基于PLC的电液比例流量控制系统设计.pdf

2 0 1 3年 2月 第 4 1卷 第4期 机床与液压 MACHI NE TOOL HYDRAULI CS F e b ． 2 0 1 3 Vo 1 ． 4l No ． 4 DO I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 3 ． 0 4 ． 0 4 1 基于 P L C的电液 比例流量控制系统设计 李丽霞 ，毛向阳 ，边东岩 1 ．天津职业技术师范大学，天津 3 0 0 2 2 2 ；2 ．湖南省濮阳市技工学校，湖南濮阳 4 1 0 9 0 0 摘要为对原有的 F E S T O电液比例控制系统做进一步开发，分析电液比例控制系统的控制原理及特点，采用可编程控 制器 P L C作为电控制单元改进原有的额定值信号源和继电器控制。仿真结果表明改进后的系统相比原系统具有明显的优 势，能够满足实践教学的要求。 关键词可编程序逻辑控制器 P L C ；电液比例流量控制系统 中图分类号T H 1 3 7 ． 9 文献标识码A 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 3 41 3 0 3 De s i g n t he El e e t r o h y dr a u l i e Pr o p o r t i o na l Fl o w Co n t r o l S y s t e m Ba s e d o n PLC L I Li x i a ， MAO Xi a n g y a n g ，BI AN Do ng y a n 1 ． T i a n j i n U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y a n d E d u c a t i o n ，T i a n j i n 3 0 0 2 2 2 ，C h i n a ； 2 ． H u n a n P r o v i n c e P u y a n g C i t y V e s t i b u l e S c h o o l ，P u y a n g H u n a n 4 1 0 9 0 0 ，C h i n a Ab s t r a c t I n o r d e r t o ma k e f u r t h e r d e v e l o p me n t f o r t h e o r i g i n a l F E S TO e l e c t r o - h y d r a u l i c p r o p o rti o n a l c o n t r o l s y s t e m ，i t s c o n t r o l p rin c i p l e a n d c h a r a c t e ri s t i c s w e r e a n a l y z e d，a n d p r o g r a mma b l e l o g i c c o n t r o l l e r P L C wa s u s e d a s e l e c t ric c o n t r o l u n i t t o i mp r o v e t h e o r i gi n a l r a t e d v al u e s i g n a l s o u r c e and r e l a y c o n t r o 1 ．T h e s i m u l a t i o n r e s u h s i n d i c a t e t h a t t h e i m p r o v e d s y s t e m h a s o b v i o u s a d v a n t a g e s o v e r t h e o rig i n a l o n e，wh i c h C an me e t t he r e q u i r e me n t s o f pr a c t i c al t e a c h i n g ． Ke y wo r d s P r o gram ma b l e l o g i c c o n t r o l l e ； E l e c t ro- h y d r a u l i c p r o p o r t i o n al fl o w c o n t r o l s y s t e m 液压比例系统是液压领域的重要分支，也是控制 技术的重要组成部分。它控制简单 ，维护方便 ，成本 较低，体积小、质量轻，控制精度高，响应速度快； 液压元件 的润滑性好 、寿命 长 ；调速 范围宽 、低速稳 定性好；过载保护容易；解决温升问题比较方便。由 于液压比例系统的突出优点，使得它在国民经济的各 个部门和国防建设等方面，诸如冶金、机械等工业部 门、飞机、船舶等交通部门及航空航天技术 、海洋技 术、近代科学实验装置和武器控制等方面，都得到了 广泛的应用 。 1 概 述 某院引进的德国 F E S T O电液 比例控制系统包括 比例液压系统和电气控制两部分，在多年的企业技术 培训 中应用效果较好 ，增强了学员 的动手能力 。但也 存在一些 问题 F E S T O 目前 配置 的训 练 系统 电控 部 分有连续的模拟信号及开关量信号，模拟量通过额定 值信号源实现，开关量的控制依赖于传统继电器控制 来实现，系统体积大，可靠性差 ，功能少，难于实现 较复杂的控制，特别是依靠硬件连线逻辑构成的系 统，连线复杂，容易出错，且错误之处查找非 常困 难，纠错难度大；在系统设计训练中，控制时间难于 准确确定；各并联电路是同时工作的，由于实际元件 动作的机械惯性和触点竞争等问题，导致动作失误。 因此，在原有训练系统上 ，对控制技术做了一些改 进 ，利用可编程控制器 P L C代替 了原有的额定值信 号 源和继 电器控制 ，简化 了系统线路的连接 ，拓宽了 技术领域 ，在很大程度上改善系统性能 ，简化训 练内 容繁琐程度 ；利用 P L C的特点进行系统训练的开发， 提高学生对比例液压、P L C编程及相关综合控制技术 的综合实践能力。 2 电液比例液压系统方案选择 系统 工作循环过程见 图 1 。 液 压缸 快速 运 动 I 液压缸工作进给 l 液压马达旋转做 孔 盖 蓑 霪 液 压 缸 快 速 返 回 l 图 1 系统工作循环过程 电液比例控制系统原理图见图 2 。该系统由定量 泵 、比例方向阀 可做流量阀 、两位四通 电磁换 向 阀 控制液压缸 的双 向运 动 、液压缸 、位移传感 器 输入模拟信号组成方向、流量控制系统。其流量 调节原理是 将位移信号转变为电压，反馈控制比例 方向阀的比例线圈开口的大小，控制通过阀的流量， 达到调速的目的。用二位三通电磁换向阀控制马达旋 收稿 日期 2 0 1 2 0 1 2 1 基金项目天津市高校科技发展基金项 目资助 2 0 0 9 0 4 0 3 作者简介李丽霞 1 9 6 3 一 ，女，高级实验师，主要研究方向为机电液一体化控制技术。Em a i l a r t _ l i l o v e 1 2 6 ． e o m。 第4期 李丽霞 等基于 P L C的电液比例流量控制系统设计 1 3 1 转的方 向。单 向阀控制马达制动时不变为泵 的工作状 态 ，起背压的作用 。 图 2 系统原理图 3 P L C一电液比例控制系统的设计 3 ． 1 系统设 计框 图 系统设计原理 图见 图 3 。 图3 系统设计原理图 3 ． 2线性位移传感器 传感器的作用是把执行器的输出位移信号转化 成可以与指令信号做比较的反馈信号。此系统采用 线性位移传感器 ，其物理变量 “ 位移”被转变成电 压 。 由电压 分配原 理 可知 ，电阻与 电位 计 长度 三成 正 比 。 位移传感器的赋值数值表 ，如表 1 所示。 表 1 位移传感器行程 一电压表 活塞杆位移 一 输出电压特性曲线见图4 。 宙 缩 回 图4 行程 一电压特性曲线 位移传感器接 口原理图见图5 。 参考 电源 V DC 一 红 T 、 I 广 下 黑 l l 自 ／ I 蓝 -- ／ - 一 J 7 、 、 O 、 导线 插 1 3 阻 抗转 抉器连 接 点 图 5 位移传感器原理图 ’ 参考电源是一个电子模块，用于获取高精度的电 压。该电压源为电位计提供电压。电源电压的波动不 会对参考 电源产 生影 响。 如果线性位移传感器的信号输出过程中，电流通 过一个耗能元件，那么电压分配器处于载荷状态，因 此 电压会 改变 。通 常阻抗 转换 器是一个 绝缘 放大 器 ， 实际上它使电位计保持在无载荷状态，信号电压维持 不变。带有保护 电路的阻抗转换器铸进 电位计 电缆 中。同时，当连接互相替换时，该线路保护电位计免 遭损坏 。 位移传感器连线图见图 6 。 图6 传感器接线图 3 ． 3 P L C逻 辑控 制 系统设 计 I ／ O分配表，如表 2 、3所示。 表 2 输入传 感器及 开关 I ／ O分配表 1 3 2 机床与液压 第 4 1卷 不。 I ／ O硬件接 线图见 图 7 。 X0 Fl Y 1 F2 X l J Y2 X 2 tx, F3 宝 Y3 卜 X3 嘲 Y4 h ＼一 X4 K c 2 ＼一 X5 ● 0V l _ J C o M C o M 图7 P L C硬件接线图 P L C控制系统梯形图见图 8 。 液压缸开始工作 到 达c 2 到达 c ] 驱 动液压 缸 驱动 液 压马 达 缸 快进 缸 工进 马达 转 缸 快退 图8 P L C控制系统编程梯形图 系统 中的双 电控 比例 阀的放大器连线 图见图 9 所 快 工快 进 进退 图 9 比例电磁阀线圈连接图 用放大器将控制器输出的信号放大成具有一定驱 动功率的控制电流加到电液比例阀的线圈上 ，控制比 例方 向阀开 口的大小 ，从 而控制 系统的流量变化 。放 大器 电流负反馈还通过减小线 圈电感 的影 响缩短 比例 阀的响应时间，使得液压缸活塞杆的位置输出动态响 应性能大大改善。调整放大器偏流和增益 ，能在误差 信号过大时保护比例阀线圈不被烧毁的饱和特性。 3 ． 4 控制 系统原理特点分析 采用位移传感 器和 比较器进行基本控制 。 液压缸 活塞 杆 在 初 始 位 置 杆 完 全 缩 回 时 ， 操作启动开关，记录一个低于额定值的临界值。如之 前 的电位计 装 配 中 ，在液 压缸 活塞 杆到 达 最末 端位 置，电位计发出一个为0的信号值，当信号值稍有增 强时，则显示临界值。在此控制系统中，采用了常闭 触点 K c l 即梯形图中X 4 ，由于梯形图逻辑操作为 “ 非 ”运算时 ，常闭触点断开 ，液压 缸能在 返 回到末 端位 置后再次启动条件成立 。 中位转换点。在向前推进期间，临界值的触发开 关 K c 2 梯形图中 5 操作启动 ．液压缸工作进给； 同时液压马达旋转 。 前进到活塞杆前端位置 ，当到达临界值 1 0 V时， 进行 信号处 理 ，常开 触点 c 3 梯 形 图中 X 3 闭合 ， 触发 Y 3得 电，中断 2 Y 1 、3 Y 1电磁 线 圈，因而触 发 返 回行程。 1 采用 电液 比例 液压 阀控制 大功 率 的液压 输 出 电液比例阀是电液比例控制系统的关键元件 ，它 既是系统中电气控制部分与液压执行部分之间的接 口，又是实现用较小电气信号去控制大功率的液压输 出 压力和流量元件 ，电液 比例 阀特性直 接影 响、 决定整个系统的特性。 2 控制系统步骤说明 如 图 l 0 所示为 系统步骤 一 位移 图。图中 C ， 为位 移传感器的初始位置，C ， 为位移传感器的缸工进开 始和马达正转 开始 位置 ，c 为位 移 传感器 末 端位 置 使活塞杆返回和马达反转位置 。 位移 液 图1 0 步骤位移图 4结论 搭建电液 比例位置控制系统，选用三菱 F X 2 n ． 4 8 MR P L C实现控制，采用软件编制了相关 P L C控制 程序 ，在 F E S T O训练装 置上完成 了基 于 P L C的 比例 下转第 1 2 9页 第4期 王克武 等六面顶压机超高压模糊 P I D控制系统的研究 1 2 9 M A T L A B ／ S i m u l i n k 下 的模 糊 逻 辑 工具 箱 建 立 仿 真 模 型 ，如图 4 所示 。 阶 跃 信 号 3 ． 15 ⋯⋯ ⋯ 传 通 豳 裂J 显 不 器 图4 常规 P I D控制 S i mu l i n k仿真模型 仿真时，输入幅值为 5的阶跃信号，信号从 t 0 时开始输入。当把图 4中的 P I D控制器换成 图 5所示 的模 块时 ，系统就变成了模糊 P I D控制 系统 。 图5 模糊 P I D控制器仿真结构图 为系统加入正弦信号重复上述仿真，采用传统 P I D和模糊 P I D控制的响应曲线比较如图6所示。 a 阶 跃信 号 F系 统 响应 曲线 b 正弦信 号 F系 统 响匣 曲线 图6 响应曲线比较 从两图中可以看出针对两种信号 ，模糊 P I D控 制 比常规 P I D控 制具有更 小的超调甚至无超调 ，响应 速度快 ，稳态精度高 ，控制效果明显优于常规 P I D 控制 。 5结论 针对立方氮化硼在高温高压环境合成过程中复杂 液压 系统超高压 控制的特点 ，设计了模糊 P I D智能控 制器 ，并进行了仿真。结果表明与常规 P I D控制系 统 相 比，采用模糊 P I D控 制 的系统动 态响 应速度 快 、 超调小、精度高、鲁棒性强，系统动静态性能都有了 明显的提高 。 参考文献 【 1 】 姜伟 ， 盘瑛， 李立惟． 压力对立方氮化硼复合片耐磨性和 导电性 的影响[ J ] ． 超硬材料工程 ， 2 0 1 1 ， 2 3 3 1 6 1 8 ． 【 2 】郭玮， 郭伟力， 王琰弟． 细颗粒 C B N的高压高温合成研 究[ J ] ． 超硬材料工程， 2 o l o ， 2 2 4 l 01 2 ． 【 3 】R O N G X Z ， Y A N G T ． T E M I n v e s t i g a t i o n o f H i - p r e s s u r e R e a c t i o n s i n t e r e d c B N A I C o m p o s i t e s [ J ] ． J o u rna l o f Ma t e r i a l s S c i e n c e ， 2 0 0 4， 3 9 4 7 0 5 4 7 1 0 ． 【 4 】C H O U Y ， K E V I N ， E V A N S C h r i s J ． C u b i c B o r o n N i t r i d e T o o l We a r i n I n t e r r u p t e d H a r d C u t t i n g [ J ] ． We a r ， 1 9 9 9 ， 2 2 5 ／ 2 2 6 ／ 2 2 7 ／ 2 2 8 ／ 2 2 9 2 3 42 4 5． 【 5 】 赵玉成 ， 孙金峰， 王明智． 含纳米金刚石的立方氮化硼聚 晶的制备[ J ] ． 高压物理学报 ， 2 0 0 7 2 1 4 4 0 9 4 1 3 ． 【 6 】 杨大鹏 ， 吉晓瑞， 李英爱． 锂基触媒体系中不同形状立方 氮化硼晶体的高压合成 [ J ] ． 高压物理学报， 2 0 1 0 ， 2 4 3 2 3 7 2 4 0 ． 【 7 】 杨乐庭． 人造金刚石压机控制系统的研究与设计[ D ] ． 上海 东华大学， 2 0 1 0 ． 【 8 】 徐振钦 ， 冯勇， 乐贵高． 基于虚拟试验的液压泄漏因素评 估与定量研究[ J ] ． 机床与液压， 2 0 0 9 ， 3 7 1 1 9 3 9 6 ， 1 0 9． 【 9 】 E N D E L T B ， N I E L S E N K B ， D A N C K E R T J ． M e w F r a m e w o r k f o r O n l i n e F e e d b a c k C o n t r o l 0 f a De e p d r a wi n g Op e r - a t i o n[ J] ．J o u ma l 0 f Ma t e r i a l s p r o c e s s i n g T e c h n o l o g y ， 2 0 0 6． 1 7 7 4 2 6 4 2 9 ． 【 l O 】许益民． 电液比例控制系统分析与设计[ M] ． 北京 机 械工业 出版社 ， 2 0 0 5 ． 上接第 1 3 2页 液压控制系统的方 向、 调速回路设计 ， 仿真结果证明 此比例液压调速在功率质量比、 调速范围、 稳定性、 自 动控制等方面具有睨显优势， 也能够满足机电类本科 生机电液综合设计实验教学的要求 ， 具有教学 、 科研的 多重实用 功能。 参考文献 【 1 】 宋志安． 基于 M A T L A B的液压伺服控制系统分析与设 计[ M] ． 北京 国防工业出版社， 2 0 0 7 ． 【 2 】 许益民． 电液比例控制系统分析与设计[ M] ． 北京 机械 工业出版社 ， 2 0 0 5 1 5 ． 【 3 】 关景泰． 机电液控制技术 [ M] ． 上海 同济大学出版社， 2 00 3． 【 4 】 廖常初． 可编程序控制器的编程方法与工程应用 [ M] ． 重庆 重庆大学出版社 ， 2 0 0 1 ． 【 5 】F E S T O ． 液压技术[ M] ． 杨燕琴 ， 译． 上海 上海同济大学 出版社 ， 2 0 0 0 ． 【 6 】 徐福玲． 液压与气压传动[ M] ． 北京 机械工业出版社 ， 20 0 7． 【 7 】胡学武， 盛小明． 基于单片机的液压节流调速实验的 自 动测试系统设计 [ J ] ． 机床与液压 ， 2 0 1 0 ， 3 8 2 4 5 9 6 0 ． 【 8 】韩俊伟． 电液伺服系统的发展与应用 [ J ] ． 机床与液压， 2 0 l 2， 4 0 2 1 0 0 0 7一1 0 0 1 0 ．