胡知斌，黄宗锐，张红升

（中交疏浚技术装备国家工程研究中心有限公司，上海 201208）

多功能疏浚实验台车控制技术的设计与实现

胡知斌，黄宗锐*，张红升

（中交疏浚技术装备国家工程研究中心有限公司，上海 201208）

在现代疏浚设备及施工工艺的研究中，大型疏浚施工实验平台发挥了重要作用。文中设计的多功能疏浚实验台车可以搭载耙吸平台和绞吸平台，分别模拟耙吸挖泥船和绞吸挖泥船在多种工况下的施工过程。台车系统具有牵引力大、稳速精度高、起制动功能强、过载能力强等特点。台车采用直流自驱和绞车牵引两种驱动形态。台车的控制也分为直流自驱和绞车牵引两套控制系统，两套控制系统的控制理念一致，均以PLC为核心，采用变频器调节电机转速，从而实现对台车速度的控制，同时通过编码器对台车速度和位置进行实时监测，实现闭环控制。在完成系统电气设计的基础上，通过对PLC的编程完成台车运行中各项设计指标的实现。

疏浚实验台车；变频器；直接转矩控制；可编程序控制器（PLC）；自动控制

0 引言

随着现代航运业的发展，港口和船舶向大型化、深水化发展，使得当前的疏浚工程量逐年上升，对疏浚工程的施工效率也要求越来越高。中国的疏浚业由于技术水平不高，导致在国际市场上竞争力较为薄弱[1]。建立起围绕国家重大工程建设和行业发展需求的疏浚共性技术和关键装备的研究、试验和工程化平台，对我国疏浚技术和设备的研究和发展具有重要意义。为此，发改委和交通运输部联合批复，在中交疏浚技术装备国家工程研究中心有限公司古翠路基地投资建设了“疏浚技术装备国家工程研究中心创新能力建设项目”。疏浚实验台车是该项目的重要组成部分，可以搭载耙吸平台和绞吸平台，分别模拟耙吸挖泥船和绞吸挖泥船在多种工况下的施工过程。台车的牵引力、速度、稳速精度、起制动距离、负载能力等各项指标均有较高要求，各项指标的同时实现突破了国内现有台车技术。为此，本文分别对台车的驱动装置、行走安全系统、数据采集与监测系统、自动控制系统等进行了设计与实现。

1 台车系统设计指标和驱动系统

目前主流的耙吸挖泥船的航速一般为2～6 kn（1 kn=0.5 m/s），因此台车的最大稳定试验速度设计为3 m/s。台车的起动和制动最大加速度设计为0.5 m/s2，所以台车起动和制动的距离都为9 m。台车的其他设计参数如下：轴距10.9 m；试验时最大水平牵引力140 kN；稳速精度1%。综合场地限制及功能需求，设计台车由车架、驱动行走机构、水平导轮机构、测速轮、制动系统、控制系统组成。实物如图1所示。

图1 台车现场实物图Fig.1 Site picture of the trolley

台车的驱动分为直流自驱和绞车牵引两种形态，通过电磁离合器进行切换。电磁离合器吸合后，台车由直流电机驱动。直流电机驱动具有调速范围广、稳速精度高、起制动功能强、过载能力强、可弱磁调速等特点。但其牵引力不是无限增加的，它受轮轨间黏着系数的限制，经计算选用4台27 kW的直流电机进行驱动，最大提供20 kN水平牵引力。电磁离合器脱开后，台车由绞车牵引驱动。采用2台100 kN摩擦式绞车牵引，封闭绕绳，选用2台355 kW的交流电机进行驱动，可以达到140 kN的牵引力要求。

综上所述，本项目中台车驱动系统是直流驱动加绞车牵引的组合系统，两套系统相互独立，通过电磁离合器进行切换。台车直流自驱系统由于其加速快、速度高、稳速精度高的特点，适合大多数负载不大的耙吸挖泥模拟实验；若做原型耙齿实验或挖掘介质较硬的工况下，绞车牵引系统驱动由于其牵引力较大则比较适合。

2 台车控制系统设计

台车驱动装置包含直流自驱系统和绞车牵引系统，因此控制系统也分为直流自驱控制和绞车牵引控制两套系统，分别由两套PLC实现。两套系统的控制原理类似：主站CPU作为系统的控制中心，与其它设备通过Profibus-DP进行通信。控制中心接收各设备的状态和参数信息，并通过以太网实时显示在工控机界面上。控制系统经过决策和运算，得出控制指令，再经由控制中心通过Profibus-DP下达至各个设备。系统的控制结构原理如图2所示。

图2 绞车牵引控制系统原理图Fig.2 Schematic diagram of the winch traction control system

2.1 直流自驱控制系统

直流自驱控制系统的控制位置在台车上，其实质是由西门子S7-300PLC控制ABB直流调速器（DCS-800）驱动4台直流电机带动台车行走。4台直流电机采用并联结构，4台电机的转速同步通过励磁电流来调节。

2.2 绞车牵引控制系统

绞车牵引控制系统的控制位置在控制房，其实质是由西门子S7-300PLC控制2台ABB变频器（ACS-880）分别驱动2台355 kW交流电机带动绞车来驱动台车行走。目前，采用变频器进行交流调速主要有U/f控制、矢量控制和直接转矩控制三种[2]。其中U/f控制是最基本的控制方式，但是其在低速运行时转差和电流大，动态性能较差。直接转矩控制是高性能的变频控制模式，其通过对定子磁链幅值的控制来有效控制磁通，对定子磁链旋转速度的控制来控制转速差，从而实现对电磁转矩的控制[3]。直接转矩控制的动态特性好，故本项目选用了采取直接转矩控制技术的ABB变频器。这里2台电机的转速同步问题采用变频器的主从控制来解决，即1号变频器为主，控制指令只发送给1号变频器，2号变频器跟随1号变频器。

3 台车控制PLC程序设计与实现

从运动学角度看，台车控制系统的实质就是对台车速度的控制。直流自驱系统和绞车牵引系统的控制理念都是通过变频器调节电动机的转速来实现台车的速度控制。因此PLC程序的核心内容是读取速度反馈、读取变频器反馈信息并进行运算，对运算结果进行决策后给变频器发送运行指令和速度给定。要实现台车的自动控制，PID算法是最常用的速度控制方法，本项目采取调用S7-300中的PID模块FB41来实现。

3.1 台车速度自动控制

本文研究的台车速度自动控制系统的结构框图如图3所示，图中Ns为速度给定；Nf为速度反馈；其差值e给速度控制器来运算，运算结果给定到变频器，由变频器调节电机转速，形成闭环控制系统。

3.2 PLC软件设计

图3 速度自动控制系统的结构框图Fig.3 Block diagram of the speed automatic control system

STEP7编程软件采用的是块式结构编程，OB块中的OB1是系统操作程序与应用程序在各种条件下的接口界面，用于控制程序的运行，是必不可少的[4]。本系统PLC程序部分用到了主程序循环（OB1）、状态检测子程序（FB1）变频器控制子程序（FB2）、PID算法（FB41）、速度检测子程序（FB3）、变频器通讯子程序（FC20）、安全限位检测子程序（FC50）。主程序流程如图4所示。

图4 控制系统程序流程图Fig.4 Flow chart of the control system program

其中状态检测子程序（FB1）主要用以检测台车的各种状态并判断台车是否能够启动；变频器控制子程序（FB2）用于变频器的启停以及速度给定等控制；PID算法（FB41）用于台车速度的自动控制，其采用的是位置式PID算法[5]。位置式PID算法是数字PID的一种，不仅继承了模拟PID的优点，还将计算机控制与逻辑计算结合起来，并且由于软件系统的灵活性，使得算法更加完善；速度检测子程序（FB3）用于采集编码器的数据并转换为台车的速度反馈给PID算法控制器；变频器通讯子程序（FC20）将控制指令发送给变频器并接收变频器反馈的电机状态；安全限位检测子程序（FC50）用来检测台车两端的安全限位，以保证台车的行驶安全。

4 调试和结果

PID控制参数的整定比较困难，是整个控制系统的关键，一般有试凑法、经验法、扩充临界比例度法[6]。本项目中对PID参数的整定采取经验法调试确定，用凑试法需经过多次反复的实验，为提高效率，在借鉴他人经验的基础上，按照本项目的指标要求，经过几次先期实验得到些基准参数，在基准参数的基础上再经过实验确定更优化的参数。本项目中轨道长度100 m，两端各留20 m安全距离，稳速段长度为60 m。在上述轨道上分别对绞车牵引系统和直流自驱系统在0～3 m/s速度区间段进行了反复试验，其中直流自驱系统在1.5 m/s速度下的控制效果曲线如图5所示。

图5 直流自驱系统在1.5 m/s速度下的控制曲线Fig.5 The control curve of the DC self-drive system at 1.5 m/s speed

在图5中，横坐标为时间，纵坐标为控制系统对变频器的速度给定，0～20 000对应速度0～3 m/s。从图中可以看出，直流自驱系统控制下台车加速到1.5 m/s的时间为3.2 s，稳速时间40 s，制动时间也为3.2 s，通过编码器测得的加速距离和制动距离均为4.8 m；在实验中得到的数据显示，直流自驱系统控制下台车加速到3 m/s的时间为5.6 s，稳速时间20 s，制动时间也为5.6 s，通过编码器测得的加速距离和制动距离均为8.6 m。从各项指标看均能达到设计要求。

5 结语

本文通过疏浚技术装备国家工程研究中心创新能力建设项目，主要针对疏浚施工实验平台中的关键设备——多功能疏浚实验台车的自动控制进行了设计与实现。从调试结果看，起制动能力、稳速精度等各项指标都能很好地满足设计要求。今后对PID的参数还可进一步优化，以满足不同的控制需求，适应更多工况下的实验要求。

[1]刘志，周洪，程锦萍.中国疏浚业现状与发展分析[J].水利经济，2004，22（3）：7-9. LIU Zhi,ZHOU Hong，CHENG Jin-ping.Current situation and future development about dredging in China[J].Journal of Economics of Water Resources,2004,22(3):7-9.

[2]王树.变频器调速系统设计与应用[M].北京：机械工业出版社，2005. WANG Shu.Design and application of converter speed regulating system[M].Beijing:China Machine Press,2005.

[3]巫庆辉，邵诚，徐占国.直接转矩控制技术的研究现状与发展趋势[J].信息与控制，2005，34（4）：444-450. WU Qing-hui,Shao Cheng,XU Zhan-guo.Survey of research status quo and development about direct torque control[J].Information and Control,2005,34(4):444-450.

[4]崔坚，赵昕，任术才.西门子S7可编程序控制器：STEP7编程指南[M].北京：机械工业出版社，2010. CUI Jian,ZHAO Xin,REN Shu-cai.Siemens S7 programmable controller:STEP7 programming guide[M].Beijing:China Machine Press,2010.

[5]王晓明.电动机的单片机控制[M].北京：北京航空航天大学出版社，2011. WANG Xiao-ming.The control of motor with single chip microcomputer[M].Beijing:Beihang University Press,2011.

[6]葛胜升.基于PLC恒压供水系统中PID控制参数调试及整定方法[J].西安文理学院学报：自然科学版，2013，16（4）：112-113. GE Sheng-sheng.The parameter debugging and setting method of PID controller in the water supply system of constant pressure based on PLC[J].Journal of Xi′an University of Arts and Science: Natural Science Edition,2013,16(4):112-113.

Design and Realization of multifunctional dredging experimental trolley control technology

HU Zhi-bin,HUANG Zong-rui*,ZHANG Hong-sheng
（CCCC National Engineering Research Center of Dredging Technology and Equipment Co.,Ltd.,Shanghai 201208,China）

In modern research of dredging equipment and construction dredging construction,the large-scale dredging experimental platform plays an important role.Multifunctional dredging experimental trolley of this study can be equipped with trailing suction and cutter suction platform,simulate trailing suction hopper dredger and cutter suction dredger construction process in a variety of conditions.The trolley system has large traction,high precision of steady speed,strong starting and braking function,strong overload capacity and other characteristics.The driven form of the trolley is two kinds:DC Drives and Rope tow.Therefore,the trolley control system is two also,the two control systems have the same control concept,and both take PLC as the core.Motor speed is adjusted by converter.At the same time the position and speed of trolley are being monitored by the encoder.Therefore,it is a closed-loop control system.Upon completion of the design of the electrical system,the implementation of the design specifications of the trolley are achieved by programming the PLC.

dredging experimental trolley;converter;direct torque control;Programmable Logic Controller(PLC);automatic control

U616.1

A

2095-7874（2017）01-0042-04

10.7640/zggwjs201701009

2016-08-10

2016-10-25

胡知斌（1984— ），男，湖北英山人，硕士，工程师，信号与信息处理专业。

*通讯作者：黄宗锐，E-mail：huangzhongrui@CCCC-drc.com