基于S7-300的三峡升船机液压实训平台双油缸同步控制系统设计

游 强 王婷婷 韩 伟

（长江三峡通航管理局，湖北宜昌443000）

0 引言

三峡升船机液压设备繁多、种类复杂，许多执行机构采用双油缸或多油缸同步控制驱动方式，如船厢门系统、间隙密封框系统、闸首卧倒门驱动系统、闸首工作大门驱动系统、活动公路桥驱动系统，对控制系统的精度和同步性具有很高的要求。由于现场空间狭小、液压设备繁多、管路复杂和安全等原因，导致：（1）新进员工在三峡升船机液压设备实际操作培训上受限；（2）液压元器件在现场整定、维修受限。基于上述原因，需研制一套三峡升船机液压实训平台，能够模拟三峡升船机典型液压回路，具备同步调速控制，系统溢流阀、压力继电器压力整定，典型回路调试及典型阀件拆装培训等功能。

本文设计了一种基于S7-300的三峡升船机液压实训平台，液压回路元器件参照三峡升船机典型液压回路，采用S7-300 PLC对系统进行数据采集和控制的闭环控制模式，提出了液压实训平台控制策略、偏差补偿与校正技术、参数设置方法，实现了双油缸驱动负载的同步性。实验表明，该系统控制方便，精度高并且同步性好。

1 系统硬件组成

1.1 液压系统组成

三峡升船机液压实训平台液压系统简化原理图如图1所示，液压系统主要由比例变量柱塞泵、变量泵、电磁溢流阀、比例换向阀、同步油缸、施压油缸、蓄能器组成，主要功能如下：

（1）当比例变量柱塞泵工作时，施压油缸加载，蓄能器保压，充当负载，使得同步驱动油缸A和同步驱动油缸B在伸出时带载，可模拟三峡升船机实际运行工况。

（2）当变量泵工作时，可进行压力继电器的压力整定以及压力传感器的校核。

以模拟实际运行工况为例，工作流程如下：

（1）比例变量泵工作，电磁阀电磁铁YV2、YV7得电，施压油缸及蓄能器冲压。

图1 三峡升船机液压实训平台液压系统原理图

（2）YV1、YV4、YV6得电，在施压油缸加载的情况下，同步驱动油缸A、B伸出，比例换向阀YV6的开度根据同步油缸A、B的油缸行程偏差进行变化，达到纠偏的目的。

（3）YV1、YV3、YV5得电，在施压油缸加载的情况下，同步驱动油缸A、B缩回，比例换向阀YV5的开度根据同步油缸A、B的油缸行程偏差进行变化，达到纠偏的目的。

（4）YV8得电，施压油缸泄压。

1.2 电气系统结构

三峡升船机液压实训平台电气系统由一套S7-300控制系统、一块TP1200触摸屏、3块比例放大板（其中2块比例放大板集成在比例换向阀中）、3套油缸绝对值行程编码器、压力传感器及压力继电器等元器件组成，电气控制系统简图如图2所示。

S7-300和TP1200组成DP网络，PLC为主站，TP1200为从站。S7-300 PLC接收外部的信号，包括滤油器的状态，压力传感器及压力继电器送回的压力值及超失压状态，3套绝对值油缸行程编码器采集的两个同步油缸及一个施压油缸的行程值等；同时通过DP网络接收TP1200触摸屏发送过来的指令，包括操作模式切换、油泵电机启停、泵的比例斜盘、电磁阀的得电与失电、压力继电器的整定值、比例换向阀的开度等来实现相应功能。

图2 电气控制系统简图

2 软件界面

如图3、图4所示，人机交互界面具有以下几种功能：

（1）操作模式的切换。分为自动操作模式和手动操作方式。

（2）同步伸出。在自动操作模式下，设置1个正的开度值，然后进行同步油缸伸出动作，控制油缸行程同步偏差不超过2 mm，偏差超过2 mm时，系统会停机保护。停机后在手动操作模式下调整。

（3）同步缩回。在自动操作模式下，设置1个负的开度值，然后进行同步油缸缩回动作，控制油缸行程同步偏差不超过2 mm，偏差超过2 mm时，系统会停机保护。停机后在手动操作模式下调整。

（4）手动调整。在手动模式下，能单独对每个电磁阀进行操作，也能单独控制单个及两个油缸的动作。

（5）整定。能在整定界面对系统溢流阀、压力继电器进行整定。

图3 三峡升船级液压实训平台

图4 整定校核界面

3 系统控制策略

S7-300根据接收到的信号和数据进行判断、调节处理以控制两个同步油缸的同步伸出和缩回。图5为系统控制策略方案简化框图。

图5 系统控制策略方案简化框图

首先给定控制同步油缸运行的比例换向阀的开度初始值N，SA、SB分别为同步油缸A、B的实际反馈行程值，ΔS为两个同步油缸的行程差值。以同步油缸A为基准，通过调节程序来调节控制同步油缸B的比例换向阀的开度，以控制同步油缸B的运行速度，使得同步油缸B跟随同步油缸A运行，形成闭环控制，使两个同步油缸的同步运行误差在2 mm内。

4 偏差补偿与校正

比例换向阀和油缸等机械结构存在制造、安装误差，随着运行时间的累积，会导致两个同步油缸的行程偏差越来越大。本系统采用闭环控制，PLC采集两个油缸的绝对值行程编码器反馈回来的行程值SA、SB，并进行数值运算：

根据行程差ΔS的大小，通过调节程序实时调整参数设置NB的大小进行同步控制。

在同步伸出时NB大小为：

在同步缩回时NB大小为：

式中，NA为YV3、YV4的参数设置；NB为YV5、YV6的参数设置；Δt为偏差系数；S基为反复测试出的一个基准值；13 824为西门子模拟量模块上限值的1/2。

比例换向阀开度与其参数设置值的对应关系如图6所示。

图6 比例换向阀开度与其参数设置值的对应关系图

4.1 油缸同步伸出

在TP1200触摸屏上将操作模式切换至自动操作模式，通过TP1200触摸屏给出同步伸出指令，在伸出参数设置正确的情况下，程序会自动启动电机，控制相应电磁阀得电，同步驱动油缸A、B伸出，在伸出过程中进行实时同步调节，自动同步伸出。此时：

当NB≥27 648时，NB=27 684；

当13 824＜NB＜27 648时，取NB的实时值；

当NB≤13 824时，NB=13 824。

随着NB的实时调节输出，两个同步油缸的行程差ΔS会稳定在误差范围内。

4.2 油缸同步缩回

在TP1200触摸屏上将操作模式切换至自动操作模式，通过TP1200触摸屏给出同步缩回指令，在缩回参数设置正确的情况下，程序会自动启动电机，控制相应电磁阀得电，同步驱动油缸A、B缩回，在缩回过程中进行实时同步调节，自动同步缩回。此时：

当NB≥13 824时，NB=13 824；

当0＜NB＜13 824时，取NB的实时值；

当NB≤0时，NB=0。

随着NB的实时调节输出，两个同步油缸的行程差ΔS会稳定在误差范围内。

5 手动模式参数设置

在TP1200触摸屏上将操作模式切换为手动操作模式，此时需要通过手动方式启动电机，给比例泵相应开度，后使电磁阀得电，系统减压运行，分别给比例换向阀YV3、YV4，YV5、YV6设置相应参数值，两个同步油缸开始运行。

为实现实训平台的压力继电器的整定功能，通过TP1200触摸屏的整定界面，设置每个压力继电器的整定值，然后调节相应的压力继电器，调整到位后，系统发出相应提示，达到培训整定压力继电器的目的。

6 调试和分析

在调试过程中，双油缸同步控制的核心问题是偏差校正，采用上述偏差校正方法，模型较为简单，在PLC编程中容易实现。针对双油缸的行程偏差值不大于2 mm，结合比例换向阀、油缸、支架等机械结构和液压元件的动作规律，选择了同步油缸A作为基准油缸为最佳选择，如选择同步油缸B作为基准油缸则会导致此同步系统不能正常运行，行程偏差波动性太大，过大则偏差调节响应不及时，导致无法实现偏差在预设的2 mm范围内。通过多组数据反复调试测试，最终设定S基为2 mm，此S基作用于同步调节程序中，系统持续稳定，偏差校正良好。

7 结语

三峡升船机液压实训平台能够很好地模拟三峡升船机典型液压回路，采用S7-300对液压系统进行数据采集和控制的闭环控制模式，实现了双油缸同步控制的实时性、精确性，为三峡升船机回路调试及阀件拆装培训提供了平台，能够满足实际需要。