基于PLC的電液比例流量控制系統(tǒng)設(shè)計

李麗霞，毛向陽，邊東巖

(1.天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)，天津300222;2.湖南省濮陽市技工學(xué)校，湖南濮陽 410900）

基于PLC的電液比例流量控制系統(tǒng)設(shè)計

李麗霞1，毛向陽1，邊東巖2

(1.天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)，天津300222;2.湖南省濮陽市技工學(xué)校，湖南濮陽 410900）

為對原有的FESTO電液比例控制系統(tǒng)做進(jìn)一步開發(fā)，分析電液比例控制系統(tǒng)的控制原理及特點，采用可編程控制器PLC作為電控制單元改進(jìn)原有的額定值信號源和繼電器控制。仿真結(jié)果表明:改進(jìn)后的系統(tǒng)相比原系統(tǒng)具有明顯的優(yōu)勢，能夠滿足實踐教學(xué)的要求。

可編程序邏輯控制器PLC;電液比例流量控制系統(tǒng)

液壓比例系統(tǒng)是液壓領(lǐng)域的重要分支，也是控制技術(shù)的重要組成部分。它控制簡單，維護(hù)方便，成本較低，體積小、質(zhì)量輕，控制精度高，響應(yīng)速度快;液壓元件的潤滑性好、壽命長;調(diào)速范圍寬、低速穩(wěn)定性好;過載保護(hù)容易;解決溫升問題比較方便。由于液壓比例系統(tǒng)的突出優(yōu)點，使得它在國民經(jīng)濟(jì)的各個部門和國防建設(shè)等方面，諸如冶金、機(jī)械等工業(yè)部門、飛機(jī)、船舶等交通部門及航空航天技術(shù)、海洋技術(shù)、近代科學(xué)實驗裝置和武器控制等方面，都得到了廣泛的應(yīng)用。

1 概述

某院引進(jìn)的德國FESTO電液比例控制系統(tǒng)包括比例液壓系統(tǒng)和電氣控制兩部分，在多年的企業(yè)技術(shù)培訓(xùn)中應(yīng)用效果較好，增強(qiáng)了學(xué)員的動手能力。但也存在一些問題:FESTO目前配置的訓(xùn)練系統(tǒng)電控部分有連續(xù)的模擬信號及開關(guān)量信號，模擬量通過額定值信號源實現(xiàn)，開關(guān)量的控制依賴于傳統(tǒng)繼電器控制來實現(xiàn)，系統(tǒng)體積大，可靠性差，功能少，難于實現(xiàn)較復(fù)雜的控制，特別是依靠硬件連線邏輯構(gòu)成的系統(tǒng)，連線復(fù)雜，容易出錯，且錯誤之處查找非常困難，糾錯難度大;在系統(tǒng)設(shè)計訓(xùn)練中，控制時間難于準(zhǔn)確確定;各并聯(lián)電路是同時工作的，由于實際元件動作的機(jī)械慣性和觸點競爭等問題，導(dǎo)致動作失誤。因此，在原有訓(xùn)練系統(tǒng)上，對控制技術(shù)做了一些改進(jìn)，利用可編程控制器PLC代替了原有的額定值信號源和繼電器控制，簡化了系統(tǒng)線路的連接，拓寬了技術(shù)領(lǐng)域，在很大程度上改善系統(tǒng)性能，簡化訓(xùn)練內(nèi)容繁瑣程度;利用PLC的特點進(jìn)行系統(tǒng)訓(xùn)練的開發(fā)，提高學(xué)生對比例液壓、PLC編程及相關(guān)綜合控制技術(shù)的綜合實踐能力。

2 電液比例液壓系統(tǒng)方案選擇

系統(tǒng)工作循環(huán)過程見圖1。

圖1 系統(tǒng)工作循環(huán)過程

電液比例控制系統(tǒng)原理圖見圖2。該系統(tǒng)由定量泵、比例方向閥 (可做流量閥）、兩位四通電磁換向閥 (控制液壓缸的雙向運動）、液壓缸、位移傳感器(輸入模擬信號）組成方向、流量控制系統(tǒng)。其流量調(diào)節(jié)原理是:將位移信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷海答伩刂票壤较蜷y的比例線圈開口的大小，控制通過閥的流量，達(dá)到調(diào)速的目的。用二位三通電磁換向閥控制馬達(dá)旋轉(zhuǎn)的方向。單向閥控制馬達(dá)制動時不變?yōu)楸玫墓ぷ鳡顟B(tài)，起背壓的作用。

圖2 系統(tǒng)原理圖

3 PLC－電液比例控制系統(tǒng)的設(shè)計

3.1 系統(tǒng)設(shè)計框圖

系統(tǒng)設(shè)計原理圖見圖3。

圖3 系統(tǒng)設(shè)計原理圖

3.2 線性位移傳感器

傳感器的作用是把執(zhí)行器的輸出位移信號轉(zhuǎn)化成可以與指令信號做比較的反饋信號。此系統(tǒng)采用線性位移傳感器，其物理變量“位移”被轉(zhuǎn)變成電壓。由電壓分配原理可知，電阻與電位計長度L成正比。

位移傳感器的賦值數(shù)值表，如表1所示。

表1 位移傳感器行程－電壓表

活塞桿位移－輸出電壓特性曲線見圖4。

圖4 行程－電壓特性曲線

位移傳感器接口原理圖見圖5。

圖5 位移傳感器原理圖

參考電源是一個電子模塊，用于獲取高精度的電壓。該電壓源為電位計提供電壓。電源電壓的波動不會對參考電源產(chǎn)生影響。

如果線性位移傳感器的信號輸出過程中，電流通過一個耗能元件，那么電壓分配器處于載荷狀態(tài)，因此電壓會改變。通常阻抗轉(zhuǎn)換器是一個絕緣放大器，實際上它使電位計保持在無載荷狀態(tài)，信號電壓維持不變。帶有保護(hù)電路的阻抗轉(zhuǎn)換器鑄進(jìn)電位計電纜中。同時，當(dāng)連接互相替換時，該線路保護(hù)電位計免遭損壞。

位移傳感器連線圖見圖6。

圖6 傳感器接線圖

3.3 PLC邏輯控制系統(tǒng)設(shè)計

I/O分配表，如表2、3所示。

表2 輸入傳感器及開關(guān)I/O分配表

表3 輸出繼電器I/O分配表

I/O硬件接線圖見圖7。

圖7 PLC硬件接線圖

PLC控制系統(tǒng)梯形圖見圖8。

圖8 PLC控制系統(tǒng)編程梯形圖

系統(tǒng)中的雙電控比例閥的放大器連線圖見圖9所示。

圖9 比例電磁閥線圈連接圖

用放大器將控制器輸出的信號放大成具有一定驅(qū)動功率的控制電流加到電液比例閥的線圈上，控制比例方向閥開口的大小，從而控制系統(tǒng)的流量變化。放大器電流負(fù)反饋還通過減小線圈電感的影響縮短比例閥的響應(yīng)時間，使得液壓缸活塞桿的位置輸出動態(tài)響應(yīng)性能大大改善。調(diào)整放大器偏流和增益，能在誤差信號過大時保護(hù)比例閥線圈不被燒毀的飽和特性。

3.4 控制系統(tǒng)原理特點分析

采用位移傳感器和比較器進(jìn)行基本控制。

液壓缸活塞桿在初始位置 (桿完全縮回）時，操作啟動開關(guān)，記錄一個低于額定值的臨界值。如之前的電位計裝配中，在液壓缸活塞桿到達(dá)最末端位置，電位計發(fā)出一個為0的信號值，當(dāng)信號值稍有增強(qiáng)時，則顯示臨界值。在此控制系統(tǒng)中，采用了常閉觸點Kc1(即梯形圖中X4），由于梯形圖邏輯操作為“非”運算時，常閉觸點斷開，液壓缸能在返回到末端位置后再次啟動條件成立。

中位轉(zhuǎn)換點。在向前推進(jìn)期間，臨界值的觸發(fā)開關(guān)Kc2(梯形圖中X5）操作啟動.液壓缸工作進(jìn)給;同時液壓馬達(dá)旋轉(zhuǎn)。

前進(jìn)到活塞桿前端位置，當(dāng)?shù)竭_(dá)臨界值10 V時，進(jìn)行信號處理，常開觸點C3(梯形圖中X3）閉合，觸發(fā)Y3得電，中斷2Y1、3Y1電磁線圈，因而觸發(fā)返回行程。

(1）采用電液比例液壓閥控制大功率的液壓輸出

電液比例閥是電液比例控制系統(tǒng)的關(guān)鍵元件，它既是系統(tǒng)中電氣控制部分與液壓執(zhí)行部分之間的接口，又是實現(xiàn)用較小電氣信號去控制大功率的液壓輸出 (壓力和流量）元件，電液比例閥特性直接影響、決定整個系統(tǒng)的特性。

(2）控制系統(tǒng)步驟說明

如圖10所示為系統(tǒng)步驟－位移圖。圖中C1為位移傳感器的初始位置，C2為位移傳感器的缸工進(jìn)開始和馬達(dá)正轉(zhuǎn)開始位置，C3為位移傳感器末端位置(使活塞桿返回和馬達(dá)反轉(zhuǎn)位置）。

圖10 步驟位移圖

4 結(jié)論

搭建電液比例位置控制系統(tǒng)，選用三菱FX2n-48MR PLC實現(xiàn)控制，采用軟件編制了相關(guān)PLC控制程序，在FESTO訓(xùn)練裝置上完成了基于PLC的比例液壓控制系統(tǒng)的方向、調(diào)速回路設(shè)計，仿真結(jié)果證明:此比例液壓調(diào)速在功率質(zhì)量比、調(diào)速范圍、穩(wěn)定性、自動控制等方面具有明顯優(yōu)勢，也能夠滿足機(jī)電類本科生機(jī)電液綜合設(shè)計實驗教學(xué)的要求，具有教學(xué)、科研的多重實用功能。

【1】宋志安．基于MATLAB的液壓伺服控制系統(tǒng)分析與設(shè)計［M］．北京:國防工業(yè)出版社，2007．

【2】許益民．電液比例控制系統(tǒng)分析與設(shè)計［M］．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2005:1－5．

【3】關(guān)景泰．機(jī)電液控制技術(shù)［M］．上海:同濟(jì)大學(xué)出版社，2003．

【4】廖常初．可編程序控制器的編程方法與工程應(yīng)用［M］．重慶:重慶大學(xué)出版社，2001．

【5】FESTO．液壓技術(shù)［M］．楊燕琴，譯．上海:上海同濟(jì)大學(xué)出版社，2000．

【6】徐福玲．液壓與氣壓傳動［M］．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2007．

【7】胡學(xué)武，盛小明．基于單片機(jī)的液壓節(jié)流調(diào)速實驗的自動測試系統(tǒng)設(shè)計［J］．機(jī)床與液壓，2010，38(24）:59－60．

【8】韓俊偉．電液伺服系統(tǒng)的發(fā)展與應(yīng)用［J］．機(jī)床與液壓，2012，40(2）:I0007 － I0010．

Design the Electrohydraulic Proportional Flow Control System Based on PLC

LILixia1，MAO Xiangyang1，BIAN Dongyan2
(1.Tianjin University of Technology and Education，Tianjin 300222，China;2.Hunan Province Puyang City Vestibule School，Puyang Hunan 410900，China）

In order tomake further development for the original FESTO electro-hydraulic proportional control system，its control principle and characteristicswere analyzed，and programmable logic controller PLC was used as electric control unit to improve the original rated value signal source and relay control．The simulation results indicate that the improved system has obvious advantages over the original one，which canmeet the requirements of practical teaching．

Programmable logic controlle;Electro-hydraulic proportional flow control system

TH137.9

A

1001－3881(2013）4－130－3

10．3969/j.issn.1001 －3881.2013.04.041

2012－01－21

天津市高校科技發(fā)展基金項目資助 (20090403）

李麗霞 (1963—），女，高級實驗師，主要研究方向為機(jī)電液一體化控制技術(shù)。E－mail:art_li_love@126.com。