转速,待到设定速度同实际速度的误差小于设定误差范围后,采用PID调节方式对行驶速度进行恒速控制。如果所需最低工作挡位高于当前实际挡位,则需要结合发动机实际负载率大小确定平地机行驶状态。若发动机实际负载率低于负载率下限值,允许变速器自动升挡;若发动机实际负载率高于负载率下限值,则直接进入设定速度过高处理环节。

图1-48 平地机行走智能控制系统主流程

如果所需最低工作挡位低于当前实际挡位,则首先判断当前挡位下通过调整发动机转速是否能够保证平地机按设定速度恒速行驶。如果能够满足,采用PID调节方式对行驶速度进行恒速控制,否则对变速器自动降挡。

整机状态参数人机界面显示程序主要实现平地机整机状态参数的多语言显示、故障报警以及控制参数的在线标定等功能,取代了传统控制系统中的诸多仪表,使得参数显示准确、实时、明了。整机状态参数监控界面如图1-49所示,图中上部为平地机换挡方式、行驶方向和挡位的图文显示区域。中部区域为平地机实时状态参数显示区域。如有报警信息则显示在屏幕的左下角区域,并以红色字体显示。若有多条报警信息则采用分时循环显示的方式加以显示。在故障排除后,报警信息自动消失。

图1-49 平地机人机界面

基于微电子技术、智能控制技术和CAN总线的平地机行走智能控制系统,可以实现平地机作业过程中的恒速行驶和自动换挡控制功能;具有友好的人机交互界面,可实现平地机整机运行状态参数的图文、汉字显示;可以实现平地机整机运行状态参数的实时监控和故障报警。该系统在实际施工过程中表现出了很高的控制精度。

1.3.5 液压驱动四足机器人控制系统

控制系统是四足机器人运动控制的核心部分,要求其能够实时地对四足机器人内外部环境信息进行采集和处理并对自身运动状态进行协调控制。在此依据液压四足机器人实验平台,开发出一套适合于四足机器人运行特点的控制系统,该系统具有工作性能稳定、可靠性高、实时性强、开放性好等特点。

(1)控制系统总体方案

液压驱动四足机器人属于复杂的多自由度机器人,要达到稳定运行的目的,不仅要对单腿的各个驱动关节进行精准控制,还要保证四条腿的协调控制能力,使得控制较为复杂。传统的单处理器和主从二级处理器结构,已经无法满足复杂控制策略对控制系统的实时性要求。在液压驱动四足机器人控制系统的研发过程中,按系统整体规模、驱动器个数、信息的采集和处理、各模块间通信方式和多任务实时处理等方面的要求,结合整机的实际结构,将控制系统设计为以CAN总线通信为主,以移植了实时操作系统QNX的PCI/104工控机为核心,以DSP为执行单元控制器的分层式控制系统。控制系统整体结构设计如图1-50所示,分为远程监控层、规划控制层、执行控制层三层。

图1-50 控制系统整体结构

① 远程监控层 远程监控层主要由监控计算机和操作手柄构成,监控机通过无线WIFI接收传感器获得的运动状态信息和外界环节信息并进行存储备份,用以检测机器人的运行状态。操作手柄通过无线方式将控制指令发送给机器人主控器,对机器人进行远程遥控。

② 规划控制层 主控制器用以接收操作手柄发来的指令,并负责机器人腿部和躯干上传感器的信息采集和处理,进行姿态解算、运动状态估计,进而根据相应的控制策略完成机器人任务规划、轨迹规划以及四足的协调控制,然后将指令信息通过CAN总线发送给各机器人腿部各控制器。为保证信息和处理的有效性和机器人运动的可靠性,系统对规划控制层的实时性要求较高。

③ 执行控制层 执行控制层采用分布式结构,机器人的每条腿都对应一个伺服控制器,控制器通过接收上层指令,并结合从液压缸上采集的力、位移传感器信息,利用控制器内部控制算法,计算得到控制输出,并将指令信息发送给各液压缸伺服阀,从而完成对液压缸的伺服控制。

四足机器人通过以上3个层次的任务完成对机器人运动的控制,各层之间采用不同的通信方式。远程监控层和规划控制层通过无线射频模块进行数据传输和控制,实现了对机器人的远程操控,规划控制层和执行控制层采用CAN总线的方式进行通信,相比于其他总线,CAN总线具有实时性高、数据传输可靠、连接方便、功能扩展性好等特点,实现了两层之间信息的可靠传递。

(2)控制系统硬件

① 主控制器硬件 主控制器选用研华公司生产的PCI104单板机PCM3363,处理器为Intel Atom D525,最高频率可达1.8GHz,在板内存高达1G,具有功耗低、尺寸小(96mm×90mm)、运算速度快等特点,另外可满足机器人在低温环境下工作的要求,并支持Win7、Win XP、Win CE、LINUX、QNX等多种操作系统,提供IIC、PCI104、RS232等接口,可外接鼠标、键盘、显示器等,满足系统需求。主控器主要硬件框图如图1-51所示。

图1-51 主控器硬件框图

PCI104-CAN板选用研华公司生产的PCM-3680,具有两个CAN口,波特率可达1Mbps,并具有自动检错功能。A/D板卡和PCI104-CAN板采用PCI104总线的方式与单板机进行通信,PCI104总线具有性能好、数据传输率高、兼容性好等特点,并且其堆栈式结构减小了主控制器系统的占用体积,使结构更加紧凑。其中,PCI104-CAN板用来实现与液压缸控制器的数据收发功能;A/D板卡选用研华公司的PCM38107,支持PCI104总线连接,该板卡有12个通道,用来对机器人腿部各个三维力传感器共12路信号数据进行采集;无线通信模块负责与监控层进行信息交换。

② 执行控制层硬件 执行控制层的硬件系统以TI公司生产的数字信号处理器DSP28335为核心芯片,该微处理器片内和外设含有许多模块如eCAN模块、A/D转换模块、串口通信、事件管理器等。芯片上含两个增强型CAN总线控制器,支持CAN2.0B协议,最高波特率可达1Mpbs。芯片上的两个eCAN模块分别用于接收上层指令和发送实时反馈。接口电路主要由收发器PCA82C250和CAN控制器组成,为提高数据通信的可靠性和抗干扰性,收发器需接入一个阻值为120Ω的电阻,以匹配总线阻抗。机器人每条腿上含有一套执行系统,其结构如图1-52所示,通过A/D芯片将力/位移传感器信息发送给微处理器,并结合上级发送的CAN指令信息解析出系统输出,通过D/A芯片和信号调理电路处理,将微处理器计算得到的信息发送给伺服阀,以控制腿部运动。

图1-52 单腿执行控制硬件框图

(3)软件系统

四足机器人软件框架亦采用模块化思想进行构建,分为监测控制层软件系统、规划控制层软件系统和执行控制层软件系统3个模块。其中规划控制层软件系统模块是整个软件系统的核心。

规划控制层软件系统的功能包括:接收遥控操作的命令(机器人的启停和步态选择等);进行内外部传感器信息的采集,并根据相关控制策略,解算出控制代码;将控制指令通过CAN总线发送给执行控制层;发送运行状态数据到监控层。采用实时操作系统QNX作为该层软件系统的开发平台,QNX是真正的微内核实时操作系统,上下文切换和中断反应都在微秒级,属于强实时性操作系统。QNX下共有32个调度优先级,采用抢占式的、基于优先级的上下文切换和可选调度策略,保证了系统的实时性。规划控制层软件系统结构采用多线程的方式构建,与进程相比,线程具有占用空间小、上下文切换速度快、抢占式等优点。另外,线程可以与同进程中的其他线程共享数据,从而提高程序运行效率和响应时间。考虑到控制软件的实时性和可靠性,对各任务模块进行优先级的设计,如图1-53所示。传感器模块负责为系统提供输入数据,是控制算法解算的基础,故传感器模块拥有很高的优先级。模块内部的线程具有相同的优先级,采用轮转的方式进行调度,这样可以同时进行多个传感器数据的采集和控制算法通道的解算,又避免了由于多个线程频繁切换引起的执行效率降低等问题。

图1-53 各任务模块及其优先级

规划控制层软件由主线程和各任务子线程构建,主线程负责系统初始化和各任务线程的实现,任务线程负责在各自运行周期内具体任务的实现。规划控制层软件实现的总体流程如图1-54所示,控制软件各线程是无限循环任务,执行任务期周期按照控制软件的实时性和可靠性的要求进行设定,设置时要注意各任务的执行周期小于传感器的数据更新周期,以保证不会出现丢帧现象,另外要确保控制算法解算模块的速度,以保证液压机器人稳定运行。

图1-54 规划控制层软件

(4)实验结果与分析

为验证控制系统软件及硬件设计的合理性和可靠性,现以实验室液压缸测试平台为控制对象,进行控制系统对液压缸控制的测试实验。

指令通过上位机生成,经CAN总线传输至下位机,下位机依据指令信号进行液压缸闭环控制,信号采用正弦信号,数据采样周期为1ms,将采集到的实时位置信息导入到Matlab中进行绘图,得到系统响应曲线,测试结果如图1-55所示。

图1-55 液压缸测试系统响应图

图1-55中曲线 R 代表指令信号,曲线 P 代表跟踪信号,可以看出两条曲线的轨迹基本一致,经过相应计算可知,液压缸在实际运行中,幅值衰减小于5%,相位衰减小于10°,满足精度要求。实验过程中液压缸运行稳定,无冲击现象,满足液压四足机器人控制系统的要求。

1.3.6 基于双RS485总线的液压支架运行状态监测系统

煤矿综采工作面环境恶劣,众多电气设备引起很强烈的电磁干扰,装配的液压支架数量多,这使得液压支架电液控制过程极为复杂。原液压支架电液控制系统缺乏远程集中监测功能,液压支架的运行参数和状态信息不能实时传递给端头控制器及防爆计算机,很大程度上影响了液压支架电液控制系统的自动化水平。实现对液压支架运行状态的远程监测不仅可以确保液压支架电液控制系统的安全稳定运行,而且可以为液压支架电液控制系统的智能化分析和预警提供可靠的数据支撑和保障。

鉴于高产高效综采工作面的控制要求以及远程监测的重要作用,开发了基于双RS485总线的液压支架运行状态监测系统。该系统通过安装在液压支架上的间架控制器、装配在工作面终端的端头控制器以及远端防爆计算机之间的紧密配合,将采集到的液压支架状态信息进行存储及分析,生成故障预警信号和故障标志位,从而实现液压支架运行状态的远程监测。

(1)系统结构

液压支架运行状态监测系统是由防爆计算机、端头控制器、间架控制器组成的三级网络监控系统,如图1-56所示。

图1-56 液压支架运行状态监测系统结构

间架控制器是系统基础,通过阀线驱动电磁阀导通,同时与位移传感器和压力传感器相连接,将传感器采集到的电信号转换为数字信号,然后将液压支架立柱压力、推溜位移等运行参数上传给端头控制器。端头控制器通过存储巡检回来的液压支架运行参数,分析判断故障标志位和运行状态,并及时向防爆计算机发送故障预警信号和状态信息,实现远程监测。防爆计算机接收端头控制器发送的液压支架运行参数,经过判断筛选后将故障标志位等状态信息发送给采煤机控制系统和地面集控室。

(2)双RS485总线通信方案

RS485总线通信距离长,网络节点数多,通信稳定且容易实现,系统采用RS485通信模式和Modbus通信协议。由于既要考虑防爆计算机、端头控制器和间架控制器三者之间通信的稳定性和主从性,又要兼顾在线监测和远程控制,所以设计了一种双RS485总线通信方案。整个监测系统采用树枝状结构,所有的间架控制器并行连接在端头控制器的2条RS485总线上。一条RS485总线用于在线监测液压支架运行状态(称为巡检总线),另一条RS485总线根据巡检结果实现远程控制(称为控制总线)。2条总线并行运行,其中在线监测是远程控制的基础。只有端头控制器通过巡检总线接收到液压支架的运行参数(立柱压力、推溜位移、支架故障标志位以及间架控制器通信状态),对参数进行存储和分析,判断支架工作状态稳定、工作面顶板压力正常后,才可通过控制总线向间架控制器发送动作命令,实现自动化控制,同时将这些参数上传给防爆计算机及地面集控室,协调采煤机运行速度和乳化液泵站的液压,从而实现闭环控制。

(3)系统硬件

系统硬件主要包括端头控制器和间架控制器中的监测模块,由中央控制单元、电源电路、外部存储器电路、RS485通信电路组成。

① 中央控制单元 中央控制单元以C8051F020单片机为核心。C8051F020是一款8位定点运算单片机,时钟频率可达25MHz,能够满足实时性要求。C8051F020具有快速的指令执行速度(25MIPS)以及灵活的外设配置功能,通过设置交叉开关可达到灵活选择系统所需外部设备的目的。C8051F020配置2组UART(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter,通用异步收发传输器)接口,满足系统多个异步串行通信接口的要求。

② 电源电路 电源电路结构如图1-57所示。C8051F020和外部存储器的工作电压均为+3.3VDC。为了提高通信的抗干扰性能,RS485通信电路的输入电压为+5VDC。

图1-57 电源电路结构

③ 外部存储器电路 外部存储器电路由地址锁存器和RAM存储器组成。控制总线分别与C8051F020的片选线、读/写线相连接,共15根地址选通线,能寻址RAM存储器64KB数据空间,满足稳定存储综采工作面所有液压支架运行参数的要求。

④ RS485通信电路 RS485通信电路采用MAX3088芯片作为RS485通信协议的收发器。端头控制器中央控制单元发出的通信指令经光耦隔离电路及MAX3088转换成通信信号,进而控制MAX3088的输出驱动器向RS485总线发送通信代码,与间架控制器通信。MAX3088能够驱动256个节点,驱动性能强,满足系统多节点驱动要求。MAX3088抗干扰性能卓越,其输出驱动器采用限斜率方式设计,使输出信号边沿不过陡,有效抑制了信号传输过程中产生的高频分量以及电磁干扰和终端反射,保障了端头控制器通信的稳定性和可靠性。端头控制器和间架控制器之间为一对多通信,通信过程如图1-58所示。采用重复发送机制来诊断通信故障,如果连续发送3次均无应答则进入等待状态,并认为该次通信失败。

图1-58 端头控制器和间架控制器通信过程

⑤ 硬件抗干扰措施 综采工作面现场环境恶劣,通信干扰强,对通信的实时性和抗干扰性要求较高,因此端头控制器和间架控制器电路采取了抗干扰措施,主要包括光耦隔离电路、故障保护电路以及防高压侵入电路。

图1-59虚线框内电路为光耦隔离电路。该电路由光耦器件、限流电阻、上拉电阻等组成,连接C8051F020和MAX3088,实现了C8051F020工作电压3.3V与MAX3088工作电压5V之间的转换。由于光耦器件内部耦合电容很小,所以共模抑制比很高,消除了共模电压干扰。

图1-59 光耦隔离电路

为了消除RS485总线上的信号毛刺,吸收通信过程中产生的反射信号,采用故障保护电路。该电路在MAX3088输出端A、B之间跨接一个匹配电阻,并在A端接一个上拉电阻,在B端接一个下拉电阻,可在RS485总线没有信号传输时增大输出端A、B间的电压差,防止受到干扰而错误接收数据,有效提高了通信的可靠性、稳定性和故障保护能力。

防高压侵入电路如图1-60虚线框部分所示。在MAX3088输出端A、B间跨接防雷管和TV(transient voltage suppressor,瞬态抑制二极管),可有效消除浪涌干扰,起到共模防护的作用。经过TVS二次限压后,MAX3088两端电压被限制在6.8V左右,极大地削弱了高电压对RS485通信电路造成的危害。

图1-60 防高压侵入电路

(4)系统软件

① 开发环境 采用IDE(integrated development environment,集成开发环境)进行系统软件开发与调试。与L语言相比,选用汇编语言编程能够直接控制C8051F020的最底层资源,编程效率较高,可提高系统实时运行速度。

② 软件程序 软件包括主程序、中断处理程序、串口通信程序3部分。首先进行系统初始化设置和C8051F020管脚资源的配置。针对系统一对多通信的特点,端头控制器与间架控制器之间采用增强型串口通信模式,增加了硬件识别液压支架编号功能,在相同的串口通信波特率下,各间架控制器分频同时工作,不会发生冲突,提高了通信稳定性。

端头控制器可根据防爆计算机发送的采煤机位置分区段巡检参数,即巡检采煤机对应支架号的左右各15个液压支架间架控制器参数。

端头控制器接收到间架控制器返回的液压支架运行参数后,先将参数存储到临时存储区,进行CRC校验无误后,再存入外部存储器中的固定区域,如图1-61(a)所示。

当端头控制器接收到防爆计算机发送的通信命令后,进入串口。中断子程序,将存储在外部存储器的液压支架运行参数上传给防爆计算机,如图1-61(b)所示。

图1-61 端头控制器收发数据流程

(5)抗干扰能力测试

在实验室环境下对系统进行抗干扰能力测试。大部分井下供电系统容易混入浪涌脉冲,因此主要进行幅值为2kV的浪涌抗扰度测试。

浪涌抗扰度测试是模拟电气设备在开关切换过程中产生的超过正常工作时的峰值电压和过载电流对设备电源线、输入/输出线、通信线路造成的影响。测试采用GB/T 17626.5—2008《电磁兼容试验和测量技术浪涌(冲击)抗扰度试验》(等同于IEC 61000-4-5)的方法,测试结果见表1-7。

表1-7 浪涌抗扰度测试结果

(6)系统调试

① 实验室调试 为检验系统的可靠性和实时性,在实验室环境下进行系统通信性能测试。图1-62为通信波形,可见当端头控制器向RS485总线发送数据时,RS485总线电平由高电平跃变为低电平,提高了RS485总线的抗干扰能力。通信信号进入C8051F020之前由施密特触发器对其进行整形,保障了有效信号具有较高的陡峭度。每个尖峰脉冲即为端头控制器与RS485总线中的1个间架控制器通信,可看出通信稳定,时间间隔短,抗干扰能力强。

图1-62 系统通信波形

端头控制器发送完巡检命令后,间架控制器根据接收命令顺序将运行参数返回。运行参数存储在端头控制器外部存储器的0X0400~0X1400存储区域中,存储形式为支架号+前立柱压力+后立柱压力+推溜位移+伸缩压力+状态位。部分运行参数存储结果见表1-8。

表1-8 运行参数存储结果

当收到防爆计算机的上传参数命令后,端头控制器将运行参数从外部存储器指定区域中调出来发送给防爆计算机。实验得到的端头控制器上传运行参数见表1-9,数据存储格式为支架号+对应的参数。

表1-9 端头控制器上传运行参数结果

从表1-9可看出,端头控制器上传给防爆计算机4个液压支架的运行参数。其中状态位有8个标志位,包括工作面间架控制器急停、闭锁状态,支架推溜到位状态,支架前后压力是否正常状态等,准确显示出工作面间架控制器和液压支架的运行状态。

② 工业现场调试 在山西某矿对系统进行现场安装调试,如图1-63所示。间架控制器安装在液压支架上,连接压力传感器和位移传感器,可采集立柱压力、推溜位移等液压支架运行参数并上传至端头控制器。防爆计算机接收到端头控制器发送的液压支架运行参数后,可显示采煤机位置及各液压支架立柱压力、推溜位移等信息。

图1-63 现场安装调试

(7)小结

① 液压支架运行状态监测系统采用增强型RS485串口通信方式,以MAX3088为主通信芯片,建立了一套快速稳定的通信网络,数据传输速率可达10Mbit/s,远高于普通RS485总线2Mbit/s的通信速率,为实时、稳定地监测液压支架运行状态提供了保障。

② 建立双RS485总线通信模型,提出在线监测和远程控制并行执行的方案。在线监测是远程控制的基础,确保了控制的安全性和准确性;远程控制与在线监测形成闭环过程。二者互相补充,互相依靠。

③ 系统硬件设计中采用光耦隔离电路、防高压侵入电路和故障保护电路的抗干扰措施。该系统通过了GB/T 17626.5—2008中的浪涌(冲击)抗扰度试验。

1.3.7 数控液压板料折弯机控制系统

折弯是将各种金属毛坯弯成具有一定角度、曲率半径和形状的加工方法。折弯机是板料折弯的专用装备,由于其操作简单、工艺通用性好,在钣金加工行业中得到广泛的应用。数控液压板料折弯机(简称折弯机)在国内市场占据着绝对的优势。

一种基于PC的开放式折弯机控制系统,硬件平台基于华中数控公司的华中8型系统,采用模块化设计思想,具有良好的可扩展性,提供基本的I/O、A/D、D/A、编码器反馈等硬件资源。控制系统软件运行在Windows平台下,人机交互界面和工艺规划计算模块等采用C++语言开发运行在操作系统的用户态,核心控制算法基于WDM(Windows Driver Model)设备驱动程序开发运行在其核心。

(1)折弯机的工作原理

折弯机的工作原理如图1-64所示。折弯机的数控轴分为如下几类:①Y1、Y2轴,液压缸驱动滑块上下运动,实现折弯机的主要工作行程;②X1、X2、Z1、Z2、R轴,均为后挡料定位控制轴;③V轴,控制下工作台沿折弯线方向的加凸量;④A1、A2轴,随动托料轴。折弯机支持自由折弯、压平折弯、压底折弯、压平和压底折弯4种折弯方式,其中应用最多、最复杂的是自由折弯。对于通用的“3+1”轴标准配置的折弯机,即仅有Y1、Y2、X1和V轴(其余数控轴用户可以根据需要选配),具体实现过程为:V轴首先达到数控系统设定值控制下工作台的加凸量(存在液压油缸补偿和机械楔块补偿两种方式),然后后挡料挡指移至数控系统设定值,确定工件折弯线的位置,滑块根据数控系统计算的Y轴下压量下降至下模内一定深度进行折弯,然后回程,重复以上过程直至工件加工完毕。

图1-64 折弯机的工作原理

(2)折弯机控制系统架构

① 概况 控制系统架构如图1-65所示。该系统分为2个部分:工艺规划部分和系统控制部分。

图1-65 控制系统架构图

硬件平台基于华中数控公司的华中8型系统,数控装置HNG818C与HIO-1000A型总线I/O单元通过具有自主知识产权的NCUC现场总线通信。NCUC现场总线的强实时性、高同步性和高可靠性,使得其在自动化工业控制领域,尤其是数控领域,得到了广泛的应用,在高档数控机床、数控系统IPC单元等硬件平台如华中8型总线式数控系统上,都取得了很好的效果。在此,IPC单元是数控装置HNG818C的核心控制单元,属于嵌入式工业计算机模块,采用CF卡程序存储方式,具有USB、RS232、LAN和VUA等PC机标准接口。

Y1和Y2轴通过轴控制模块分别获取2套光栅尺的位置信息,反馈给控制系统进行比较,再由控制系统分别计算出比例阀的控制电压,通过D/A模块输出给比例阀放大器调整阀口开度,来实现两轴的同步和下死点的定位,属于全闭环控制。X1轴伺服系统工作在速度控制模式下,通过轴控制模块获取伺服电机尾部光电编码器的位置信息,反馈给控制系统计算出控制电压,通过D/A模块输出给伺服驱动器,来实现后挡料挡指的定位,属于半闭环控制。V轴根据机械结构不同,分为两种情况(图1-65中描述的是机械楔块补偿方式):液压油缸补偿方式通过D/A模块输出给比例阀放大器,控制比例减压阀的压力;机械楔块补偿方式通过I/O模块控制继电器,实现三相交流异步电动机正反转运动,达到直线位移传感器(通过A/D模块采集电压,换算成位移)的设定值停比运动。另外,通用的I/O模块获取接近开关、按钮等状态,输出控制指示灯、继电器等。

② 折弯机工艺规划部分 控制系统软件运行在Windows XP平台下,人机交互界面和工艺规划计算模块等采用C++语言开发运行在操作系统的用户态,如图1-66所示,主要功能包括:材料数据库、机床建模、模具设计(支持图形绘制模具和参数化模具两种方式)、图形编程、数据编程、自动工序规划、干涉检测、3D几何仿真、系统参数等,支持全触摸屏操作模式和多语言实时切换等高级功能。另外,工艺计算模块也内嵌于其中,包括:Y轴下压量(考虑回弹补偿和减薄),X1轴目标位移和退让距离、折弯力、毛坯展开长度、V轴挠度补偿计算、角度校正数据库等。

图1-66 工艺规划模块框图

同时,考虑普通用户和主机厂商对参数修改的权限差异,提供专家模式界面及其权限体系,防止低权限的普通用户错误修改核心参数导致设备无法正常运行。现场折弯机操作提供两种操作模式:手动模式和自动模式。手动模式灵活性较大,用户可以自由选择折弯方式、输入折弯角度、模具类型等参数。自动模式的折弯数据经过图形编程、自动工序规划、数据编程等过程,针对用户的需求给出优化的折弯方案和数据,内部还支持单次和连续两种方式。

③ 折弯机系统控制部分 控制系统的核心算法基于WDM设备驱动程序开发,运行在操作系统的核心态,如图1-67所示。系统实现了1ms的硬件中断,在每个中断周期处理过程中,先经过NCUC现场总线在上行数据区获取HIO-1000A型总线I/O单元的编码器反馈、数字量输入、模拟量输入等信息,经过计算处理后,将控制指令写入到下行数据区的数字量输出和模拟量输出区域中,再次经过总线发送到HIO-1000A型总线I/O单元执行。

图1-67 系统控制结构图

设备开机实际加工之前,首先必须机床回零,建立机床坐标系。系统下达回零指令,同时获取系统参数,主要包括:编码器计数方向、回零速度、参考点位置、回零方式(Y轴支持撞缸点回零和Z脉冲回零两种方式)等,通过IRP(I/O request packet)传递到核心态的回零管理器。回零管理器处理回零操作,主要包括:将Y1和Y2轴比例伺服阀模拟量电压、X轴伺服驱动器控制电压等,写入到下行数据区,经过总线发送,同时还需要获取上行数据区数据,判断回零是否成功。回零成功后,停比回零操作,写特定标志位。

设备在实际加工过程中,在用户态获取人机交互界面上的折弯数据,如:夹紧点、速度转换点、下死点、快下速度、工进速度、保压时间、回程距离、回程速度等,经过运动插补器,插补成离散数据点,写入到共享内存区。在每个中断周期处理过程中,控制器从共享内存区获取目标值,上行数据区获取实际反馈值,同时从系统参数中获取PID和前馈增益参数,经过内部计算,结果最终写入到下行数据区。同时,把每次Y1、Y2、X1轴的实际位置、输入D/A等信息,写入到另外1个共享内存区。由于驱动层不支持浮点数计算,核心态控制器中仅支持整形数计算,写入到共享内存区中的数据必须经过数据解析器,最终在界面上显示,及存储到文件中便于后续分析。

其中PLC执行器,专门负责处理外部实际IO触点和内部虚拟IO触点,经过与或非逻辑运算、延时处理后,写入到下行数据区。

(3)折弯机系统Y轴同步控制方案

系统采用全闭环电液伺服控制技术,滑块位置信号由两侧光栅尺反馈给控制系统,再由控制系统控制比例伺服阀的阀口开度,调节油缸进油量的多少,从而实现Y1和Y2轴的同步运行。Y轴同步控制方案采用交叉耦合控制策略。如图1-68所示,将Y1和Y2轴的位置信息进行比较,从而得到一个差值经过调节器,作为附加的反馈信号。这个附加的反馈信号作为跟踪信号,系统能够反映出任何一根轴上的负载变化,从而获得良好的同步控制精度。实际测试:系统在快下段的同步偏差在0.5mm以内,在关键的工进段同步偏差在0.03mm以内。图1-69是自主开发的Y轴分析软件界面,专门用于辅助分析Y轴同步情况和调整控制器参数。

图1-68 Y轴交叉耦合同步控制策略

图1-69 Y轴分析软件界面

(4)小结

基于PC与现场总线的开放式折弯机控制系统,具有使用方便、成本低廉、性能可靠、扩展性好等优点。系统在PPEB100T-3M的数控液压板料折弯机上实际测试,Y轴定位精度达到±0.01mm,X1轴定位精度达到±0.1mm,并且能够很好地满足Y轴同步控制的要求。系统运行稳定可靠,性能与荷兰Delem公司DA65W系统基本一致。

1.3.8 现场总线型液压阀岛

就电液一体化的控制元器件而言,液压阀岛可以成为小型液压集成单元与控制器的集成化设备。

(1)阀岛的控制技术

在机电液一体化的控制系统中,控制器通过传感器获取系统状态信息,同时基于传感器信息按照一定的程序控制输出信号给相应的驱动器,从而实现预定的机械动作。随着机器设备功能的越来越强大,与之相配套的控制过程也越来越复杂,这样,控制器输出的信号也就随之越来越多。因此,这类系统中存在大量电磁阀和信号、能量的连线,对于成套自动化制造设备来说则尤其如此,这导致电控系统的故障率高,设备的维修和管理也带来诸多不便。因此,简化电路连接,提高系统组建柔性,一直是阀岛技术的重要改进内容。

阀岛技术产生以来,其控制技术已经从多针接口式阀岛发展成为现场总线型阀岛。采用多针接口后,可编程控制器与电磁阀、传感器电信号输入端之间的接口简化为只有一个多针插头和一根多股电缆。与传统方式实现的控制系统比较可知,采用多针接口型阀岛后系统不再需要接线盘。节省了电控回路的设计、安装、维护时间,使机械制造和维护过程大为简化。而进一步发展到现场总线型阀岛后,每个阀岛均带有一个总线输入接口和一个总线输出接口。这样,当系统中有多个带现场总线阀岛或其他带现场总线设备时可以由近至远串联连接。与带多针插件的阀岛组成的系统比较可知,带现场总线阀岛与外界的数据交换只需通过一根4股或2股的屏蔽电缆实现,大幅度节省了接线时间。由于连线的减少使设备所占的空间减小,维护也更为方便。

从发展趋势而言,阀岛应发展成为标准的现场总线第三方设备(如PROFIBUS总线、CAN总线等),在利用总线技术及设备(如PLC、PAC等)构建控制系统时,阀岛可以作为系统模块直接组态进入现场总线控制系统(与变频器、智能传感器等第三方设备类似),成为总线系统的独立节点(图1-70),由上位机统一组态及监控。就进一步发展而言,阀岛应成为传感器、控制、液压(气动)的机电液(气)一体化模块,高度集成化的模块本身具有编程设定能力,可以进行所需要的子系统程序开发,从而进一步提高系统构建的柔性,减少控制系统组建时间,提高控制性能。

图1-70 现场总线型阀岛系统

(2)PROFIBUS-DP现场总线

现场总线式应用在现场的控制设备之间,实现双向串行多节点数字通信的系统,也被称为开放式、数字化、多点通信的底层控制网络,它把单个分散的测量控制设备变成网络节点。在各种现场总线的标准中,PROFIBUS是由SIEMENS等公司组织开发的一种国际化的、开放的、不依赖于设备生产商的现场总线标准,是目前国际上通用的现场总线标准之一。

在PROFIBUS现场总线中,用于传感器和执行器高速数据传输的PROFIBUS-DP应用最广。PROFIBUS总线作为工业现场广泛使用的总线,具有通信速率高、配套设施完善等特点,成为阀岛使用总线的首选。考虑到系统的开放性和可靠性,选用了PROFIBUS-DP通信协议构建液压阀岛控制系统。

(3)现场总线液压阀岛系统应用实例

① 电控系统结构 液压压砖机是集机、电、液、气、控制和材料工艺技术高度一体化的专用设备,也是墙体砖生产线上最关键装备,决定着整条生产线的生产效率和产品质量。因此,将KDQ-100墙体材料实验压机作为实验对象,进行液压阀岛控制系统的设计。

PROFIBUS是一个令牌网络,一个网络中有若干个被动节点(从站),而它的逻辑令牌只含有一个主动节点(主站),这样的网络为纯主-从系统。典型的PROFIBUS-DP总线配置是以此种总线存取程序为基础的,一个主站轮询多个从站。PROFIBUS-DP在整个PROFIBUS应用中,应用最多,也最广泛,可以连接不同厂商符合PROFIBUS-DP协议的设备。在DP网络中,一个从站只能被一个主站所控制。如图1-71所示,采用了主站+多从站的PROFIBUS-DP总线控制系统。

图1-71 PROFIBUS-DP总线主-从系统

系统基于SIEMENS的S7-300PLC构建,采用CPU315-2DP作为PROFIBUS-DP主从系统的主站,以IM153-1通信模块作为从站的通信接口与功能模块结合作为阀岛的控制器。

对于墙体砖压机而言,其需要控制的执行机构包括三个液压油缸,分别为上油缸、浮动油缸和下油缸,而油缸的运行由电液比例阀驱动控制。每个油缸安装了输出标准模拟量信号(4~20mA)的位置传感器,同时油缸的进油油路安装有压力传感器,用于检测油缸的进油压力。控制系统包含三个从站,从站1作为液压阀岛模块的控制器,从站2用于采集油缸传感器,从站3是SIEMENS触摸屏,用于输出传感器采集的液压系统的状态数据,总体方案如图1-72所示。

图1-72 PROFIBUS-DP电控系统总体方案

传感器数据由总线传送至主站,主站再将数据经总线传送给触摸屏用于状态显示,同时基于主站内的控制程序和反馈回的油缸状态值(包括位置信号和进油压力信号),经总线输出控制信号给从站1,由从站1的模拟量功能输出模块输出控制信号给电液比例阀的放大器,驱动液压油缸的运行,实现油缸的位置和压力控制。

② 液压阀岛模块 从压机的液压控制系统而言,对于三个液压油缸的驱动控制分别由三个电液比例阀的液压回路实现。即上油缸液压回路、浮动油缸液压回路和下油缸液压回路,图1-73所示为上油缸液压回路。

图1-73 上油缸液压回路

将每个液压子回路的所有控制阀以插装阀的安装形式集成设计成阀岛模块,图1-74是上油缸液压阀岛模块。

图1-74 上油缸液压阀岛模块

1—平衡阀;2—电磁球阀;3—电液比例节流阀;4—液控单向阀( DN 10);5—液控单向阀( DN 20)

以PROFIBUS-DP现场总线通信模块与模拟量采集和输出模块结合作为液压阀岛模块的控制器(图1-75),为电液比例阀提供控制电信号。将控制器与液压阀岛模块进行集成安装(图1-72液压站),构成控制与检测一体化的液压阀岛集成块,初步实现现场总线型液压阀岛。

图1-75 液压阀块控制从站 OExXXFanbbB9jyfzau7vVnxrs/8Y7Lk3OQjbs3h+zntq4/SQKOFVgUNF70pcJRUu



1.4 智能液压泵及应用

所谓的“智能泵(国外称为smart pump)”,即在高压大功率环境对液压泵源运行方式进行综合管理和调度,使系统的运行工况和工作任务需要相匹配的泵源系统。智能泵最早的雏形是自行式移动机械和塑料注射机上使用的负载敏感泵。但当时泵的调节仅实现了电液比例控制方式。机载液压系统频响速度要求较高,需将执行元件和控制阀集成在一个部件上,故目前智能液压泵在航空领域有广泛应用。

1.4.1 军用机机载智能泵源

结合机载液压系统的技术需求,一种智能泵源系统,它可根据飞行任务进行工作模式的管理和输入量的设置,并在工作模式和输入不变的情况下使输出按照设定的工作模式跟随所设定的输入值,以满足机载液压系统的需要。

(1)结构组成与工作原理

机载智能泵源系统组成如图1-76所示。它由公管液压子系统的计算机、微控制器、电液伺服变量机构、液压泵、集成式传感器5部分组成,其中微处理器、电液伺服变量机构、液压泵、集成式传感器4部分构成智能泵。

图1-76 智能泵源系统组成

图1-76中,智能泵的工作模式和控制器的输入由机载公共设备液压子系统的计算机根据飞机的工作任务确定,微控制器接受公管液压计算机的指令,选择与指令工作模式相对应的被调节量进行采集和反馈,并与参考输入比较求得误差信号,对误差信号按规定的控制算法进行计算获得控制量,并通过D/A转换器送给伺服放大器去控制电液伺服变量泵按选定工作模式和设定的希望输入运转。

智能泵源系统的特点是:按照要求选择工作模式和被调节量,然后采集对应的被调量实现反馈控制。因此,它表现了非常强的柔性和适应性。

(2)智能泵原理样机

原理样机是在A4V泵基础上改制的。改制方法对其他航空液压泵也有参考价值。对A4V泵进行改装,将双向变量方式改成了单向方式,取消了双向安全阀,增加了电液伺服变量机构,改造后的智能泵的结构原理如图1-77所示。采用电液伺服变量机构的好处是其快速性和可控性比电液比例控制机构好。

图1-77 智能泵结构原理样机

此外,考虑到机载泵源系统可靠性要求较高,设置了固定恒压变量功能,当电液伺服变量机构发生故障时退化为固定恒压变量模式运行。系统的压力通过集成一体化传感器测量,理论流量通过排量和转速的乘积求得,压差通过两个压力传感器的差获得。原理样机改装后,对其进行了内漏系数、变流量和变压力测试,具体指标为:泄漏系数 K 1 =3.4×10 -12 m 5 /(N·s);变流量阶跃试验,阶跃为75%的额定流量时调整时间不大于200ms;变压力阶跃试验,从1~20MPa阶跃调整时间不大于50ms。

(3)工作模式管理

与定量泵加溢流阀所组成的恒压源相比,恒压变量泵(压力补偿泵加安全阀组成的恒压油源)消除了溢流损失,因而提高了系统的效率。但对高压系统来说,当负载甚小或运动速度要求不高时,将有较大的节流压降。美国的研究结果表明,对于一架典型的战斗机来讲,飞机对机载液压泵源要求工作压力为55.2MPa的时间还不到飞行时间的10%,在其余时间内,包括起飞、飞行到战斗位置、返航和着陆,20.7MPa的机载液压系统已能完全满足要求,表1-10是在Rockwell实施的军用飞机某项研究所得到的统计结果。

表1-10 飞行过程时间统计表

从表1-10可以看出,工作模式管理对智能泵来说是非常重要的,如果仅有智能泵但没有对其进行有效的运转模式管理不能称之为真正意义上的智能泵。必须根据飞行任务制订工作模式和输入设定程序,才能使智能泵发挥应有的作用。所制订的工作模式和输入设定如表1-11所示。

表1-11 工作模式和输入设定表

工作模式的管理和输入设定由机载公共设备智能管理计算机完成,已与智能泵的微控制器通过1553B总线构成递阶控制。

(4)能量利用情况分析

图1-78是负载敏感泵与负载连接情况,图1-79~图1-81给出了3种泵源的功率利用情况。以上图中 p p 为泵的输出压力; p s 为出口压力; p L 为负载压力; p LS 为所有支路油负载压力的最大值; p sh 为智能泵负载压力的最大值;LS为负载敏感;SV为伺服阀; Q L 为泵的负载流量; Q p 为泵的输出流量; Q s 为最大负载流量;Δ p 为设定工作压差; i 为控制电流。

图1-78 负载敏感泵源与系统

从图1-79~图1-81可以看出,负载敏感变量泵功率利用情况最好但动态特性较差,可调恒压变量泵的功率利用情况较好。值得提出的是,可调恒压是指供油压力随任务不同可以控制,不是像负载敏感泵那样供油压力随负载压力变化;负载敏感泵供油时,由于供油压力随负载压力变化,所以伺服机构的负载压力与负载流量间的抛物线关系已不再成立。图1-79和图1-80中, COAB 相当于约90%左右的工作区。 A 1 B 1 C 1 相当于10%左右的大机动工作区。从图1-81可以看出,如果负载敏感泵驱动多执行元件,当负载相差悬殊时,节流损失仍很大,同时动态特性也不好。如果采用功率电传,末端以泵驱动单元执行元件的模式比采用负载敏感泵有一定优越性,但随着电机调速性能的改善,此方案的可用性已经受到质疑。

图1-79 普通恒压泵能量利用情况

图1-80 智能泵能量利用情况(可调恒压泵)

图1-81 智能泵能量利用情况(负载敏感泵)

(5)智能泵微控制器

智能泵微控制器基于89C51单片机实现,可以通过1553B(GJB498)总线与机载公共设备管理系统液压子系统的计算机相连。所研制的智能泵微控制器的结构组成如图1-82所示,由89C51单片机、AD574A、TLC5620、调理电路、电流负反馈放大电路和显示电路等组成,控制程序固化在89C51单片机的EEPROM中。对于智能泵来说,无论是流量控制、压力控制还是负载敏感控制,最终均可归结为对变量泵排量的控制,而排量的控制采用电液位置伺服系统通过单片型微机控制系统来调节变量泵的斜盘摆角实现。电液伺服变量装置微机控制系统负责实现用微机控制智能泵的流量探力特性,并选择与运转方式相对应的反馈量与设定量比较获得误差信号进而通过计算求得控制量。图1-82中,2路频率信号分别是转速信号和转矩信号,2路数字输出信号分别用于驱动流量检测/加载阀组的两个电磁阀,1路模拟输出信号用于控制电液伺服变量装置的电液伺服阀。通过串口,可实现上位机与其微控制器通信,实现从上位机向下位机传送变量方式、控制规则和给定参数等。微控制器可以实现模糊PID和常规PID两种控制算法。

通过智能泵微控制器的测试,其模出、模入和定时精度为:

图1-82 智能泵微控制器方块图

模出:单通道,精度优于0.1%;

模入:4通道,精度优于0.1%;

转速测试精度:优于0.5%;

定时精度:优于采样周期的0.05%,采样周期可以在2~50ms设定。

(6)智能泵实验装置

在飞机上,智能泵由航空发动机通过分动箱(减速比一般为3∶1)驱动。由于航空发动机的功率比液压功率大得多,因此该驱动系统有非常高的速度刚度。为了在实验室进行智能泵的试验,必须设计能模拟发动机转速驱动系统特性的驱动装置。所设计的转速调节系统如图1-83中的右半部分所示,采用阀控马达系统稳定液压泵的转速,阀为带位移电反馈的电液比例方向流量控制阀。为了进行泵的加载和工作模式切换,设置了流量检测(如载阀组)。当其中的电磁阀均断电时起流量检测和加载的作用;当左边的电磁铁通电且右边的电磁铁断电时,起加载的作用;当两个电磁铁均通电时,油泵处于卸荷状态。实验系统中的智能泵采用微控制器控制,采用上位机通过串口和采集卡传送指令和采集试验数据并进行数据处理获得实验曲线。上位机CAT软件采用VC6.0编写。该装置能对智能泵进行变流量、变压力和负载敏感等实验。

图1-83 阀控马达驱动智能泵试验系统

1—增压泵;2—智能泵;3—安全阀;4—高压油滤;5—流量检测(如载阀组);6—比例方向流量控制阀;7—驱动侧液压泵;8—驱动液压马达;9—转速转矩测试仪;10—变量控制机构

1.4.2 机载智能泵源系统负载敏感控制

未来飞行器将具有高速、高机动、轻自重、大有效载荷的特点,这就对更轻重量、更小占用空间以及更大操纵功率的液压系统有越来越迫切的需求,达到这一目的的有效途径就是提升飞机液压系统的工作压力。如今飞机液压系统普遍采用恒压变量泵源系统,如果液压系统工作压力经过高压化后,泵的出口压力将始终维持在高压状态,这会使系统产生较大的泄漏及节流损失,无效功耗大大增加,液压系统温度急剧上升。液压系统受温度影响比较大,温升常常会导致介质老化加速、油液黏度和润滑性能降低、沉淀物聚集加剧、零件膨胀从而导致液压系统工作失效的问题,这严重影响飞机的飞行安全。另外,为液压系统增加降温装置,又不能达到通过高压化而减轻系统重量、提高系统效率的目的。

负载敏感控制是使泵的输出跟随负载变化的控制方式,智能泵负载敏感控制就是使泵的输出根据负载的需求而调节的机载智能泵控制方式。负载敏感控制能够使泵的输出压力和流量与负载需求完全匹配,尽最大可能减少系统溢流和节流损失,降低无效功耗,从而达到节能降温的目的。

(1)负载敏感系统原理

负载敏感技术利用负载变化引起的压力变化去调节泵或阀的压力与流量以适应系统的工作需求。机载智能泵是以塑料注射机和自行式移动机械上应用的负载敏感泵发展而来的,负载敏感控制系统的功耗较低、效率高、发热少,对于飞机液压系统的高压化趋势有良好的应用前景。

负载敏感系统在各执行器前设置调速阀,利用不同控制方式(电液、机液、电气)调节调速阀进出口压差,使其保持为恒值。由于调速阀进口压力一般为泵源出口压力,调速阀出口压力一般为负载压力,所以负载敏感系统泵源出口压力 p s 始终跟随负载压力 p L 的变化而变化,且与负载压力保持固定差值Δ p (1MPa左右),即:

(1-20)

液压系统效率 η x 为系统输出与输入压力与流量乘积积分的比值,其表达式为:

(1-21)

η x 的表达式可以看出,液压系统无效功率是由系统过剩的压力Δ p 以及过剩的流量Δ Q 造成的。

液压油流过锐边节流孔(液流通过的节流通道长度等于零)时,依据节流孔中不同的液流雷诺数,有层流和紊流两种状态,在锐边节流孔的节流流动中,层流状态转变为紊流状态的临界雷诺数,圆形节流孔约为9.3,矩形缝隙节流孔约为16.6。实践表明,大多节流流动雷诺数 Re >10,属于紊流情况。紊流型节流流动节流特性方程为:

(1-22)

式中, A 0 为节流孔面积;Δ p 为节流孔进出口压差; ρ 为液流密度; c d 为流量系数。

对于调速阀 c d ρ 、Δ p 都为常数,即 μ 为常数,则通过调速阀流入执行器的流量大小为:

(1-23)

式中

其中 μ 为常数,所以执行器的流量仅与调速阀开度 A 0 有关。从以上可以看出,传统的恒压液压系统能够把系统溢流流量减到最低,但系统压力始终维持在驱动最大负载所需压力。与传统恒压系统相比,智能泵负载敏感系统能够根据负载大小调节输出流量和压力,尽最大可能降低系统无效流量和无效压力。

(2)智能泵负载敏感控制方式方案

① 智能泵单执行器负载敏感系统 图1-84为智能泵单执行器负载敏感系统结构原理,智能泵出口与负载之间设置一个固定节流孔,节流孔进、出口安装压力传感器,智能泵处理器接收节流孔进、出口压力信号,并通过电液伺服阀控制智能泵变量机构,改变泵的输出,使固定节流孔进出口压差保持为定值,因为固定节流孔流通面积不变,根据流量公式,通过节流孔的流量也为定值。由于节流孔进口压力为泵输出压力,出口压力为负载压力,因此该系统保证了泵的输出压力始终跟随负载的变化而变化,降低了系统的节流损失,而流入负载的流量不受负载大小的影响。当把固定节流孔换成调速阀(可变节流孔)时,根据流量公式,此时流入负载的流量仅与调速阀的开度有关。因此智能泵单执行器负载敏感系统可使智能泵输出压力随负载的变化而变化,输出流量仅随调速开度的变化而变化,一般情况下固定节流孔的固定压差值很小(1MPa左右),所以系统仅在固定节流孔上存在很小的节流损失,系统无效功耗较低,效率较高。

图1-84 单执行器负载敏感系统结构

② 智能泵多执行器负载敏感系统 飞机液压系统中存在多个执行器,每个执行器都可能对应不同的负载压力,如果将这些执行器直接并联在固定节流孔出口则会导致泵输出流量优先流入低压负载油路,从而出现低压负载执行器速度过快,高压负载执行器速度过慢甚至完全停止的现象;为了满足所有负载的需求,泵输出压力必须与最大负载压力保持负载敏感关系,因此负载压力较小的执行器调速阀两端压力差不能保持恒定值,根据流量公式和调速阀工作原理可知调速阀此时处于工作失效状态。为了解决这些问题,应在多执行器负载敏感系统中设置分流装置。

图1-85为行走机械多执行器液压系统中的分流装置“压力补偿阀”。压力补偿阀有两个压力控制接口,其在工作中能够自动调整两个接口所连油路的压力差为恒定值。在多执行器负载敏感系统中的不同执行器负载油路安装压力补偿阀,阀的两个控制口分别与调速阀进、出口相连,调速阀进出口压差将被自动调节为设定的固定压差,从而实现并联在同一液压源上不同执行器的负载敏感控制。

图1-85 压力补偿阀

压力补偿阀由阀体、阀芯和弹簧组成,其中 p 1 p max 为控制压力, p 1 与调速阀进口相连, p max 与调速阀出口相连。压力补偿阀在工作中阀芯受力平衡方程为:

(1-24)

(1-25)

式中, k 为弹簧刚度系数; x 0 为弹簧预压缩量; x 为弹簧位移; F s 为作用在阀芯上的液动力; A 为阀芯面积。

由式(1-25)可知,当压力补偿阀在弹簧较软、调节位移较短以及液动力变化不大的情况下,两个控制压力的压差Δ p 近似为常数。

在多执行器智能泵负载敏感控制系统中,泵出口压力为最大负载压力与负载敏感固定压差之和,压力补偿阀安装于调速阀前,将各负载回路调速阀进出口压差调整为固定值。在传统的负载敏感控制系统中,用梭阀判断执行器最大负载压力,用以调节变量泵出口压力。由于智能泵系统安装了压力传感器,可以代替梭阀,每个执行器压力腔压力由传感器测量,再把测得的压力值传递到智能泵处理器,由处理器判断出最大负载压力,并以此实现泵的负载敏感控制,其结构原理如图1-86所示。

图1-86 多执行器负载敏感控制

(3)仿真分析

为了验证智能泵负载敏感控制方案的可行性,在AMESim软件平台上建立图1-87所示的多执行器系统仿真模型。模型中1和2为压力补偿阀,3和4为执行器,其中3为传动装置,4为电液位置伺服机构。传动装置油路调速阀进、出口安装压力传感器,在实际的系统中,调速阀进口压力传感器对系统正常工作不起作用,在此只是为了方便测量调速阀进出口压差而设置的。智能泵接口与智能泵输出端相接,智能泵处理器接口为智能泵智能中心提供最大负载压力信号。

图1-87 智能泵多执行器负载敏感系统仿真模型

设定执行器动作和工况:两个执行器整个动作时间为2s,其中0~0.5s,传动装置作动筒受到大小为30000N的作用力 F 1 ,0.5~1.5s, F 1 增大到50000N,1.5~2s, F 1 又减小到10000N;电液位置伺服机构受到大小为1000N的作用力 F 2 ,0~1s,伺服阀输入电流为0mA,1~2s,伺服阀输入电流为0.7mA。整个2s期间,传动机构油路调速阀开度保持不变。设置仿真时间为2s,采样时间间隔0.001s,运行仿真,得到仿真结果。

图1-88为各执行器的位移大小,其中实线为传动机构作动筒活塞杆位移,0~2s期间,虽然活塞杆受到的作用力处于变化状态,但其仍以匀速状态从0移动到0.226m,根据负载敏感系统原理,系统能够根据负载大小自动调节调速阀两端压力,使其压力差保持为固定值,执行器进油速度仅与调速阀开度有关,因此当调速阀开度保持一定大小时,无论活塞杆受到的作用力如何变化,其速度始终保持为匀速状态;虚线为电液位置伺服机构位移,其值在第1s时由0迅速变为0.7m,与伺服阀输入电流一致,整个过程响应时间和调节时间较短,符合控制系统对动态性能的要求,且传动机构与位置伺服机构在执行动作的过程中互不影响。因此,可以看出在智能泵负载敏感系统中各执行器能够正常工作。

图1-88 各执行器位移

图1-89为各执行器动作时系统各部分的压力状况,曲线1为作动筒所受负载压力,其值随着所受作用力的大小而变化;曲线2为伺服机构所受负载压力,1s后执行器位移发生变化,负载压力也随之变化;曲线3为智能泵输出压力。如图1-89所示结果,0~1.5s,作动筒负载压力大于伺服机构负载压力,智能泵输出压力与作动筒负载压力保持负载敏感关系;1.5~2.0s,伺服机构负载压力大于作动筒负载压力,智能泵输出压力与伺服机构负载压力保持负载敏感关系。因此可以看出系统中智能泵输出压力始终与各执行器最大负载压力保持负载敏感关系。

图1-89 系统各部分压力状况

图1-90为在智能泵负载敏感系统以及恒压变量泵系统完成该组动作泵源系统的总输出功率。智能泵负载敏感系统与恒压变量泵系统作动筒和伺服机构的位移相同,即所做的有效功相同,但两者的泵源系统输出总功却不同。由于恒压泵需要始终保持驱动最大负载所需的压力,在0~0.5s以及1.5~2.0s的系统压力仍然需要保持为0.5~1.5s期间驱动大负载所需的压力,这就造成了节流损失。经计算,完成这组动作,恒压变量泵系统泵源输出总功为17554.7J,而智能泵负载敏感系统输出总功仅为14034J,后者比前者的效率提高了将近20%。同时,由于智能泵系统在降低系统压力的同时也降低了系统的泄漏,这有利于进一步提高系统效率。

图1-90 不同系统泵源输出功率

(4)小结

智能泵与负载敏感系统结合而成的智能泵负载敏感系统能够使飞机液压系统泵源输出压力与各执行器最大负载压力保持负载敏感关系,尽最大可能地减少系统工作在高压状态的时间,降低了节流损失,同时压力的降低也减少了系统工作中的泄漏,进一步提高了系统效率,避免了飞机液压系统高压化后导致的油液温升。

多执行器负载敏感阀会产生较小的压降(1MPa左右),会有很小的节流损失,虽不能达到与负载需求完全匹配,但相对于非智能泵,效率依然可以提高20%,极大提升了效率;单执行器系统智能泵的输出与负载需求可达到完全匹配,可以获得比多执行器系统更高的效率,最大程度减少了高压时间。智能泵负载敏感系统为飞机液压系统高压化和大功率化的发展趋势铺平了道路,具有良好的应用前景。

1.4.3 大型客机液压泵系统

大型客机液压系统是一个多余度、大功率的复杂综合系统,由多套相互独立、相互备份的液压系统组成。每套液压系统由液压能源系统及其对应的不同液压用户系统组成。液压能源系统包括油箱增压系统、泵源系统以及能量转换系统等;用户系统包括飞控系统、起落架系统以及反推力系统等。其中液压能源系统是综合系统的动力核心。

(1)空中客车公司大型客机液压能源系统

① 空客A320 A320系列客机是空中客车公司研制的双发、中短程、单过道、150座级客机,包括A318、A319、A320及A321四种机型,是第一款采用电传操纵飞行控制系统的亚音速民航飞机。

A320液压系统由3个封闭的、相对独立的液压源组成,分别用绿、黄、蓝来表示。执行机构的配置形式保证了在2个液压系统失效情况下,飞机能够安全飞行和着落,其液压系统配置见图1-91。在正常工作(无故障)情况下,绿系统和黄系统中的发动机驱动泵(EDP)和蓝系统中的电动泵(EMP)作为系统主泵,为各系统用户提供所需要的实时液压功率。黄系统中的电动泵(EMP)只在飞行剖面中大流量工况或主泵故障工况时启动。当任何一个发动机运转时,蓝系统的电动泵自动启动。3个系统主泵通常设置为开机自动启动,无电情况下,手动泵作为应急动力对货舱门进行控制。蓝系统为备份系统,其冲压空气涡轮(RAT)在飞机失去电源或者发动机全部故障时,通过与其连接的液压泵为蓝系统提供应急压力,此外RAT也可通过恒速马达/发电机(CSM/G)为飞机提供部分应急电源。系统中的双向动力转换单元(PTU)在绿、黄两个液压系统间机械连接,当一个发动机或EDP发生故障,导致两系统压力差大于3.5MPa时,PTU自动启动为故障系统提供压力。优先阀在系统低压情况下,切断重负载用户,优先维持高优先级用户(如主飞控舵面)压力。前轮转弯、起落架、正常刹车由绿系统提供压力,备用刹车由黄系统提供压力。

图1-91 空客A320液压系统配置

② 空客A380 A380是空客公司研制的四发、远程、600座级超大型宽体客机,是迄今为止世界上建造的最先进、最宽敞和最高效的飞机,于2007年投入运营。它是目前世界上唯一采用全机身长度双层客舱、4通道的民航客机,被空客视为21世纪“旗舰”产品,其液压系统特点如下:

a. 2H/2E系统结构 A380飞机将液压能与电能有效结合,采用2套液压回路+2套电路的2H/2E双体系飞行控制系统,如图1-92所示。其中2H为传统液压动力作动系统,由8台威格士发动机驱动泵(EDP)和4台带电控及电保护的交流电动泵(EMP)组成两主液压系统的泵源,为飞机主飞控、起落架、前轮转弯及其他相关系统提供液压动力;2E为电动力的分布式电液作动器系统,用于取代早期空客机型的备份系统,该系统由电液作动器与备用电液作动器组成。4套系统中的任何一套都可以对飞机进行单独控制,使A380液压系统的独立性、冗余度和可靠性达到新的高度。所有EDP通过离合器与发动机相连,单独关闭任何一个EDP都不会影响其他EDP工作及系统级性能,因此即便8个EDP中有一个不工作,飞机仍可被放行。EMP作为辅助液压系统备用。

图1-92 空客A380液压系统配置

b. 35MPa压力等级 尽管35MPa高压系统在部分军用飞机(如F-22,F-35,C-17)上得到应用,但是A380是首架采用35MPa高压系统的大型民用客机,已既满足了飞机液压系统工作需求,又减小了其体积和重量。据统计,35MPa压力等级的引进为A380飞机减轻了1.4t的重量,并提高了飞控系统的响应速度。

c. EHA/EBHA 电液作动器EHA/EBHA与分散式电液能源系统LEHGS等新型技术在A380飞机上的成功使用,开启了飞机液压系统从传统液压伺服控制到多电、多控制的技术先河。通过新一代电液作动器的使用,使得系统设计从传统分配式模式向分布式模式转变,减少了液压元件与管路的使用,减少了飞机重量。

A80飞机采用EHA/EBHA系统来控制主飞行控制舵面,从而减少了一套液压系统,由于EHA/EBHA布置在执行器的附近,因而使驱动舵面的反应速度更快,也简化了液压管路的布置。

(2)波音公司大型客机液压能源系统

① 波音737 波音737系列客机是波音公司生产的一种中短程、双发喷气式客机,被称为世界航空史上最成功的窄体民航客机,具有可靠、简捷、运营和维护成本低等特点,是目前民航飞机系列中生产历史最长、交付量最多的飞机。目前市场上主流737为-300/-400/-500型,最新一代737为737-NG(next generation)。

波音737有3个独立的液压系统,分别为A系统、B系统和备用系统,为飞行操纵系统、襟/缝翼、起落架、前轮转向和机轮刹车等提供动力。波音737由线缆等机械装置传输指令进行飞机姿态控制。图1-93显示了波音737的液压系统配置。

图1-93 波音737液压系统配置

系统A与系统B是飞机主液压系统,正常飞行状态下由系统A和系统B提供飞机飞行控制所需压力;A/B系统泵配置均由一个EDP和一个EMP组成;A/B系统的正常压力由系统中的EDP提供,如果EDP失效,由EMP为A/B系统补充压力;备用系统由EMP为飞机提供动力。波音737液压系统中的PTU为单向动力传递,即只有当B系统中出现严重低压现象时,PTU在A系统的动力驱动下,将动力传递给B系统用户,由于传递过程使用同轴连接结构,可保证两系统不发生串油现象;两系统都可以通过起落架转换阀对起落架系统进行供压,保证两主系统都可以对起落架液压系统进行独立控制。

② 波音787 波音787是波音公司最新发展的双发、中型宽体客机,可载210~330人,航程6500~16000km。波音787的突出特点是采用了高达50%的复合材料来建造主体结构(包括机身和机翼),具有强度高、重量轻等优点。

波音787同样采用35MPa工作压力来降低系统重量。液压系统仍由左、中、右3套独立系统构成,其中左/右液压系统由一个EDP和一个EMP来提供压力,中央系统由两个EMP和一个涡轮冲压泵RAT来提供压力。液压系统用户分配见图1-94。

图1-94 波音787液压系统配置

波音787液压系统设计体现了未来多电飞机的发展趋势。与波音737相比,由于波音787采用电机械(EMA)技术来控制部分飞行控制舵面,因此其液压系统用户减少。此外,波音787采用电刹车系统来替代传统的液压刹车系统,刹车系统得到大大简化,系统可靠性得到提高;同时由于没有液压管路,避免了油液泄漏,降低了维修成本。

(3)客机液压能源系统发展趋势

① 高压化 传统客机液压系统压力等级主要为21MPa,但从新型客机A380和波音787应用35MPa压力等级可以看出,民用飞机紧随军用飞机液压技术,也具有发展高压系统的趋势,这是因为就传动力和做功而言,高压意味着可以缩小动力元件尺寸、减轻液压系统重量、提升飞机承载能力。当然,高压系统也对设备的强度和密封材料的性能提出了更高的要求。液压系统是否采用高压,还要考虑飞机燃油经济性和维护便利性的要求。

② 分布式 电液作动器EHA与分散式电液能源系统LEHGS等新型电液技术在A380飞机上的成功使用,是大型客机液压能源系统设计理念的创新,使得液压能源系统设计首次从传统集中分配式模式向独立分布式模式转变,大大减少了液压元件与液压管路。EHA与LEHGS的结合运用,替代传统第二套液压能源系统(备用系统),实现了小功率负载用户到大功率负载用户的飞机液压动力备份。

电液作动器EHA将液压能源系统与用户系统有效地集成于同一元件内,从而实现了小功率作动子系统的分散化。图1-95为EHA基本原理构架,图1-96为EHA实物图。

图1-95 EHA原理构架

图1-96 EHA实物图

为了减轻A380的重量,创新设计的分散式电液能源系统(LEHGS)通过微型泵技术为大功率用户如制动系统及起落架转向系统提供动力。从电控单元发出的信号激活多个轻质的电动微型泵,每个微型泵都安装在各分系统附近对负载用户进行控制。微型泵能够为制动及转向系统提供35MPa的油压,在应急情况下能为用户提供动力。

③ 自增压油箱技术 飞机上每个液压系统都有自己的油箱,为防止液压系统产生气穴现象,飞机油箱压力需保持在一定值(如0.35MPa)以上。大多数飞机(如A320、波音737、A380等)利用来自发动机的压缩空气对油箱进行增压,油箱内压力油与空气间没有隔膜,多余气体自动经溢流阀排气,其原理如图1-97所示。这种油箱需要大量的引气管路、水分离器以及油箱增压组件,导致系统结构复杂、系统重量增加。

图1-97 液压系统引气增压原理

图1-98为自举式增压油箱结构示意。油箱中使用了一个差动面积的柱塞,柱塞泵出口高压油通过优先阀被引回到柱塞的小面积有杆腔,从而带动大柱塞向下运动,对油箱中的吸油腔油液增压。蓄能器设置在油箱和单向阀间,用以保持自增压回路的压力稳定,减小系统压力波动带来的油箱吸油腔压力波动。该油箱的优点是通过油箱结构的创新设计避免了油箱引气增压系统带来的系统复杂、管路繁多的缺点,使得油箱增压系统得以简化。目前波音787及我国自主研发的ARJ21飞机上都应用了自增压油箱技术。

图1-98 自增压油箱原理图

④ 故障诊断与健康管理 故障诊断与健康管理(diagnostics prognostics and healthmanagement,DPHM)实现了从基于传感器的反应式事后维修到基于智能系统的先导式视情维修(CBM)的转变,使飞机能诊断自身健康状况,在事故发生前预测故障。飞机液压系统健康管理的主要难点是如何在有限传感器基础上对所检测的液压系统状况进行智能判别,例如,准确判断柱塞泵失效状况需要大量实验数据作为参数化依据,同时需要合理有效的数据处理方法。图1-99所示的DPHM系统结构主要由机载系统和地面系统组成。

图1-99 DPHM结构体系

⑤ 智能泵源系统 目前,飞机液压系统中的EDP和EMP大多为恒压变量柱塞泵,系统压力设定为负载的最大值,柱塞泵不能根据飞行负载变化输出不同压力值,由此带来了能量的浪费。如果采用带负载敏感的智能泵源系统,液压系统输出压力和流量随飞行负载的变化而实时调解,将大大降低液压系统能耗。

智能泵源系统可根据负载工况自动调节输出功率,使输出与输入最佳匹配,是解决飞机液压系统无效功耗和温升问题的有效途径,其关键技术主要涉及变压力/变流量技术、负载敏感技术、耐久性试验技术以及智能控制技术等。

(4)我国大客液压能源系统方案

① 主流机型方案对比 根据国家立项与专家论证,我国大客机型定位150座级,座位规模在130~200个座位,也就是目前畅销的波音737和空客A320的竞争机型,目前全世界的在飞客机中有70%~80%是这一级别。

波音737和A320系列客机为目前市场占有率最高的两种150座级客机。鉴于目前我国大客的机型定位,通过比较两机型液压能源系统特点,能为我国大客液压能源系统设计提供有益参考。比较结果见表1-12。

表1-12 A320和波音737液压系统的比较

从两者液压系统比较可发现,波音737液压系统相对A320液压系统简洁,可有效减轻飞机液压系统重量,但在系统功能结构、冗余度以及可靠性方面明显不足。波音737没有采用冲压空气涡轮(CRAT)作为备份系统能源,且主系统间PTU装置仅采用单向结构而非双向结构,减少了飞机液压能源供给途径,降低了飞机应对紧急情况的能源供给能力。同时备份系统对应的执行机构功能简单,紧急情况下对飞机的控制能力有限,降低了备份系统的有效性。故总体上讲,A320飞机液压系统相比波音737飞机液压系统先进,拥有更高安全裕度,波音737机型液压系统配置则更为简洁、轻便。因此,在开发国产大飞机液压系统时,应着重借鉴空客A320机型的高冗余度设计与波音737机型的系统简洁性设计。

② 设计方案一 根据大客发展目标以及新老机型方案对比,在此提出2种飞机液压能源系统方案。第一种系统方案配置见图1-100。液压系统压力采用21MPa,系统由3套独立液压能源组成,分别标记为左、中、右系统。与A320相比,每套液压系统均采用自增压油箱技术,同时简化用户系统配置。左/右液压源为飞机主液压系统,分别由一个EDP和一个EMP提供动力;中系统为备用系统,由一个EMP和一个RAT提供动力。飞机启动时,由左/右液压系统中的EDP为飞机提供动力。当发动机或EDP发生故障以及大流量需求工况(如飞机起飞和降落阶段)时,左/右系统中的EMP为飞机补充动力。在系统失电情况下,可利用左系统中的手动泵对舱门进行操作。左/右系统失效情况下,启动中系统EMP作为应急能源提供系统压力;当电力丢失以及2台发动机全部失效时,由冲压空气涡轮RAT为系统提供压力;此外RAT还为恒速马达发电机(CSM/G)提供动力。在一个发动机或其对应的EDP失效时,双向PTU为故障系统或低压系统提供动力转换。

图1-100 液压系统功能配置(方案一)

③ 设计方案二 第二种方案采用28MPa作为系统压力,这是因为28MPa能够被目前的机载设备和维护设备强度所接受,同时能够减轻飞机液压系统的重量。此外,系统中采用电液驱动技术来驱动部分飞行负载,采用分布式电液能源系统代替传统备份系统。系统功能布置见图1-101。系统采用2套液压回路(2H)+1套电驱动回路(1E)的高可靠性方案。本方案中的每个液压能源系统由一个EDP和一个EMP提供动力。电驱动系统作为备份,在2套液压系统失效情况下为飞行控制提供应急动力;其中EHA用于驱动方向舵,EBHA用于驱动升降舵、副翼和扰流板3,局部电液能源系统(LEGHS)用于驱动刹车系统。发电设备包括恒频发电机CFG、RAT、辅助动力单元(APU)及地面动力单元(GPU)等,其中CFG与发动机相连,当发动机运行时,CFG自动为系统提供电源。

图1-101 液压系统功能配置(方案二)

(5)液压能源系统关键技术

① 高可靠性液压系统 高可靠性液压系统设计包括液压源的余度配置、高可靠性液压元件、高可靠性传感器选择等。

液压系统余度配置不仅影响飞机的安全性,同时也影响液压系统的重量和飞机控制性能。在进行飞机液压系统设计时,要进行液压系统多余度配置的优化设计论证,找出最佳的系统冗余配置。

高可靠的液压元件主要指EDP、EMP、液压控制阀及附件等,以上元件性能的好坏直接影响液压系统的可靠性。目前国内公司还不能生产高可靠性的航空液压元件,因此研制开发具有自主知识产权的高可靠性液压元件是实现大客飞机国产化、带动国内相关技术领域发展的关键。

此外,高可靠性传感器是飞机控制系统的重要环节。精确可靠的反馈信号是液压系统故障诊断与高精伺服控制的前提。目前飞机液压系统的各类传感器多为进口。

② 压力脉动抑制 压力脉动引起的管路振动是许多液压系统失效的主要原因。柱塞泵由于其优越的性能在飞机液压系统中得到广泛应用,但其固有的自然频率的流量脉动(不能完全消除)特性,也影响了液压系统性能。流量脉动造成压力脉动和管路振动,不仅带来了严重的噪声,而且能够造成管道系统在过载或疲劳载荷下发生灾难性事故。飞机液压系统的管路振动多年来一直困扰着飞机液压系统设计师,随着飞机液压系统的高压化,这一问题更加突出。因此在设计飞机液压系统时,必须采取有效的方法将管路振动限制在一定范围,尽可能减小压力峰值,并避免机械共振。尽管一些被动控制振动方法(如蓄能器、管夹、阻尼器和振动吸收材料等)证明是可行的,但是部分主动振动控制方法(需第二个能量源来抵消主能量源的振动)对进一步降低液压系统振动也起到了良好的作用。

③ 油液温度控制 飞机液压系统温度必须控制在一定范围内,否则直接影响飞机的控制性能、机载设备寿命及可靠性。飞机热负载主要来自于发动机热辐射、泵源容积损失与机械损失、液压长管道沿程损失、电液阀的节流损失、作动筒的容积损失以及反行程中气动力作用导致的系统温升等;液压系统高温使油液黏度降低、滑动面油膜破坏、磨损加快、密封件早期老化、油液泄漏增加;高温也使油液加速氧化变质、运动副间隙减小,产生的沉淀物质会堵塞液压元件。针对飞机液压系统温度影响,必须展开关于飞机液压系统温度控制技术的相关研究,从元件级、系统级、综合实验级分别对飞机液压系统温度特性进行热力学建模与仿真分析,同时以试验对比的方式验证飞机液压温控系统的合理性与有效性。

④ 油液污染度控制 液压系统很多故障均与液压油污染有关。飞机液压系统多采用伺服执行器,因此对油液污染度有严格的要求。油液污染定义为油液中出现对液压系统性能产生负面影响的其他物质,这些有害的物质主要包括水、金属、灰尘和其他固体颗粒等。油液污染使液压泵和其他元件的磨损加快,导致液压元件提前失效,影响液压系统的可靠性。因此合理的油液污染检测和控制方法,对保证飞机飞行安全是十分必要的。通常飞机液压油的污染由合理的过滤器来控制,在飞机降落后对液压油的污染度(主要包括颗粒大小、化学成分等)进行采样检测。目前一种轻型在线检测飞机油液污染度的技术正在发展中,可望在不久的将来应用到飞机上,将对飞机液压系统的监测起到很好的促进作用。 OExXXFanbbB9jyfzau7vVnxrs/8Y7Lk3OQjbs3h+zntq4/SQKOFVgUNF70pcJRUu



1.5 智能化的液压元件及应用

随着数字技术的飞速发展,以及PLC、DCS和FCS三大控制系统在工业自动化中的广泛应用,智能液压元件作为机电一体化的器件也随着电子技术及自动控制的进步得到不断发展。

1.5.1 DSV数字智能阀

瑞士万福乐公司推出了DSV——数字智能(digital smart valve),如图1-102与图1-103所示。之所以称它为数字智能阀,是因为此阀可在最小的允许空间内放置一块数字式控制器,这是迄今为止市场上能见到的结构最紧凑的控制模块,其结构尺寸只相当于普通电子控制器的一半。用户可以在不进行任何调整和设置的情况下直接安装使用,而且这种产品还具有自诊断及动作状态显示的功能。

图1-102 型号:DNVPM22-25-24VA-1

图1-103 型号:BVWS4Z41a-08-24A-1

这种液压阀具备的特点:

① 即插即用、简便的使用性能且易于更换。

② 便利实现设备的平稳精确控制。

③ 高质量,具有极高的操作可靠性能。

④ 自检测元部件操作状态诊断功能。

新型智能控制模块扩充了瑞士万福乐公司的产品系列,此模块可以适配万福乐的各种比例阀。这种智能电子控制器拥有许多优点,内置此种控制器的比例阀在出厂前经过统一设置和调整,使相同型号的产品具备完全相同的工作特性。由于这种控制器的结构紧凑,采用超薄设计,可与四通径阀结合,由此,万福乐即可为客户提供最为完美的微型液压元件。

另外,万福乐公司也是目前唯一一家可提供M22和M33内置数字放大器的螺纹插装式比例阀的生产厂商,此系列产品是专为固定式模块系统及移动液压系统而特殊设计。

DSV(数字智能阀)可适用于各种用途,例如,在林业设备或装载机械中控制比例换向阀,也可用于在液压电梯、升降平台或叉车的液压系统中,对升降运动进行平稳的控制;或者,在风力发电机的设备上控制叶轮的转角。板式结构的DSV阀还可为各种机床提供开环的比例方向控制、比例节流或比例流量控制。

另外,此阀应用在简单的位置控制系统中,外部控制器可以非常容易的操纵此阀。此阀还具有多种适配功能,比例阀操作状态诊断可通过简洁的基于Windows模式下的参数控制软件——PASO轻松实现。

因为控制软件可以根据客户的特殊需求及实际工况条件任意进行修改,故万福乐的比例阀配合内置数字式控制器依然保留着灵活的特性。另外,此控制器还允许扩展传感器读值的功能,例如,在通风系统中做温度控制或对油缸的压力进行监控等特殊功能。

万福乐公司开发的数字智能阀使比例阀的发展和应用上升到一新的台阶。应用DSV数字智能阀的客户无需了解元件的详细原理,只需将其安装到系统上即可直接享有DSV提供的完美的功能。

1.5.2 分布智能的电子液压元件

Atos公司研发了电子液压比例阀件配套一体化数字式的电子器件。这些产品能赋予传统控制体系新的功能,它的基本功能是使新型紧凑的机器带有更高技术含量数字电子器件,集成了多种逻辑和控制功能(分布智能),且使大部分现代现场总线通信系统变成可行和便宜。

(1)数字化的优势

一体化比例电子液压引入数字控制技术将带来一些立竿见影的进步:

能在狭小的空间内通过增加阀件的参数设置数量来实现更多功能,以适应各种应用中的特殊要求;

数字化的处理能保证这些设置的可重复性:由于有永久存储,数字设置能被自动保存;

数字化元件测试保证了所有功能参数设置的可重复性,新的控制技术提高了比例阀的静态和动态性能。

(2)PS系列数字电子器件

基本型PS系列数字电子器件配备了一个标准RS232通信界面,并带有一个友好用户界面的电脑软件,软件名为E-SW-PS,实现功能参数的管理。

PS系列的一体化数字电子器件可提供不带传感器(E-RI-AES)、带位置传感器(E-RI-TES)或带压力传感器(E-RI-TERS)的阀,甚至带双级闭环控制的先导阀(E-RI-LES)。这些数字电子器件的主要特点是能同相应的模拟电子器件完全互换;参考和反馈信号为模拟量;而可编程的界面使诊断和设置管理成为可能,使其性能最优满足应用要求。

这个方法能使客户逐渐了解数字技术的优势,而不必变更整体的应用机器的结构。

主要的参数设置如下:

① 数字设置死区和比例;

② 调节曲线的线性度,随意获取线性和非线性的特性;

③ 数字设置的斜坡可从0%到100%的范围内进行调节。

除此而外,一系列详细的诊断信息能全面分析阀件及其可能的故障原因。

(3)现场总线系列

数字电子的面世使现场总线界面(图1-104)成为现实。

图1-104 数字电子阀与现场总线

现场总线技术具有下列显著优势:

避免电磁干扰;

信息协议的标准化;

降低配线成本;

系统的诊断和远程帮助。

所有Atos数字放大器都提供2种最常用标准:

① C版本,可连接CANBus(CannpenDS408v1.5协议)。

② BP版本,可连接PROFIBUS-DP(FluidPower技术协议)。

(4)伺服驱动器

放大器自身集成了多种控制功能,真正实现了紧凑的电子液压运动单元。

AZC型伺服液压缸(图1-105)的E-RI-TEZ放大器,不仅能控制相应的阀,而且放大器本身就能进行位置、速度和/或力的控制。用AZC型伺服液压缸组成的伺服系统主要优势如下:

图1-105 AZC型伺服液压缸

自身能进行运动控制,无须再使用外部轴控制器;

方便放大器与外传感器直接连接,能减少配线数量;

现场总线系统能使连接的多个运动控制单元和各单元之间的通信的速度达到最佳性能。

总线系统能达到最佳性能的重要一点是分布智能能快速局部处理闭环控制要求的高速信号,从而避免不必要的在线信息超载。

(5)简便的伺服系统

作为最简单的方式,分布智能的概念被应用到E-RI-AEG型放大器(图1-106与图1-107)。

图1-106 分布智能应用与E-RI-AEG型放大器

图1-107 E-RI-AEG型放大器运动控制性能曲线

这些数字电子器件能自发管理多达5个感应接近传感器和实现开环“快-慢”位置循环。对于任何循环阶段都可设置速度和加速度(斜坡)。

(6)新的功能

可设置控制参数并具有更紧凑尺寸的数字放大器能实现如下新功能:E-RI-TES型放大器能在比例方向控制阀上实现压力和流量的复合控制;对各种变量柱塞泵,E-RI-PES型数字放大器集成了压力流量控制和功率限制。

将来要实现同步控制,对动态性能进行最佳自适应控制,在现场总线系统中预先处理的远程帮助。

1.5.3 数字阀PCC可编程智能调速器在水电站的应用

数字阀PCC可编程智能调速器用于水轮机调速,电气部分以PCC可编程计算机控制器为核心,软件采用高级语言。电气液压转换部件采用电磁球阀,液压放大元件采用二通插装阀,采用无杠杆、无明管路结构。该型调速器调试简单,维护方便,具有先进的技术性能和高可靠性。

(1)数字阀PCC可编程智能调速器

结合水轮机调速器的特殊性,ZFST-100型数字阀PCC可编程智能调速器,选用不同于常规PLC的新一代可编程控制产品——PCC,即从贝加莱公司(B&R)进口的可编程计算机控制器B&R2003。它面向自动化过程,而不是面向继电器逻辑电路仿真,这就是B&R2003的理念。PCC代表着一个全新的控制概念,它集成了可编程逻辑控制器(PLC)的标准控制功能和工业计算机的分时多任务操作系统功能。它能方便地处理开关量、模拟量,进行回路调节。并能用高级语言编程,具备大型机的分析运算能力。其硬件具有独特新颖的插拔式模块结构,可使系统得到灵活多样的扩展和组合。软件也具备模块结构,系统扩展时只需在原有基础上叠加运用软件模块。CPU运行效率高,用户存储器容量大。这些优越性都为智能式水轮机调速器提供了强有力的资源保证。

在电气-机械转换方面,采用电磁球阀替代电液转换器;在放大级采用二通插装阀替代主配压阀。调速器从总体上降低了对油质的要求,从根本上避免了电液转换器发卡的弊病。由于数字阀技术是采用高速电磁球阀为先导阀,以二通插装阀为主阀,而且插装阀的密封形式为锥阀,因此数字阀又具有液压锁的功能,有效地避免了接力器的漂移,因此主接力器无需机械反馈。所以数字阀调速器在漾头水电站的应用,可以以最小的改动,达到整机改造的目的。由于该系统的先导电磁球阀又具有手动阀及事故阀的功能,减化了调速器内部结构,从结构上减化了整个调速系统。所以该型调速器实现了真正意义上的无杠杆、无管路;在结构上采用集成块的形式,外形简洁明快,可靠性极高,性能优良。由于无需机械反馈,该型调速器在机组的布置上可不受任何限制,厂房整齐,美观。

① 主要特点。

a. 全新的控制理念。采用不同于常规PLC的新一代可编程计算机控制器——PCC,面向控制过程,能采用高级语言,分析运算能力强,在同一CPU中能同时运行不同程序。程序运行时仅扫描部分程序,效率很高。

b. 全PCC化,具有极高的可靠性。从输入到输出,从测频到控制脉冲等各环节均实现了PCC化。PCC的平均无故障时间MTBF高达50万小时,即57年。常规PLC的平均无故障时间MTBF为30万小时。

c. 多任务的优点。在传统PLC中,并行处理是靠程序扫描来完成的。但事实上多任务才是并行处理的逻辑表达式,更简单直接的方法就是采用多任务技术。PCC恰恰可以满足这种需求,当某一任务在等待时,其他任务仍可继续执行,非其他常规PLC可以比拟。

d. 智能型调速器。采用自适应式变结构,变参数并联PID调节。自动识别电网的性质,并自动适应电站的各种特殊运行方式,如孤网运行,及由大电网解列为小电网运行的突变负荷等特殊情况,均可保证机组稳定运行。人性化设计,具有很强的自诊断、防错、纠错及容错功能。

e. 采用PCC高速计数模块(HSC)测频。PCC高达6.3MHz的计数频率,具有很高的测频精度和可靠性,从而使调速器的输入通道——测频环节的可靠性有了根本的保证。

f. 由PCC实现信号综合及控制脉冲的输出。调节器的电气开度(数字信号)和转换为数字信号的接力器实际位移由PCC内部进行综合比较,输出控制脉冲信号,经功率放大后,直接驱动先导电磁阀。充分发挥了PCC多任务的功能。

g. 联网方便。具有RS232或RS485通信接口,可以方便地实现人机对话及与上位机通信,提高电站的自动化水平。

h. 调节模式灵活。可实现频率调节、开度调节、功率调节,并可实现调节模式间的无扰动切换。

i. PCC的大内存,为智能型调速器提供了资源保证。用户内存:1.5MBflashprom,远大于常规PLC10KB左右的内存。

j. 采用电磁球阀作为电液转换元件。彻底解决了常规调速器电液转换元件油污发卡的问题,使电站可以实现完全可靠的自动运行。

k. 具有故障锁定的功能。由于数字阀只有通/断两个状态,且数字阀采用锥阀密封可以保证在31.5MPa下无泄漏,所以,数字阀又具有液压锁的功能,因此该系列调速器在测频信号消失及断电等情况下,具有故障锁定的功能。

l. 无杠杆结构。该系列调速器采用了数字阀液压随动系统,自动时有电气反馈,手动无需反馈,因此取消了杠杆,消除了因为杠杆造成的死区,提高了调速系统的精度,而且无管路,结构简单,美观。

m. 友好的人机界面。采用触摸屏作为人机界面,画面美观逼真,全中文显示,操作方便,可以同时显示很多信息。

n. 维护简单调试方便。由于PCC的高度集成化和高可靠性,对于运行维护人员没有太高的特殊要求,调试只需设定有关数字,没有太多的电位器等可调元件。

o. 采用数字协联方式。桨叶随动系统准确度高。

p. 零扰动手/自动切换。由于自动运行时,电磁球阀每次动作后都处于失电状态;而切断电源即为手动运行。手动运行时,电子调节器跟踪接力器的实际开度。因此数字阀调速器实现了零扰动手/自动切换。

② 主要功能 ZFST-100型数字阀PCC可编程智能调速器具有自动、电手动、手动三种操作方式,且可无条件无扰动切换。具有很多功能,实用性智能性很强,除常规功能外具有如下主要功能。

a. 空载运行时,能自动跟踪系统频率,实现快速并网。

b. 具有频率调节、开度调节、功率调节三种模式,并可实现调节模式间的无扰动切换。功率调节模式下,可接受上位机控制指令,实现发电自动控制功能(AGC)。

c. 具有很强的自诊断、防错、纠错及容错功能,并可将有关故障信息显示在屏幕上,或发出报警信号。

d. 与上位机通信的功能,接受上位机的控制命令,给上位机传送有关信息。

e. 开停机智能控制。

f. 具有参数记忆功能。当电源失电时,PCC可保存数据存储器的内容,使运行人员可以方便地修改有关参数并被记忆。

g. 具有水位调节功能。

h. 多级密码保护功能。持有密码级别的高低,决定了对系统行使权力的大小。运行人员只能观察到常规显示画面并进行常规操作,检修人员或管理人员可对调节参数等进行修改。

i. 采用交直流双重供电,当交流电源故障时,直流电源自动投入,直流电源故障时,保持当前开度不变。

g. 空载运行,当机频信号消失时,自动将开度保持在空载开度以下,以防过速。并网运行,当机频信号消失时,自动切换为网频测量回路,保持正常发电运行,同时发出机频故障信号。

③ 调速器工作过程 数字阀PCC智能调速器的结构框图如图1-108所示。

图1-108 数字阀PCC智能调速器结构框图

调速器自动运行时,接收到开机令后,按照预先设定好的开机规律开机。当网频测量正常时,调速器自动选择频率调节模式,PCC按照机频与网频的差值进行PID运算,为实现快速并网做好准备;当网频测量故障时,自动切换为开度调节模式,PCC按照机频与频率给定的差值进行PID运算。PCC根据电气开度和实际开度的差值输出脉宽调制(PWM)信号,经功率放大后驱动电磁球阀,调节导叶开度,使机组自动运行于空载工况。

并网后,如为并大电网运行,自动切换为开度调节模式。如为孤网运行,自动选择频率调节模式。通过上位机或触摸屏改变功率给定值,调节器经PI运算后,实现负荷调节。接到停机令后,调速器自动将机组关机,完成停机过程。

(2)应用实例

① 系统概况 某水电站,装机容量为2×8000kW,水轮机为轴流转桨式,设计水头为18m。原调速器为某厂生产的模拟电液调速器,机械控制部分采用电液转换器,二级放大部分采用主配压阀,接力器与主配压阀开环无反馈;在电气上采用模拟电子调节器,抗干扰性能差;自动运行时,常误动作。自投入运行以来,随着长时间的运行,机械的磨损,电气分立元件的老化严重地影响机组的安全运行。

原调速器存在的主要问题是:

抗卡阻效果差。调速器对油质要求较高,常卡阻,不能保证长期自动运行;

运行操作不方便。由于机械磨损主配压阀渗漏造成接力器漂移,且手动运行时无反馈,运行人员总要不断地调整,劳动强度较大;

抗干扰能力差。任何电磁干扰都可能造成调速器误动作;

检修维护不方便。调整环节太多,每次检修后,仅调整各个节流阀就需要几天时间。

② 改造方案 针对水电站的具体情况,拟订如下改造方案:

方案一,用ZFST-100型数字阀PCC可编程智能调速器整机替换原调速器。采用机电合柜形式。

方案二,保留原调速器主配压阀,去掉原调速器中除主配压阀以外的其他部分,采用步进电机替代电液转换器,采用PCC可编程智能调节器替换原模拟电子调节器。采用机电合柜形式。

由于主配压阀的结构形式为滑阀,主配压阀活塞与衬套之间的间隙所造成的渗漏就不可避免,为了减少主配压阀活塞与衬套之间的渗漏,就要在主配压阀活塞阀盘与衬套与窗口之间加大搭叠量,而搭叠量加大了调速器机械死区。由于主配压阀活塞与衬套之间的间隙所造成的渗漏不可避免,因此在手动运行时就需要机械反馈来补偿,否则,接力器就要漂移。

由于水电站原调速系统没有采用机械反馈。因此,在设备改造时,必须采用无钢丝绳反馈(或杠杆反馈)结构,只采用电气反馈。如采用方案二即保留原调速器主配压阀,手动运行时溜负荷。由于溜负荷,增加了运行人员的劳动强度。而采用方案一数字阀调速器则能解决这一难题。

综上所述采用方案一最为理想。

为了适应机组安全稳定运行要求,实现水电站“无人值班”(少人值守),水电站经过调查研究,选用ZFST-100型数字阀PCC可编程智能调速器,对原调速器进行了整机更换改造,率先实现了在轴流转桨式水轮发电机组上应用数字阀可编程计算机控制器的智能调速器。

③ 现场试验结果 现场进行了静态、动态试验,第一台调速器现场试验结果如下:

a. 转速死区 静态特性试验记录如表1-13所示。

表1-13 静态特性试验记录

转速死区:0.015%,优于国家标准转速死区不超过0.04%的要求。

b. 空载扰动试验 调速器自动运行,选择多组PID调节参数,选取频率摆动值和超调量较小、稳定快、调节次数少的一组调节参数,作为空载运行参数,如表1-14所示,即: b t =45, T d =20, T n =0.5;上扰:48.00~52.00Hz;下扰:52.00~48.00Hz。

表1-14 空载扰动试验记录

c. 空载频率摆动值。

• 手动空载摆动值。将调速器切至手动位置,操作电磁阀使机组处于额定转速下运行,稳定一段时间后观察机组频率摆动值,每次三分钟,共三次,取平均摆动值,如表1-15所示。

手动空载摆动值:±0.17%,优于国家标准手动空载摆动值不超过±0.2%的要求。

• 自动空载频率摆动值。将调速器切至自动位置,PID调节参数为上步试验优选出的空载运行参数,机组开至额定转速。机组运行稳定后观察机组频率摆动值,每次三分钟,共三次,取平均摆动值,如表1-16所示。

自动空载频率摆动值±0.06%,优于国家标准自动空载摆动值不超过±0.15%的要求。

表1-15 手动空载摆动试验记录表

表1-16 自动空载摆动试验记录表

d. 甩25%额定负荷试验 自动工况运行,机组带25%额定负荷即2000kW,甩负荷试验的录波如图1-109所示。接力器不动时间为0.18s,优于国家标准接力器不动时间不超过0.2s的要求。

图1-109 甩25%额定负荷(2000kW)试验录波图

e. 甩100%额定负荷试验 自动工况运行,机组带100%额定负荷即8000kW,甩负荷试验的录波如图1-110所示。

图1-110 甩100%额定负荷(8000kW)试验录波图

转速最大上升为额定转速的133.6%,超过3%额定转速的波峰次数为1次,从接力器第一次向开启方向移动起,到机组转速摆动位不超过±0.5%为止,所经历的时间为27s,优于国家标准的相应要求。

f. 突变负荷试验 突增、突减25%额定负荷,非常迅速地稳定在新的工况,完全符合电站实际运行的要求。

(3)小结

ZFST-100型数字阀PCC可编程智能调速器的各项性能指标均优于国家标准《水轮机控制系统技术条件》(GB/T9652.1—2007)。调速器故障率极低,运行人员操作简单,维护工作量很少,大大减轻了劳动强度,并减少了运行人员。该型调速器完全满足电站“无人值班”(少人值守)的要求。

1.5.4 新型与智能型伺服阀

电液伺服阀是电液伺服系统的核心,其性能在很大程度上决定了整个系统的性能。目前广泛应用的电液伺服阀以喷嘴挡板阀居多。与喷嘴挡板阀相比,射流管阀具有抗污染性能好、可靠性高等特点,越来越多的伺服阀生产厂商研制并推出了射流管式电液伺服阀。新型伺服阀主要体现在采用新驱动方式,使用新材料、新原理或新结构,应用数字控制技术,以及智能化等几个方面。

(1)新驱动方式

尽管射流管伺服阀比喷嘴挡板伺服阀在抗污染能力方面要好,但这两种类型的伺服阀存在的突出问题仍然是抗污染能力差,对介质的清洁度要求非常高,这给其使用和维护造成了诸多不便。因此,如何提高电液伺服阀的抗污染能力和提高可靠性,成为伺服阀未来的发展趋势。采用阀芯直接驱动技术省掉了喷嘴挡板或射流管等易污染的元部件,是近年来出现的一种新型驱动方式,如采用直线电机、步进电机、伺服电机、音圈电机等。这些新技术的应用不仅提高了伺服阀的性能,而且为伺服阀发展提供了新思路。

① 阀芯直线运动方式 这种伺服阀采用直线电机、步进电机、伺服电机或音圈电机作为驱动元件,直接驱动伺服阀阀芯。对于电机输出轴,可以通过偏心机构将旋转运动变成直线运动,如图1-111所示,也可通过其他高精度传动机构将旋转运动转换为直线运动。这种驱动方式一般都有位移传感器,可构成位置闭环系统精确定位开口度,保证伺服阀稳定工作。其特点在于结构简单、抗污染能力好、制造装配容易、伺服阀的频带主要由电机频响决定。

图1-111 采用偏心机构的电机驱动伺服阀原理

② 阀芯旋转运动方式 旋转式驱动是指通过主阀芯旋转实现伺服阀节流口大小的控制和机能切换,图1-112为一种旋转阀的油路结构原理,主要由阀套、转轴和驱动元件组成。转轴由步进电机、伺服电机或音圈电机直接驱动,转轴沿圆周方向分别开有4个可与压力油腔相通的油槽和4个可与回油腔相通的油槽。阀套上均匀分布4个进油孔和4个回油孔,油孔的直径略小于转轴上油槽的宽度,使进油和回油互不连通。另一种转阀的形式是阀芯上开有螺旋式结构的油槽,通过电机转动阀芯实现节流口大小的调节。

图1-112 旋转阀的油路结构

由于伺服电机响应频率快,因此可以带动阀芯进行快速旋转,实现工作油口的快速切换和节流口的快速调节,从而保证了伺服阀的频带。

(2)新材料

由于一些新材料表现出较好的运动特性,许多研究机构尝试将它们应用于电液伺服阀的先导级驱动中,以代替原有的力矩马达驱动方式。与传统伺服阀相比,采用新型材料的伺服阀具有抗污染能力强、结构紧凑等优点。虽然目前还有一些关键技术问题没有得到解决(如滞环大、重复性差等),但新材料的应用和发展给电液伺服阀的技术发展注入了新的活力。

① 压电晶体材料 压电晶体材料在一定的电压作用下会产生外形尺寸变化,在一定范围内形变与电场强度成正比。压电晶体驱动的原理是将阀芯分别与两块压电晶体执行机构相连,通过两侧施加不同的驱动电压,可使阀芯产生移动,从而实现节流口控制。但是,压电晶体的滞环非常明显,导致阀芯与控制信号之间的非线性比较严重,给高精度控制带来一定的难度。

② 超磁致伸缩材料 超磁致伸缩材料在磁场的作用下能产生较大的尺寸变化,因此可利用这种材料直接驱动伺服阀阀芯。其原理是将磁致伸缩材料与阀芯直接相连,通过控制电流大小驱动材料的伸缩量,以带动阀芯运动。由于超磁致伸缩材料具有较高的动态响应特性,使这种伺服阀较传统伺服阀具有更高的频率响应。

③ 形状记忆合金材料 形状记忆合金的特点是具有形状记忆效应,将其在高温下定型后,冷却到低温状态并对其施加外力时,一般金属在超过其弹性变形后会发生永久塑性变形,而形状记忆合金却在加热到某一温度以上时,会恢复其原来高温下的形状。通过在阀芯上连接一组由形状记忆合金绕制的执行器,对其进行加热或冷却,就可使执行器的位移发生变化,从而驱动阀芯运动。形状记忆合金的位移比较大,但其响应速度慢,且变形不连续,因此不适合于高精度的应用场合。

(3)新原理和新结构

传统的伺服阀存在节流损失大、抗污染能力差等缺陷,为此,一些新原理或新结构的伺服阀被提出并得到应用。前面提到的旋转阀便是一种新结构的伺服阀,其他还包括以下几种。

① 高速开关阀 高速开关阀的原理如图1-113所示,这种伺服阀具有较强的抗污染能力和较高的效率。其工作原理是根据一系列脉冲电信号控制高频电磁开关阀的通断,通过改变通断时间即可实现阀输出流量的调节。由于阀芯始终处于开、关高频运动状态,而不是传统的连续控制,因此这种阀具有抗污染能力强、能量损失小等特点。高速开关阀的研究主要体现在三个方面:一是电-机械转换器结构创新;二是阀芯和阀体新结构研制;三是新材料应用。国外研究高速开关阀有代表性的厂商和产品有:美国Sturman Industries公司设计的磁门阀、日本Nachi公司设计生产的高速开关阀、美国CAT公司开发的锥阀式高速开关阀等。国内主要有浙江大学研制的耐高压高速开关阀等。由于高速开关阀流量分辨率不够高,因此主要应用于对控制精度要求不高的场合。

图1-113 高速开关式电-机械转换器

② 压力伺服阀 常规的电液伺服阀一般为流量型伺服阀,其控制信号与流量成比例关系。在一些力控制系统中,采用压力伺服阀较为理想。压力伺服阀其控制信号与输出压力成比例关系。图1-114为压力伺服阀的结构原理,通过将两个负载口的压力反馈到衔铁组件上,与控制信号达到力平衡,实现压力控制。由于压力伺服阀对加工工艺要求较高,目前国内还没有相关成熟产品。

图1-114 压力伺服阀

③ 多余度伺服阀 鉴于伺服阀容易出现故障,影响系统的可靠性,在一些要求高可靠性的场合(如航空航天),一般采用多余度伺服阀。大多数多余度伺服阀是在常规伺服阀的基础上进行结构改进并增加冗余,比如针对喷嘴挡板阀故障率较高的问题,将伺服阀力矩马达、反馈元件、滑阀副做成多套,发生故障随时切换,保证伺服阀正常工作。图1-115为一种双喷嘴挡板式余度伺服阀,通过一个电磁线圈带动两个喷嘴挡板转动,当其中一个喷嘴挡板卡滞后,另一个可以继续工作。

图1-115 双喷嘴挡板式余度伺服阀

④ 动圈式全电反馈大功率伺服阀(MK阀) 动圈式全电反馈伺服阀(MK阀)可以分为直动式和两级先导式两种,其中两级阀中的先导级直接采用直动阀结构,功率级为滑阀结构。图1-116为动圈式全电反馈的直动式伺服阀结构原理,当线圈通电后(电流从几安培到十几安培),在电磁场作用下动圈产生位移,从而推动阀芯运动,通过位移传感器精确测量阀芯位移构成阀芯的位置闭环控制。

图1-116 MK两级阀中的先导级结构原理

⑤ 非对称伺服阀 传统电液伺服阀阀芯是对称的,两个负载口的流量增益基本相同,但是用其控制非对称缸时,会使系统开环增益突变,从而影响系统的控制性能。为此,通过特殊阀芯结构设计研制的非对称电液伺服阀,可有效改善对非对称缸的控制性能。

(4)伺服阀的智能化发展趋势

随着数字控制及总线通信技术的发展,电液伺服阀朝着智能化方向发展,具体表现在以下几个方面。

① 伺服阀内集成数字驱动控制器 对于直驱式伺服阀或三级伺服阀,由于需要对主阀芯位移进行闭环控制以提高伺服阀的控制精度,因此在伺服阀内直接集成了驱动控制器,用户无需关心阀芯控制,只需要把重点放在液压系统整体性能方面。另外,在一些电液伺服阀内还集成了阀控系统的数字控制器,这种控制器具有较强的通用性,可采集伺服阀控制腔压力、阀芯位移或执行机构位移等,通过控制算法实现位置、力闭环控制,而且控制器参数还可根据实际情况进行修改。

② 具有故障检测功能 伺服阀属于机、电、液高度集成的综合性精密部件,液压伺服系统的故障大部分集中在伺服阀上。因此,实时检测与诊断伺服阀故障,对于提高系统维修效率非常重要。目前可通过数字技术对伺服阀的故障(如线圈短路或断路、喷嘴堵塞、阀芯卡滞、力反馈杆折断等)进行监测。

③ 采用通信技术 传统的伺服阀控制指令均以模拟信号形式进行传输,对于干扰比较严重的场合,常会造成控制精度不高的问题。通过引入数字通信技术,上位机的控制指令可以通过数字通信形式发送给电液伺服阀的数字控制器,避免了模拟信号传输过程中的噪声干扰。目前,常见的通信方式包括CAN总线、PROFIBUS现场总线等。 OExXXFanbbB9jyfzau7vVnxrs/8Y7Lk3OQjbs3h+zntq4/SQKOFVgUNF70pcJRUu

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