提高混凝土泵排量控制可靠度的冗余控制策略

邵恩奇

（华菱星马汽车（集团）股份有限公司，安徽马鞍山 243061）

提高混凝土泵排量控制可靠度的冗余控制策略

邵恩奇

（华菱星马汽车（集团）股份有限公司，安徽马鞍山 243061）

混凝土泵排量控制的电气系统一般采用一路控制通道，一旦该控制信号通道出现故障，则泵将停止正常工作。为提高混凝土泵排量控制的可靠度，介绍了一种基于冗余控制原理的四通道电气控制的技术方案。采用四冗余电气控制技术方案后，使泵排量控制的可靠性大为提高。

混凝土泵；排量控制；冗余控制；电气控制

1 控制泵车排量的电气系统简介

混凝土泵排量控制是在正泵、反泵的基础上，通过改变主变量泵上比例电磁阀（DT）的平均电流，从而改变主变量泵的流量，也即改变了泵车的排量。早期的混凝土泵采用一路排量通道控制，一旦出现故障，混凝土泵将停止工作，所以设计了四冗余度排量通道，这样，可以大大提高混凝土泵排量控制的可靠度，下面谈谈泵车排量通道四冗余度控制的硬件、软件以及故障通道诊断、切除的工作原理。

图1 排量四冗余度控制原理图

2 四冗余控制的硬件实现

如图1所示，该系统采用西门子小型可编程逻辑控制器CPU224[1]，L+、1L+、2L+接10 A的保险F，再接电瓶正极，M、1M、2M接电瓶负极，Q0.1为控制排量通道的脉冲宽度调制（PWM）输出端，Q0.6、Q0.7、Q1.0、Q1.1为切除故障排量通道的四个输出端，分别连接到四个继电器K1、K2、K3、K4的四个线圈。SB为排量调节钮子开关，其两触点上端接到F下端，两触点下端分别接到PLC的输入端I0.6、I0.7，I0.6为排量减小输入端，I0.7为排量增加输入端。比例电磁阀（DT）一端接+24 V电源，另一端接I0.3和四个继电器K1、K2、K3、K4的四个常闭触点后，再接四个绝缘栅场效应管的四个漏级（D端），而四个绝缘栅场效应管的四个源级（S端）接地（电瓶负极），四个绝缘栅场效应管的四个栅级（G端）通过四个10kΩ、30kΩ的电阻分压器连接到Q0.1。I0.3为故障通道监测输入端[2]。

3 四冗余控制的主控程序

PLC程序(STL语句)部分段[2-3]如下：

初始化程序Initialize

……

网络3

子程序SetPQ

网络1

子程序PQChRecover

网络1

网络2

网络3

中断程序INT_0

4 泵车排量的四冗余控制策略

（1）调节排量的PWM脉冲信号的输出

在子程序Initialize网络1中对Q0.1进行脉冲宽度调制（PWM）的初始化，设定Q0.1的PWM的输出脉冲的周期为4 000μs（0.004秒），也即Q0.1的PWM的输出脉冲的频率为1/0.004= 250 Hz。在子程序Initialize网络4初始化输出脉冲的最大脉宽为2 500μs，初始化最大相对排量为100（就是第一次开机时泵车的初始排量）。在子程序SetPQ网络3中，给出了当前相对排量（VD738）、最大排量脉宽(VD730)和当前设定排量脉宽(VD734)的关系：当前相对排量*最大排量脉宽/100=当前设定排量脉宽。操作SB钮子开关，可以让I0.6或I0.7置24 V，由子程序SetPQ网络1、网络2可以减小或者增大当前相对排量(VD738)，使其在0～100之间变化，从而改变当前设定排量脉宽(VD734)从0～2 500μs之间变化。这样，从Q0.1输出的脉冲周期为4 000μs，振幅为DC24V，高电平脉宽从0～2 500μs可变的脉冲信号，但此脉冲信号功率太小，不能直接驱动主变量泵上比例电磁阀（DT），必须经过绝缘栅场效应管的功率放大[4-5]。Q0.1输出的脉冲电压如图2所示。

图2 Q0.1电压

（2）Q0.1输出脉冲的功率放大

Q0.1的输出脉冲经过10kΩ、30kΩ的电阻分压后，在场效应管的栅极（G端）产生和Q0.1的输出脉冲频率(250 Hz)相同，但振幅为其四分之一（6 V）的脉冲信号，而场效应管的源级（S端）接地（电瓶负极），所以，场效应管的栅极（G端）和源级（S端）之间的电压UGS为频率250 Hz，振幅为6 V的脉冲电压，如图3所示。当此脉冲为低电平时，场效应管的漏极（D端）和源极（S端）之间的导电沟道夹断，场效应管的漏极（D端）和源极（S端）之间的电流为零；当此脉冲为高电平时，场效应管的漏极（D端）和源极（S端）之间的导电沟道打开，四个场效应管的漏极（D端）和源极（S端）之间的总电流为UDT（DT两端电压）/RDT（DT电阻）=24伏/25欧= 0.96 A=960 MA，所以，流过DT的电流为频率250 Hz，振幅为960 MA的脉冲电流，如图四所示。由上面可知，Q0.1输出的脉冲周期为4000μs，高电平脉宽从0～2 500μs可变的脉冲信号，所以，流过DT的电流脉冲为周期4 000μs，振幅960 MA，高电平脉宽从0～2 500μs可变的脉冲，这样流过DT的平均电流为0/4000×960MA～2500/ 4000×960MA可调[6]，即0～600 MA可调，从而实现了主变量泵的流量从最小到最大的调节。

图3 场效应管栅、源间电压

（3）排量故障通道的诊断与切除

在子程序Initialize网络2中对I0.3输入口对应的高速计数器HSC4进行初始化，定义HSC4为模式0。在子程序Initialize网络3中对时钟中断进行初始化，定义每250 ms调用一次中断程序0（INT0）。当四个场效应管都正常的情况下，输入I0.3的电压也是频率为250 Hz，振幅为24 V的脉冲，所以，此时高速计数器的计数值HC4每秒增加250；当四个排量驱动通道中某一个或多个出现故障（短路）时，I0.3的电压被强制下拉到0 V，执行中断程序0，此时高速计数器的计数值HC4为0，由子程序INT_0(INT0)网络1可知，在当前设定排量脉宽(VD734)＞10 ms，且高速计数器的计数值HC4为0两条件都满足的情况下，启用延时接通定时器T179，延时800 ms后，排量驱动通道故障中间寄存器M14.1置1，同时，在四个通道没有全部故障（M13.7置0），且泵车不处在正泵状态和急停状态，排量驱动通道故障切除中间寄存器M14.0置1。由子程序PQChRecover网络1可知，M14.0置1启用定时器T203，T203的预设值为100。由子程序PQChRecover网络2可知，M14.0置1，且0＜T203当前值＜20时，变量寄存器V106.3、V106.6、V107.1都置1，由子程序PQ⁃ChRecover网络4、网络5、网络6可知，Q0.7、Q1.0、Q1.1同时也置1，即K2、K3、K4三继电器线圈同时得电，K2、K3、K4三个常闭触点同时断开，此时只有通道一处于接通测试状态，在0＜T203当前值＜20的2 000 ms内，如果当前设定排量脉宽(VD734)＞10 ms，且高速计数器的计数值HC4仍为0（即通道一处于故障短路状态），M14.1在置1之后500 ms（M14.1置1启用500 ms延时接通定时器T178）M13.0置1，此时，如果四个通道没有全部故障（M13.7置0），且T203当前值≥80时(M14.0置0)，由子程序PQChRecover网络3，Q0.6置1，K1线圈得电，K1常闭触点断开，处于故障短路状态的通道一被切除。同样道理，当21≤T203当前值＜40、41≤T203当前值＜60、61≤T203当前值＜80这三段时间段时，分别对通道二、通道三、通道四进行测试，如果其中有故障通道，也相应的给予切除。如果四个排量驱动通道全部短路（M13.7置1），且T203当前值≥80时(M14.0置0)，由子程序PQChRecover网络3、网络4、网络5、网络6可知，Q0.6、Q0.7、Q1.0、Q1.1都置0，此时四个排量驱动通道都不切断，通过DT的平均电流为最大电流，泵车以最大排量工作，只是排量不能调节。如果四个场效应管中某个或多个（少于四个）断路，输入I0.3的电压脉冲不变，HC4计数值不变，系统正常工作。

图4 场效应管漏、源间电流

5 结束语

根据华菱星马公司售出的混凝土泵的故障统计结果，排量采用四冗余度排量控制，混凝土泵排量平均无故障时间与采用一路通道控制的混凝土泵相比，排量平均无故障时间延长一倍，大大提高了混凝土泵使用的可靠性。

［1］胡学林.可编程控制器原理及应用［M］.北京：电子工业出版社，2007.

［2］徐德鸿.电力电子技术［M］.北京：科学出版社，2006.

［3］西门子（中国）有限公司.S7-200系统手册［Z］. 2002.

［4］西门子（中国）有限公司.可编程序控制器产品手册［Z］.2006.

［5］翁瑞琪.电子工程师手册［M］.北京：机械工业出版社，2006.

［6］赵明生.电气工程师手册［M］.北京：机械工业出版社，2000.

Redundant Control Strategy of Concrete Pump Pumpage Control Reliability

SHAO En-qi
（Hualing Xingma Automobile（group）Co.，Ltd，Ma'anshan243061，China）

Concrete pump pumpage control of electrical system generally adopts the control channel all the way，when the control signal channel fails， pump will cease to work properly.In order to improve the reliability of concrete pump pumpage control， this paper introduces a kind of based on redundancy control principle of the technical scheme of electric control of four channels.After adopted four redundancy electric control technology solutions，has greatly improved the reliability of the pump pumpage control.

concrete pump；pumpage control；redundancy control；electrical control

TU646

：B

：1009－9492(2014)11－0120－04

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.11.032

邵恩奇，男，1976年生，安徽舒城人，大学本科，工程师。研究领域：工程机械智能化。已发表论文1篇。

(编辑：王智圣)

2014－05－31