大型養路機械泵驅動(dòng)齒輪箱脫掛PLC控制方案研究

2013-11-11 岳峰 昆明中鐵集團公司研究院第一所

　　文章通過(guò)對搗固系列泵驅動(dòng)齒輪箱的脫掛分析，采用PLC 控制解決方案，對泵驅動(dòng)齒輪箱的脫掛過(guò)程進(jìn)行程序控制設計。引用狀態(tài)機程序設計理論，將其控制過(guò)程進(jìn)行狀態(tài)劃分、狀態(tài)編碼。分析各狀態(tài)之間相互轉移條件，采用各狀態(tài)時(shí)的時(shí)間控制解決方案，對泵動(dòng)齒輪箱在各狀態(tài)時(shí)脫掛電磁閥控制分析。

　　隨著(zhù)大型養路機械的發(fā)展，各種新型的，更加復雜的養路機械引進(jìn)和國產(chǎn)化。整車(chē)控制機構的不斷增加，要求的液壓泵越來(lái)越多，隨之體積也越來(lái)越大，因此先前采用的液力變矩器(ZF)上安裝液壓泵的方式已經(jīng)不再采用。相反在齒輪箱上集中安裝泵的方式也越來(lái)越受動(dòng)力傳動(dòng)設計師的歡迎。然而隨著(zhù)控制機構的復雜化、液壓泵也隨之增多，泵驅動(dòng)齒輪箱體積也隨之增大。為了減少修理的機率，延長(cháng)齒輪箱壽命。而其中齒輪箱脫掛齒端面的損傷、損壞是導致主齒輪箱重復修理的重要原因。保護齒輪端面不受損壞成了文章研究的主題。因此文章提出了泵驅動(dòng)齒輪箱脫掛PLC 控制解決方案。

1、泵驅動(dòng)齒輪箱脫掛原理分析

　　1.1、機械脫掛原理分析

　　現在的大型養路機械中，泵驅動(dòng)齒輪箱動(dòng)力傳遞及脫掛機械控制如圖1 所示其中動(dòng)力傳動(dòng)主要有兩路組成：一路為發(fā)動(dòng)機→A→液力變矩器。另一路為發(fā)動(dòng)機→A→C→B→液壓泵。圖中C 為內齒輪，在撥叉D 的控制下可左右橫向移動(dòng)。撥叉D 控制氣缸受風(fēng)控電磁閥控制，電磁閥D_RPN1s133a 得電, D_RPN1s133b 失電時(shí)，內齒輪C 在撥叉D帶動(dòng)下向右移動(dòng)進(jìn)行掛檔。掛到位時(shí)接近開(kāi)關(guān)X182 產(chǎn)生。電磁閥D_RPN1s133a 失電,D_RPN1s133b 得電時(shí)，內齒輪C 在撥叉D 帶動(dòng)下向左移動(dòng)進(jìn)行脫檔。脫檔到位時(shí)接近開(kāi)關(guān)X183 產(chǎn)生。

泵驅動(dòng)齒輪箱動(dòng)力傳遞及脫掛機械控制簡(jiǎn)圖

圖1 泵驅動(dòng)齒輪箱動(dòng)力傳遞及脫掛機械控制簡(jiǎn)圖

　　1.2、泵驅動(dòng)齒輪箱脫掛I/O 分配

　　為了清晰闡述PLC 控制下的泵驅動(dòng)齒輪箱脫掛控制， 將齒輪箱脫掛控制所需用到的變量進(jìn)行名稱(chēng)定義、地址分配、數據類(lèi)型定義。見(jiàn)下表1：

表1 泵驅動(dòng)齒輪箱脫掛變量表

泵驅動(dòng)齒輪箱脫掛變量表

泵驅動(dòng)齒輪箱脫掛變量表

　　1.3、泵驅動(dòng)齒輪箱脫掛PLC 硬件設計

　　根據I/O 的統計表，整個(gè)脫掛系統共有10 個(gè)輸入點(diǎn)，5 個(gè)輸出點(diǎn)。經(jīng)過(guò)多種選型方案比較， 決定選用西門(mén)子S7-300PLC 緊湊型CPU 作為控制單元，型號：CPU313-2DP，訂貨號：6ES7 313-6CF03-0AB0 完全可以滿(mǎn)足該系統控制要求和以后系統軟硬件升級的要求，硬件配置及控制系統如下圖2。

硬件配置及控制系統

圖2 硬件配置及控制系統

2、泵驅動(dòng)齒輪箱脫掛控制理論

　　當泵驅動(dòng)齒輪箱掛檔條件滿(mǎn)足時(shí)， 將齒輪箱脫/掛開(kāi)關(guān)旋到掛檔位。齒輪箱掛檔電磁閥得電開(kāi)始掛檔，定時(shí)器T41 開(kāi)始定時(shí)。T41 時(shí)間到，如果掛上，齒輪箱掛檔電磁閥保持得電，直到掛檔條件不滿(mǎn)足或選擇了脫檔。如果T41 時(shí)間到仍未掛上，齒輪箱掛檔電磁閥失電，脫檔電磁閥得電。脫檔到位后定時(shí)器T42，T43(T43>T42)開(kāi)始定時(shí)，同時(shí)產(chǎn)生發(fā)動(dòng)機點(diǎn)動(dòng)控制信號Q0.2，使發(fā)動(dòng)機曲軸短暫運轉。T42 時(shí)間到，復位發(fā)動(dòng)機點(diǎn)動(dòng)控制信號Q0.2，發(fā)動(dòng)機曲軸停止轉動(dòng)。T43 定時(shí)時(shí)間到，掛檔電磁閥又重新得電，再次掛檔。未掛上檔時(shí)，重復上述動(dòng)作。即：未掛上檔→脫開(kāi)掛檔→復位發(fā)動(dòng)機點(diǎn)動(dòng)控制信號→再次掛檔，設置為3 次循環(huán)后還未掛上時(shí)，停止掛檔動(dòng)作，并輸出掛檔失敗指示M90.3。

3、泵驅動(dòng)齒輪箱脫掛程序控制設計

　　3.1、脫掛狀態(tài)定義及編碼

　　根據齒輪箱掛檔過(guò)程，將其按狀態(tài)劃分，可分為初始態(tài)、掛檔態(tài)及脫檔態(tài)，狀態(tài)編碼如下表2 所示。主齒輪泵脫掛狀態(tài)編碼

表2 泵驅動(dòng)齒輪箱脫掛狀態(tài)編碼表

泵驅動(dòng)齒輪箱脫掛狀態(tài)編碼表

　　為說(shuō)明表達式的關(guān)系，文章所用到的符號“*”定義為邏輯與，符號“+”定義為邏輯或，符號“-”定義為邏輯非.由上表可得出各個(gè)狀態(tài)表達式：

　　G1A=(-M_gear1)* (-M_gear2) G1B=(-M_gear1)*M_gear2 G1C=M_gear1*(-M_gear2)

　　3.2、脫掛狀態(tài)轉移條件分析

　　根據齒輪箱掛檔理論，狀態(tài)劃分。分析各狀態(tài)轉移情況，由此得出主齒輪泵掛檔狀態(tài)轉移圖，如下圖3 所示。

驅動(dòng)齒輪箱掛檔狀態(tài)轉移圖

圖3 驅動(dòng)齒輪箱掛檔狀態(tài)轉移圖

　　狀態(tài)轉移條件分析：

　　表達式：G1A_G1B=G1A*Work_Ready*Engine_Stillstand*X185*(-X182)

　　*(X180+Engine_Stillstand(N))

　　G1B_G1A=G1B*((-X182)*(-Work_Ready)+X181*X185+(-X184))

　　G1B_G1C=G1B*Pump_Hitch_Delay*(-X182)

　　G1C_G1B=G1C*Pump_Come_Away_Delay

　　G1C_G1A=G1C*((-Work_Ready)+X180+Pump_Failing)

　　3.3、作業(yè)啟動(dòng)準備信號

　　車(chē)輛禁止時(shí)，關(guān)閉前后司機室機械走行鑰匙開(kāi)關(guān)，打開(kāi)作業(yè)電源開(kāi)關(guān)。即作業(yè)啟動(dòng)準備好。

　　表達式：Work_Ready=X185*X184*(-X188)*(-X189)

　　3.4、發(fā)動(dòng)機靜止程控信號

　　如果在10S 內未收到發(fā)動(dòng)機啟動(dòng)狀態(tài)指示信號X186 和發(fā)動(dòng)機運轉狀態(tài)指示信號X186 時(shí)，復位發(fā)動(dòng)機靜止狀態(tài)監測信號(即：發(fā)動(dòng)機處于靜止狀態(tài))。如果發(fā)動(dòng)機在啟動(dòng)狀態(tài)或運轉狀態(tài)時(shí)，未收到掛檔到位信號，有掛檔開(kāi)關(guān)信號或是收到掛檔到位信號，有了脫檔開(kāi)關(guān)信號，都將發(fā)動(dòng)機靜止狀態(tài)監測信號置位。

　　表達式：Engine_Stillstand=(X180* (-X182)+X181*X182)* (X186+X187)

　　T40=(-X186)*(-X187)

　　Engine_Stillstand(N)=Engine_Stillstand 下降沿

　　3.5、發(fā)動(dòng)機點(diǎn)動(dòng)控制

　　G1C 態(tài)， 收到脫檔到位信號X183 時(shí), 發(fā)動(dòng)機點(diǎn)動(dòng)定時(shí)器和脫檔到位定時(shí)器開(kāi)始定時(shí)。且在未收到掛檔失敗信號和發(fā)動(dòng)機點(diǎn)動(dòng)定時(shí)器定時(shí)未結束時(shí)，輸出發(fā)動(dòng)機點(diǎn)動(dòng)信號。發(fā)動(dòng)機點(diǎn)動(dòng)定時(shí)器定時(shí)時(shí)間到復位發(fā)動(dòng)機點(diǎn)動(dòng)信號，發(fā)動(dòng)機停止轉動(dòng)。為了保證齒輪箱再次掛檔時(shí),確保發(fā)動(dòng)機已停止轉動(dòng),脫檔到位后啟動(dòng)的定時(shí)器定時(shí)時(shí)間要比點(diǎn)動(dòng)定時(shí)器定時(shí)時(shí)間稍長(cháng)，定時(shí)時(shí)間到狀態(tài)轉移。

　　表達式：Engine_Jog =G1C*X183* (-Engine_Jog_Delay)* (-Pump_Failing)

　　Engine_Jog_Delay=G1C*X183

　　Pump_Come_Away_Delay=G1C*X183

　　3.6、泵驅動(dòng)齒輪箱掛檔計數

　　收到掛檔信號，掛檔失敗信號及發(fā)動(dòng)機程控停止任意信號上升沿時(shí)，計數位清零。每收到一次發(fā)動(dòng)機點(diǎn)動(dòng)信號，計數位加1. 計數位的值等于3 時(shí)，輸出主齒輪泵掛檔失敗信號。

　　表達式:(X180+Pump_Failing+Engine_Stillstand(N))上跳沿Pump_Hitch_Degree=0;

　　Engine_Jog 上跳沿Pump_Hitch_Degree=Pump_Hitch_Degree+1M90.3=(Pump_Hitch_Degree=3)

　　3.7、泵驅動(dòng)齒輪箱掛檔閥輸出

　　G1B 態(tài):復位發(fā)動(dòng)機程控停止信號，掛檔閥得電，掛檔定時(shí)器開(kāi)始定時(shí)。G1A 態(tài):無(wú)脫檔開(kāi)關(guān)信號，收到掛檔到位信號時(shí)，掛檔閥得電。掛檔電磁閥得電，收到掛檔到位信號，掛檔成功指示燈亮。

　　表達式：Q0.0=G1B+(G1A*(-X181)*X182)Pump_Hitch_Delay=G1B

　　Q0.3=Q0.0*X182

　　3.8、泵驅動(dòng)齒輪箱脫檔閥輸出

　　G1C 態(tài)：車(chē)輛處于禁止狀態(tài)時(shí)，脫檔閥得電。G1A 態(tài)：車(chē)輛處于禁止狀態(tài)時(shí)，收到脫檔開(kāi)關(guān)信號X181，脫檔閥得電�；蚴窃谖词盏綊鞕n到位信號X182 下， 沒(méi)有脫檔到位信號X183 或作業(yè)啟動(dòng)信號準備好時(shí)，脫檔閥也得電。脫檔電磁閥得電，收到脫檔到位信號X183，脫檔成功指示燈亮。

　　表達式：Q0.1 =X185* (G1A* (X181 +(-X182)* ((-X183) +Work_Ready))+G1C)

　　Q0.3=Q0.1*X183

4、結束語(yǔ)

　　主齒輪泵脫掛是大型養路機械動(dòng)力傳動(dòng)系統中一個(gè)重要組成部分。“合理的、安全的、智能化的”脫掛電氣控制系統及脫掛理論，將大大提高主齒輪箱的壽命。降低主齒輪箱的維修成本，尤其利用PLC 控制方案， 狀態(tài)機編程原理及文章中的主齒輪泵脫掛控制理論更能簡(jiǎn)單、合理、有效地解決主齒輪箱分配泵離合器脫掛轉換問(wèn)題。準確描述問(wèn)題控制過(guò)程有助于狀態(tài)的合理規劃。狀態(tài)劃分、狀態(tài)編碼、狀態(tài)轉移方式的運用更能使PLC 程序設計合理化、規范化。使問(wèn)題變得簡(jiǎn)單化、清晰化。