基于PLC全功率匹配技术在平板车电气控制策略中的实现

【摘 要】 在平板车的电气控制策略中，功率匹配技术的应用是非常重要的一个环节，尤其是针对液压闭式泵系统和开式泵系统共同作用过程中的全功率匹配的控制策略更为重要。全功率匹配技术的控制策略有效的将发动机的输出功率实时的分配到闭式泵和开式泵的工作系统当中，在保证了平板车作业过程中安全性、稳定性和有效性的同时，还既避免了由于过载造成发动机处于不利的工作状态，又将发动机的输出功率进行了合理的利用和分配。

【关键词】 电气控制 PLC 功率匹配 平板车

动力平板运输车（以下简称平板车）是运输重型、大型、不可拆分的设备及整体构件的重要专用运输工具，在船舶、桥梁、机械、冶金以及石油化工等各个领域的大型工程建设中发挥着不可替代的作用[1]。而基于PLC控制器的电气控制系统是平板车组织结构中的重要组成部分，其中电气控制方案的优劣可以说关乎整个车辆的运行状况，进而关系到客户对平板车产品的认可程度，所以合理的电气控制策略是平板车研发制造技术中的关键技术之一[2]。本文仅针对平板车电气系统中全功率匹配技术的控制策略的应用和实现进行研究分析。

1 平板车电气控制对象分析

平板车从整体组织结构来讲可分为机械构架、液压控制和电气控制等三个大部分，其中液压控制系统中配置的各种电控部件是电气控制的对象，在制定最佳的控制策略之前，必须充分了解和分析控制对象的各种性能要求。

全功率匹配技术的实现所涉及到的控制对象主要包括发动机、闭式泵和开式泵和等，对于发动机的控制仅局限于转速的控制，而相应的电气控制策略主要是针对用于直接消耗发动机输出功率的液压闭式泵和开式泵制定的。

所以本文提及到的全功率匹配就是发动机输出功率与液压闭式泵和开式泵吸收功率之间的匹配关系，是对三者同时工作过程中协调控制策略的进一步研究。

2 基于PLC的电气控制系统介绍

2.1 电气控制硬件组成

采用德国Inter Control公司提供的工业车载PLC控制器，主要涉及DCF 系列的控制模块，该控制模块是一种集可编程逻辑控制器、比例放大器、模拟量输入A/D模块、继电器输出等功能于一身的高性能控制器，丰富的输入输出口：DI开关量输入、IAV电压（0～10V）输入、IAI电流（4～20mA）输入、IC脉冲输入、DO开关量输出和PWM脉宽调制输出等，并且配置了有两个CAN总线接口，所以用户可以根据电气控制的要求方便自由的配置输入输出口以满足系统的控制要求。

电气控制系统采用现场总线CAN-BUS通讯协议基于PLC控制器来实现，硬件主要包括2个DCF控制模块、发动机RPM控制踏板、RPM传感器、RPM执行机构、闭式泵控制比例阀和开式泵控制相关比例阀等，其中DCF控制模块之间通过CAN-BUS进行数据通讯。上述电气控制部件的结构框图，如图1所示。

2.2 控制软件介绍

控制软件是以IEC61131-3国际标准为基础的，标准中规定了5种编程语言，包括IL指令表、ST结构化文本、LD梯形图、FBD功能块图和SFC顺序功能图等。在一个包含多个子程序的文件中，不同的子程序允许用不同的编程语言编写程序代码。标准规定了一般的软件模型，包括程序、任务、功能块、资源和配置等几个部分，而根据不同的通讯要求，标准又规定了内部通讯、局变量通讯、外部变量通讯和使用存取路径通讯等四种通讯模型[3，4]。

采用的PROSYD程序设计软件是由德国3S公司为Inter Control公司开放的适合于DCF系列PLC控制器的专门的CoDeSys程序设计软件。3S公司的CoDeSys软件遵循IEC 61131-3国际标准，可以把逻辑和顺序控制、运动控制、过程控制和传动控制等的编程纳入一个体系中，同时还将SCADA和人机界面软件的设计功能、程序的调试和仿真功能也包容进来。

3 全功率匹配技术的实现

3.1 开式变量系统的控制策略

一般情况下，开式变量系统中配置的变量泵均为负载敏感控制泵，变量泵的排量由负载决定，直接受控于从控制阀反馈回来的LS压力。在此，为了进一步确定该变量泵在其工作过程中消耗的发动机功率P1，在变量泵的高压油口安装了一个压力传感器，用于实时监测开式变量系统的工作压力Δp1。对于变量泵当前供油量的计算，可根据该系统自身的特点，在一定范围内，各个动作控制阀的流量总和即为当前变量泵的供油量Q1。所以，PLC电气控制参数将控制各个控制阀的最大流通量总和不大于变量泵自身的最大供油量，进而保证计算过程中变量泵供油量Q1的有效性。

假设，该变量泵的总效率是η1，计算过程中涉及到的常数量用C1表示，所以可得开式变量系统消耗的发动机功率的计算公式，如式1所示：

式1

由式1可知，只要通过PLC控制器根据当前工作压力Δp1的变化实时调整控制阀的流量总和Q1，就可以将该变量泵消耗的发动机功率P1控制在可允许的范围之内。

3.2 闭式变量系统的控制策略

本文涉及到的闭式变量泵的排量是由电比例阀控制的，电比例输入信号与泵的排量的输出呈线性关系，所以可根据当前PLC控制器提供的电信号很容易的类推出当前该变量泵的输出排量Vq，而闭式系统的工作压力Δp2也同样是靠安装在管路上的压力传感器进行监测得到。

由于该变量泵与发动机之间靠刚性的联轴器连接，所以变量泵与发动机之间的速比可近似为1，则变量泵当前的转速n2等于发动机当前的转速，而发动机的转速可根据RPM转速传感器很容易的被PLC采集到。

假设，该变量泵的总效率是η2，计算过程中涉及到的常数量用C2表示，所以可得开式变量系统消耗的发动机功率P2的计算公式，如式2所示：

式2

由式2可知，当负载变化，即闭式泵的工作压力Δp2发生变化时，实时调整闭式泵的排量Vq，可使闭式泵消耗的发动机的功率P2稳定在一定范围之内。

3.3 全局功率匹配的协同控制

发动机自身提供的功率P0可按照外特性曲线通过线性插值的算法由PLC控制程序很容易采集到，不考虑平板车的其他辅助功率消耗，结合上述对开式变量系统和闭式变量系统的分析，可得公式3：

式3

根据式3分析可知，一般工况下，要保证发动机处于不超输出功率的状态，只要保证所有负载消耗的功率P1和P2的总和不大于发动机输出的功率P0即可。

由式1和式2分析可知，如果各自分配的功率一定，则系统的工作压力与泵的供油量在一定范围内呈双曲线关系。也就是说，当工作压力很大时，泵的供油量会很小，此时平板车的某些动作可能会由于泵的供油量不足而停止，各种动作之间的协调性将会随之消失，所以在平板车的实际工况中，为了避免该工作状态发生，保证平板车各种动作能够有序进行，会通过PLC控制程序分别为两种工作泵设置功率消耗优先级，重新分配各个系统对发动机功率消耗的占比关系，达到全功率匹配过程中各种动作之间协同控制的目的。

本设计中开式变量泵功率消耗的优先级要高于闭式变量泵。

4 结语

本文研究了发动机、液压闭式泵和开式泵等三者之间的全功率匹配关系，进行了基于PLC控制器的相应控制策略的分析，并在平板车电气控制系统中进行了应用实现，实践证明效果显著。该控制策略在保证平板车电气控制系统运行的安全性和稳定性的基础之上，又提高了发动机输出功率被液压泵利用的有效性，以及确保发动机在运行过程中不会出现由于过载而导致损坏的现象。

参考文献：

[1]王洋.KAMAG400t改制90t平板车设计[D].大连：大连理工大学硕士学位论文，2007：1-16.

[2]汪星刚.重型工程运输车行走驱动控制系统的研究与实现[D].武汉：武汉理工大学硕士学位论文，2005：26-31.

[3]林小峰，宋春宁等.基于IEC61131-3标准的控制系统及应用[M].北京：电子工业出版社，2007：1-114.

[4]张敏建，裘友禧.应用IEC61131-3实现PLC编程模块化[J].信息技术与标准化，2008，（9）：48-53.

[5]漆汉宏.PLC电气控制技术[M].北京：机械工业出版社，2010：100-138.