基于PLC的拉深筋实验台电液控制系统改造设计.pdf

液压 气 动 与 密 封／ 2 0 1 0年 第 8期 基于 P L C的拉深筋实验台电液控制系统改造设计 李 娜 金 淼 郭宝峰 李 群 f 燕山大学机械工程学院 ， 河北秦皇岛0 6 6 0 0 4 摘要 原有继电器液压实验台采用继电器控制系统 ， 设备陈 旧老化 ， 可靠性低 ， 且可实现功能少 ， 灵活性差 ， 不能满足新的实验使用要 求 ， 在原实验台基础上进行了改造。新实验 台利用 C A N总线技术 ， 采用一套基 于现场总线 C A N B U S 的 P L C控制系统 ， 扩大了实验台 的功能范围 ， 提高了控制系统 的柔性 ， 实现了实验数据处理的 自动化 。 对原液压系统进行 了改进 ， 由传统的节流回路改为由电液 比例阀 和负载敏感泵组成的负载敏感回路 ， 实现 了多种工况的灵活转换。 而且通过压力补偿技术可以实现工作油缸运动速度 的可控性和智能 性 ， 通过负载敏感技术 ， 减少了系统发热和能量损失， 实现了电液控制系统的节能化设计。 关键词 拉深筋实验台； P L C； 负载敏感 ； 压力补偿 ； 节能 中图分类号 T G 1 1 l 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 0 0 8 0 0 5 0 0 4 I n n o v a t i v e De s i g n o f Dr a wbe a d Ex p e r i m e n t D e v i c e El e c t r o Hy d r a u l i c Co n t r o l S y s t e m Ba s e d o n PL C L l N n J I N Mi a o G U O a o - f e n g L I Q u , t C o l l e g e o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ，Y a n s h a n U n i v e r s i t y ，Q i n h u a n g d a o ，H e b e i 0 6 6 0 0 4 C h i n a Ab s t r a c t T h e o r i g i n a l h y d r a u l i c e x p e ri me n t d e v i c e ， wh i c h a d o p t s t h e r e l a y c o n t r o l s y s t e m g e t s o l d e r s e rio u s l y ， h a s l o w r e l i a b i l i t y ， a c h i e v e s l e s s f u n c t i o n a n d h a s p o o r f l e x i b i l i t y ． T h e o ri g i n a l e x p e rime n t d e v i c e s y s t e m c a n n o t me e t t h e n e w e x p e rime n t a l r e q u i r e me n t s ， a n d m u s t b e t r a n s f o r me d ．B y u s i n g t h e C A N b u s t e c h n o l o g y a n d a d o p t i n g a s e t o f t h e P L C c o n t r o l s y s t e m b a s e d o n fi e l d b u s C A N - B U i n t h e n e w e x p e rime n t d e v i c e ， t h e s c o p e o f t h e e x p e ri me n t d e v i c e c a p a b i l i t i e s a r e e x p a n d e d ， t h e fl e x i b i l i t y o f t h e c o n t r o l s y s t e m i s i mp mv e d a n d t h e a u t o ma t i o n o f e x p e r i me n t a l d a t a p r o c e s s i n g i s a c h i e v e d ． B y me a n s o f t h e i mp r o v e me n t f rom t r a d i t i o n a l thr o t tl e l o o p t O l o a d s e n s i n g c i r c u i t wh i c h i s c o n s i s t e d o f t h e e l e c t r o h y d r a u l i c p r o p o r t i o n a l v a l v e a n d l o a d s e n s i n g p u mp ，t h e o rig i n al h y d r a u l i c s y s t e m h a s b e e n i mp r o v e d t o a c h i e v e a fl e x i b l e c o n v e r s i o n o f v a ri e t y wo r k i n g c o n d i t i o n s ． A n d t h e c o n t r o l l a b i l i t y a n d i n t e l l i g e n c e o f t h e w o r k c y l i n d e r v e l o c i t y c a n b e a c h i e v e d b y u s i n g p r e s s u r e c o mp e n s a t i o n t e c h n o l o g y a n d t h e s y s t e m h e a t a n d e n e r g y l o s s c a n b e r e d u c e d a s w e l l a s t h e e l e c t r o h y d r a u l i c c o n t r o l s y s t e m f o r e n e r gy s a v i n g d e s i g n c a n b e a c h i e v e d b y u s i n g t h e l o a d s e n s i n g t e c h n o l o gy ． Ke y W o r d s d r a wb e a d e x p e ri me n t d e v i c e ； P L C； l o a d s e n s i n g； p r e s s u r e c o mp e n s a t i o n； e n e r g y s a v i n g O 拉深筋实验台改造背景 拉深筋是拉深工艺重要控制手段之一 ，是拉深模 具设计 中的一个关键环节i t ,2 】 。拉深筋液压实验台用于 给板料样材做拉深实验 ，以获取拉深筋阻力 、上浮力 等。 同时为后续性能参数 比较提供条件。 原试验台采用 继电器控制技术， 技术落后 ， 设备老化 ， 控制精度低 ， 控 制方法单一 ， 灵活性差 ， 需要对其设备的更新改造 。其 原有设备照片 ， 如图 1 所示 。 图 l 拉深筋实验系统 收稿 日期 2 0 1 O o 4 2 3 作者简介 李娜 1 9 8 2 一 ， 女， 硕士研究生 ， 主要研究方向为板 材冲压成形 技术研究 。 5 0 1 原实验 台结构组成和原理 1 ． 1 原试 验 台的结构组 成原理 原试验台液压系统图如图 2所示 。采用继电器技 术和基本 的节流阀回路 ，侧拉缸和压下缸分别连一换 向阀， 阀 3和溢流阀 6 、 7起保护作用。电气部分采用由 三相 电源接出的单相 2 2 0 V交流电为电动机和整个电 气控制系统供电。 1 、 2、 3 一 三位四通 阀4 一 侧拉缸5 一 液控 阀6 、 7 - 溢流阀8 一 压力表 9 ～ 上缸 l O 一 下缸 1 l 一 泵源 l 2 一 过滤器 图 2液压系统原理 图 Hv d r a u l i c s P n e u ma t i c s＆ S e a l s ， NO ． 8 ． 2 01 0 实验台继电器电气控制系统图， 如图 3所示。 QF 窄气 开关； K M接 触器 H L 指示灯； K A直流 电磁继 K R 热继 电器； S B 按钮 开关 S LP t 位 开关 Y A电磁 铁线 圈 Qc功能转换 开 图 3电气 控 制 腺 理 图 1 ． 2 原试 验 台的 改造 的必要 性 原实验台改造的必要性 ①实验台陈旧老化 。原实 验 台搭建时间长 ，控制继电器经过长期磨损和在疲劳 工作条件下工作 ， 部分 已经损坏 。而且继电器的触点容 易 产生 电弧 ， 甚 至会熔 在 一 起产 生 误操 作 ， 引 起 严重 的 后果。② 实验台维护和改进困难。在维修时 ， 电器控制 系统元件繁多 ， 且必须是手工接线 、 安装 ， 即使进行简 单的改动 ， 也需要大量时间、 人力和物力。⑧控制性能 差 。在大负荷 、 低速的工况下 ， 由于摩擦力和其他诸 因 素 的影响 ， 容易产生滞环 ， 爬行等现象 ， 严重影响控制 性能 ，用于拉深筋实验机系统 的开关液压阀在起动和 变速过程 中有振动现象 ，影响了设备 的使用寿命和稳 定性。 ④工艺要求不能满足。 由于拉深筋测试实验研究 的深入 ， 要求对压下力 、 拉深液压缸 的运动速度进行控 制 ， 而原开关 回路显然无法满足要求 。 由于 以上 原 因 ．本 文对 原 实 验 台 的电液 控 制 系统 进行了改造和研究 ， 主要包括三个方面 ①继 电器电路 的 P L C化 。所应 用 的 P L C控 制器 内有 成百上 千个 可供 用户使用的编程元件 ， 有很强的功能 ， 可以实现非常复 杂 的控 制功 能 。与相 同功 能 的继 电器相 比， 具 有很 高 的 性 能 价 格 比 ， 可 以通 过 通 信联 网 ， 实 现 分散 控 制 ， 集 中 管理。 ②液压 阀开关量控制的电液 比例化 。 控制器输出 P WM模拟量信号给液压 阀，可以控制油缸 的运行速 度 ， 使负载运行可控。③电液控制系统的节能化。采用 负 载敏 感控 制 系 统 ， 系统 通 过 检测 负 载压 力 、 流 量 和功 率变化信号 ， 向液压系统进行 反馈 ， 实现节能控制 、 流 量与调速控制和恒功率控制等。 2 基 于 P L C的新实验 台组成和原理 2 ． 1 新试 验 台 的液压 系统 组成原 理 根据实际工况 ， 设计为一个开式回路中 ， 由同一个 泵提供油源。液压系统应用电液 比例阀， 由微电程序控 制阀的开度 ， 从而控制液压缸的速度和伸出量 ， 同时采 用手动控制装置 ，操作人员也可以通过扳动手柄控制 电液 比例 阀开闭，进行实验操作或者液压系统调试及 故障排除。新液压系统如图 4所示 。 图 4拉 深 筋 试 验 机 液压 系统 原 理 图 电动机启动 ，泵工作 ，压下部分的方向阀换至左 位 ， 压力油经定差减压阀和换向阀， 使压下缸上缸压力 增大 ， 活塞下压 ， 同时， 压力油将方向阀顶开， 使下缸油 液流回油箱。压下后 ， 换向阀回中位。此时侧拉部分的 换向阀换至右位 ，油液经减压阀和换向阀右位使侧拉 缸有杆腔进油加压 ， 无杆腔的油液经过滤器回油箱。 2 - 2 新试验台的电气系统组成原理 新实验 台的电气控制 系统采用 了 C AN总线技术 ， 所有 的电气控制均由一套基于现场总线 C A N B U S 的 P L C控制系统来实现 ．电气控制系统原理图如 图 5所 示 。 比仍l换向阀 油液报警 数据采集 控制器传感器比例溢流阀 手柄 压 力 、 位 移 图 5 拉深筋实验电气控制系统原理 图 本实验台拟采用芬兰 E P E C 2 0 3 8 控制模块 ， 根据所 选择的 P L C功能模块的特点 ，控制系统采用 目前 比较 流行 C A N总线技术 ，数据传输遵循 C A N o p e n协议 。 E P E C 2 0 3 8控制器是一种集可编程逻辑控制器 、 比例放 大器 、 模拟量输入 A I D模块 、 继 电器输 出等功能于一身 的高性能控制器 ， 丰富的输入输 出口 开关量输入 、 O ～ 5 1 液 压 气 动 与 密 封 ， 2 0 1 0年 第 8期 5 V电压输入 、 0 2 2 ． 7 m A电流输入 、脉冲输入 、相位差 9 0度脉冲计数输入 、 开关量输出、 P WM调试输 出， 有两 个 C A N 口， 用 户可 以根 据 自己 的控 制要 求 自由配置输 入输出口以满足系统的控制要求。 系统的控制信号输入集 中在板料拉深和压下两个 部分 ，因此该控制系统应用了一个基于 C A N总线 的 S P T K一 2 0 2 3控制 器 ，形 成 了 C A N总 线型 网络拓 扑结 构 。 在控制 系统 的设 计 和调试 阶段 ， 在 P C机和 C A N总 线之间 ，我们使用了 P C A N U S B通讯接 口来实现对连 接在 C A N总线上的控制器和显示器的数据传输和编 程。P C A N U S B通讯模块是一种将 C A N总线通讯协议 与 U S B标准相连接的非智能 C A N U S B模块 ， C A N总 线可以充分满足 C A N网络高实时性的要求 ， U S B可以 即插即用 ， 该模块可通过 U S B口对现场具有 C A N通讯 接 口的仪表和控制设备进行监控。使用 C A N U S B， 在 Wi n d o w s 平台下可以与 C A N网络进行实时有效的信息 交换。 由于采用高速光电隔离， 该模块有很强的抗干扰能力。 3 新实验台的关键技术 3 ． 1 压力补 偿和负载 敏感技 术 负载敏感控制系统 。 一般 由变量泵 、 负载敏感阀及 压力切断阀组成，其控制 阀无论在 中位开式还是中位 闭式方式 ， 都附有压力切断阀[3 1 。将压差设定为规定值 进行的 自动控制叫做压力补偿。不受负荷压力变化和 液压 泵流 量变化 的影 响 ．由设 定节 流压差 值对 流量 进 行启动控制， 称为压力补偿流量控制。负载敏感阀的原 理 图， 如 图 6所示 。 图 6 闭芯式负载敏感系统 执行机构控制阀都具有压力补偿功能 ，压力补偿 原理和调速阀原理基本相 同，压力补偿阀相当于外控 定差减压阀， 比例阀相当于节流阀。其流量可表达为 5 2 Q 式 中C 流量 系数 ； 节流开 度 p 液压 油密度 。 三参数均为固定值 ，因此系统流量只与 比例阀的 节流开度有关 ， 与负载大小无关。因此 ， 通过手动控制 节流 13开度即可调节流量 ， 并且保持调整的流量恒定 ， 因 而工 作的速度 趋 于稳定。 实验台液压泵采用负载敏感变量泵 ，其结构原理 如图 7所示 。泵液压缸左侧通油箱 ， 压力降为零 ， 弹簧 松开 ， 泵摆针摆角变大， 流量增大， 系统平衡 ； 若反馈回 的压力小于此时泵源的压力 ， 负载敏感 阀左移 ， 此时弹 簧收缩， 摆针摆角变小， 泵流量减小 ， 系统平衡。 图 7负 载敏 感 泵 结构 原 理 图 负载敏感泵控 系统由控制阀感应外部信号改变泵 自身输出的流量和压力来匹配负载 ，避免了一般液压 系统中由于溢流阀和节流阀带来 的溢流和节流损失 ， 使其具备了能量损失小 、 效率高的特点 。 3 ． 2控 制 系统 软件 采 用 I E C 6 1 1 3 1 3国际标准 。 I E C 6 1 1 3 1 3规定 了 两大类编程语言 文本化编程语言和图形化编程语言。 前者包括指令表 I L ，I n s t r u c t i o n L i s t 语言和结构化文本 f S T ，S t r u c t u r e d T e x t 语 言 ，后 者 包 括 梯 形 图 L D ， L a d d c r D i a g r a m 语 言和 功 能块 图 F B D ， F u n c t i o n B l o c k D i a g r a m 语 言圈 。 采 用 德国 3 S 公 司的 C o D e S y s 软件 ，可 以把 逻辑和 顺序控制 、 运动控制 、 过程控制和传动控制等的编程纳 入一个体系中，同时还将 S C A D A和人机界面软件的设 计功能、 程序的调试和仿真功能也包容进来。 基于 I E C 6 l l 3 l 一 3国际标准的编程支持的控制类型， 如图 8 所示。 图 8 基于 I E C 6 i 1 3 1 - 3国际标 准的编程 I q 雷 ∽ ∽ ∞ u 2 Hv dr a ul i c s Pn e uma t i c s＆ Se a l s ， NO ． 8． 2 01 0 3 ． 3液压 系统压 力数 据 采集 系统 搭建实验台液压测试系统 ，以验证搭建的液压 系 统理论 仿真 研究 ． 验证 系统 的节 能及 操纵特 性 。其 工作 过程是试验信号 由相应的传感器检测 ，通过数据采集 卡经转换输入到计算机 ，由软件进行编程处理 ，如存 贮 ， 显示和打印等 。实验台液压系统的压力测控系统数 据传输和控制原理图如图 9所示。 图 9 数据传输 和控制原理 图 - ■ 一 - 卜 _ - - ■ 一一 - 一 -一 一 4结论 把 实 验 台 的继 电器 液 压开 关 量控 制 系统 改造 为 基 于 P L C的 电液 比例控 制 系统 。 通过 系统 的改造 ， 实现 节 能控制、 流量与调速控制和恒功率控制等 。同时 ， 提高 了工作稳定性 ， 减少 了能耗 ， 同时减轻 了因安装和维修 带来的劳动强度 ， 增强 了系统的安全可靠性 ， 对类似产 品具有借鉴作用。 参 考 文 献 [ 1 ] 金淼， 郭 宝锋． 半 圆形 拉深筋尺 寸参数对其 阻力的影响[ J 】 ． 塑 性工程学报， 2 0 0 3 。 1 0 1 3 2 3 5 ． [ 2 ] 李东升， 胡世光， 黄小 明． 拉 延成形 中拉延筋 的摩擦分 析『 J 1 ． 金 属成形工艺， 1 9 9 4 ， 1 2 3 1 1 9 1 2 2 ． 【 3 】 赵静一， 王智 勇， 覃艳 明， 等． T L C 9 0 0型运梁车电液转 向控制系 统的仿真与试 验分 析f J ] ． 中国机械工程． 2 0 0 7 4 3 9 6 5 6 8 ． 【 4 】 李群， 张 玉存． 基于 L a b v i e w下 的扭 矩传感 器实 验平 台的研 究I J J ． 传感技术学报， 2 0 0 3 ， 1 6 0 5 0 4 5 0 6 ． 【 5 】 王庆丰， 魏 建华， 吴根茂． 工程机械液压 控制技术 的研 究进展 与展望f J 1 ． 机械工程学报， 2 0 0 3 ， 3 9 1 2 5 1 ～ 5 6 ． 沙宝森理事长一行参观考察艾志集团 2 0 1 0年 4月 1 0 13， 中国液压气动密封件工业协会理事长沙宝森 、 常务副秘书长程晓霞一行来 到 艾志工业技术集团公 司进行参观考察 ， 艾志工业集 团总裁赵晶玮陪同参观。沙宝森理事长首先详细 了解了艾志工业的发展近况及 自主创新情况 ， 并表示国内密封企业需持续创新 ， 增强核心竞争力 ， 要 打破制约我国主机装备制造业发展的瓶颈。沙理事长还谈道 近几年来 ， 我 国流体传动产业 已成为本 领域世界发展速度最快的国家， 国内流体传动产品的市场满足率已达 7 0 ％， 其中 ， 中低端市场已能实 现 自给 自足． 并有总产值 1 0 ％的出口， 但其高端市场产品还 主要依赖于进 口， 每年进 口液气密产品约 3 0亿美元。提高国内基础件企业的自主创新能力 ， 对于我国主机装备制造业的发展至关重要。 随后 ， 沙宝森理事长参观 了艾志工业在橡塑密封领域的 自主创新项 目 橡塑密封无模具加工 系 统 S e a l N C、 高抗水解聚醚聚氨酯材料 、 双剖分双锁固油封产 品。其中 ， 橡塑密封无模具加工系统 S E A L N C， 从设备 ， 到软件 ， 到技术参数都采用 了完全 自主知识产权的设计 ， 可快速将棒料加工成型 橡胶 密封件 ， 取 消 了传统 橡 胶件 需要 通 过模 具加 工 的限制 。这 种技 术 ， 最早 在 国外 出现 ， 一 直为少 数 国外企 业垄 断 。此项 国产 化 的完全 自主知识 产 权 的 S E A L N C技 术 ， 填补 了 国 内橡 塑 密封无 模具 加 工技术 的空白． 打破了我国长期依赖国外高端橡塑密封件和国外橡塑密封件 C N C系统的局面。得知 此系统在性能上达到 国际先进水平 的同时还具备更有竞争力的性价 比时，沙理事长给予 了高度肯 定 ， 表示液气密行业在高端发展还有很大的空间 ， 建议艾志工业尽可能的将此系统扩大宣传 ， 让更多 的国 内工 业用 户 了解 、 采 用 国产化 的 车削 密封 技术 。 最后 ，沙 理事 长一 行 参观 了艾 志 工业 技术 集 团公 司位 于南京 市 汉 中门大 街 的科研 及行 政 总部 、 江宁工厂 以及正在兴建的橡塑密封子公司瑞钛科技有 限公司， 并将密封行业发展的最新动态与 艾志工业 的管理层进行 了分享和交流 。 53