现场总线型液压阀岛的开发与应用.pdf

Hy d r a u l i c s P n e u ma t i c s S e a l s ／ No ．9 ． 2 01 2 现场总线型液压阀岛的开发与应用 黄建 中， 岑豫皖 ， 叶小华 安 徽工 业大 学 ， 安徽 马鞍 山 2 4 3 0 0 2 摘要 针对 自动化成套生产设 备对 机电液一体化技术需求的增加 ， 以及机 电液一体化设备集成化 、 模块化和智能化 的发展趋势 ， 对液 压阀岛的概念 、 结构和组成进行了初 步的探讨 。 同时 ， 基于墙体材料成套设 备中的墙体砖压机的机电液一体化 系统 的控制要求 ， 利用西 门子可编程控制器完成 了工业现场总线型的液压阀岛系统 的初 步开发和系统构建。 关键词 液压 阀岛 ； 工业现场总线 ； 墙体砖压机 ； 可编程 控制器 中 图 分 类 号 T H1 3 7 文 献 标识 码 A 文 章 编 号 1 0 0 8 - 0 8 1 3 2 0 1 2 0 9 - 0 0 01 - 0 3 De v e l o p a nd Ap p l i c a t i o n o f I nd u s t r i a l F i e l d Bus Hy d r a u l i c Va l v e Te r mi n a l HU A NG J i a n - z h o n g， C E N Yu wa r t ， YE Xi a o h u a A n h u i U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ， Ma a n s h a n 2 4 3 0 0 2 ， C h i n a Ab s t r a c t Th i s a r t i c l e di s cu s s e d pr el i mi na ril y a bo u t t he h y d r a ul i c v a l v et e r mi n a l ’ S c o n ce pt i o n， s t r uc t ur e a nd c o mpo s i t i o n， wh i c h i s a i me d a t t h e c o mp l e t e s e t o f a u t o ma t i o n e q u i p me n t ’ s i n c r e a s i n g c o n t i n e n t al d e ma n d s f o r me c h a t r o n i c s t e c h n o l o g y a n d i n t e g r a t e d ， mo d u a l i z e d a n d i n t e l l i g e n t d e v e l o p me n t t e n d e n c y o f me c h a n i c a l e l e c t ric a l h y d r a u l i c i n t e g r a t i o n e q u i p me n t ． Me a n w h i l e ， u t i l i z e d s i e me n s 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 t o a c c o mp l i s h e l e me n t a r y d e v e l o p me n t a n d s y s t e m c o n s t r u c t i n g o f i n d u s t ria l fi e l d _ b u s h y d r a u l i c wd v e t e r mi n a l s y s t e m o n t h e b a s i s o f me c h a n i c a l - e l e c t ri c a l - h y d r a u l i c i n t e g r a t i o n’ S c o n t r o l d e ma n d f o r t h e c o mp l e t e s e t s o f e q u i p me n t o f wa l l ma t e ria 1 ． Ke y wo r ds hy d r a ul i c va l v e -t e r mi n a l ； i n du s t ria l -fie l d- bu s； bric k p r e s s ； PLC 0 引言 随着机 电一体化技术的飞速发展 ，一 台工业设备 往往是个包含实现驱动 、 控制 、 检测 、 显示和传 输等功 能 的大量机械或电子元器件的组合体 ，需要控制器按 照一定的控制程序输出控制信号给驱动设备 ．以达到 控制 多个执行 机构来共 同实现预定 的机械 动作 的 目 的，这就为机电一体化产品的驱动与控制的集成化和 模块化提 出了新 的要求 ， 而“ 阀岛” 的概念 正式 针对这 一 发展需求而提出的。 阀 岛 一 词 源 于 德 语 的 “ V e n t i l i n s e l ” ， 英 文 为 “ V a l v e T e r m i n a l ” 。而液压阀岛可定义为新一代的电液一体化 控制元器件_ l 】 ， 也可以将其定义为一个小型液压集成系 统 ，是集成了电磁阀 、液压回路及其控制器的控制单 元。由于新型墙体材料成套加工设备包含了大量机电 液和机 电气一体化设备 ，因此针对墙体材料成套加工 设备 的使用需求 ，基于阀岛的概念和现场总线控制方 式的发展趋势 ，我们对液压阀岛系统 的定义和构建现 收稿 日期 2 0 1 2 0 6 0 8 作者简介 黄建中 1 9 8 1 一 ， 男 ， 辽宁 营 口人 ， 助教 ， 硕士 。研究方 向 机电 一 体 化 场总线型液压阀岛系统进行了初步 的探讨 。 1 阀岛的现场总线控制 1 ． 1 液压 阀岛的定 义 最初 的阀岛概念是基 于气动控制技术提出的 ， 包 括两个方面的内容 其一是 由于存在多个执行机构的 驱动和控制需求 ， 需要将多个 电磁阀 包括电控换向阔 和伺服 比例 阀 集成 ． 犹如一个岛屿存在于气动控制管 线的海洋 中[2 1 ， 气动 阀岛采用气路板和统一的气 源 ， 从 而减少了气源装置 的数量 ， 简化了气动回路 ． 便于集 中 控制 ；其二 是 实现 控 制器 与 被控 电磁 阀之 间线路 的简 化和控制信号的集 中输 出， 降低电路连接的复杂性 ， 提 高控制系统的可靠性。 对于液压系统来说 ，从功率传递和性能控制等方 面来说具有其 自身的特点 ， 从 目前 的制造能力来说 ， 如 气动阀岛一样将 电液 比例阀 、 电磁换向阀、 电磁溢流 阀 等多个或不 同类 型的液压 阀统一安装在一个集 成块 上， 无论是设计上还是加工上也都具有相 当难度 ， 因此 液压阀岛定义与气动阀岛也是有所不 同的。基于阀岛 的概念和结构 ， 就电液一体化的控制元器件而言 ， 液压 阀岛可以成为小型液压集成单元与控制器的集成化设 液 压 气 动 与 密 封 ， 2 O 1 2年 第 9期 备 ， 从控制系统的模块化来说 ， 液压 阀岛与气动阀岛具 有相同的发展趋势 。 1 ． 2阀岛的控制技术 1 阀岛的控制技术发展 在机电液一体化的控制系统 中，控制器通过传感 器获取系统状态信息 ，同时基于传感器信息按照一定 的程序控制输 出信号给相应的驱动器 ，从而实现预定 的机械动作。随着机器设备功能的越来越强大 ， 与之相 配套的控制过程也越来越复杂 ， 这样． 控制器输出的信 号也就随之越来越多。因此 ， 这类系统中存在大量 电磁 阀和信号 、 能量 的连线 ， 对于成套 自动化制造设备来说 则尤其如此 ， 从而提高了电控系统的故障率 ， 设备的维 修和管理也带来诸多不便 。因此 ， 简化电路连接 ， 提高 系统组建柔性 ， 一直是阀岛技术的重要改进 内容。 阀岛技术产生以来 ，其控制技术已经从多针接 E l 式阀岛发展成为现场总线型阀岛。采用多针接 E l 后 ， 可 编程控制器与电磁阀、传感器电信号输入端之间的接 口简化为只有一个多针插头和一根多股电缆 。与传统 方式实现的控制系统 比较可知 ．采用多针接 口型阀岛 后 系统不再需要接线盘 。节省了电控 回路 的设计 、 安 装 、 维护时间 ， 使机械制造和维护过程大为简化。而进 一 步发展到现场总线型 阀岛后 ．每个阀岛均带有一个 总线输人接 口和一个总线输 出接口。这样 ， 当系统中有 多个带现场总线 阀岛或其他带现场总线设备时可以由 近至远串联连接 。与带多针插件的阀岛组成 的系统 比 较可知 ，带现场总线 阀岛与外界的数据交换只需通过 一 根 4股或 2股的屏蔽 电缆实现 ，大幅度节省了接线 时间。由于连线的减少使设备所占的空间减小 ， 维护也 更为方便[ 3 1 。 从发展趋势而言 ，阀岛应发展成为标准 的现场总 线第三方设备 如 P R O F I B U S总线 、 C A N总线等 ， 在利 用总线技术及设备 如 P L C、 P A C等 构建控制系统时 ， 阀岛可 以作为系统模块直接组态进入现场总线控制系 统 与变频器、 智能传感器等第三方设备类似 ， 成为总 线系统 的独立节点 如图 1所示 ， 由上位机统一组态 及监控 。就进一步发展而言 ， 阀岛应成为传感器 、 控制 、 液压 气动 的机 电液 气 一体化模块 ， 高度集成化 的 模块本身具有编程设定能力 ，可以进行所需要的子系 统程序开发 ， 从而进一步提高系统构建 的柔性 ， 减少控 制系统组建时间 ， 提高控制性能。 2 P R O F I B U S D P现场总线 现场总线式应用在现场的控制设备之间 ，实现双 向串行多节点数字通信的系统 ， 也被称为开放式 、 数字 化 、 多点通信的底层控制 网络 ． 它把单个分散的测量控 2 制设备变成网络节点 [4 1 。在各种现场总线 的标准 中． P R O F I B U S是 由 S I E ME N S等公司组织开发的一种国际 化 的、 开放 的、 不依赖于设备生产商的现场 总线标准 ． 是 目前国际上通用的现场总线标准之一。 节点l 节点2 节点H 图 1 现 场 总 线型 阀 岛系 统 在 P R O F I B U S现场总线中用于传感器和执行器高 速数据传输的 P R O F I B U S D P应用最广。P R O F I B U S总 线作为工业现场广泛使用 的总线 ， 具有通信速率高 ， 配 套设施完善等特点 ． 成为阀岛使用总线的首选。考虑到 系统的开放性和可靠性 ． 我们选用了 P R O F I B U S D P通 讯协议构建液压阀岛控制系统。 2 现场总线液压 阀岛系统构建 2 ． 1 电控 系统结 构 液压压砖机是集机 、 电、 液 、 气 、 控制和材料工艺技 术高度一体化的专用设备 ，也是墙体砖生产线上最关 键装备 ．决定着整条生产线 的生产效率和产品质量嘲 。 因此 ， 我们将 K D Q 一 1 0 0墙体材料实验压机作为实验对 象 ， 进行了液压阀岛控制系统的设计。 P R O F I B U S是一个令牌网络 ， 一个网络中有若干个 被动节点 从站 ， 而它 的逻辑令牌 只含有一个主动节 点 主站 ，这样 的 网络 为纯 主一 从 系统 。典 型 的 P R O F I B U S D P总线配置是 以此种总线存取程序为基 础 的 ． 一个 主 站 轮询 多个 从站 。P R O F I B U S D P在整 个 P R O F I B U S应 用 中 ， 应用最 多 ， 也最 广 泛 ， 可 以连接 不 同 厂商符合 P R O F I B U S D P协议的设备。在 D P网络 中， 一 个从站只能被一个主站所控制[6 1 。如图 2所示 ， 我们 采 用 了主站 多 从 站 的 P R O F I B U S D P总线 控 制 系统 。 系统基于 S I E ME N S的 S 7 3 0 0 P L C构建 ，采用 C P U 3 1 5 2 D P作 为 P R O F I B U S D P主从 系统 的 主 站 ， 以 I M1 5 3 1 通信模块作为从站的通信接 口与功能模块结 合作为阀岛的控制器。 对于墙体砖压机而言 ，其需要控制的执行机构包 括三个液压油缸 ， 分别为上油缸 、 浮动油缸 和下油缸 ， 而油缸的运行由电液比例阀驱动控制。每个油缸安装 了输 出标准模拟量信号 4 ～ 2 0 m A 的位置传感器 ， 同时 油缸 的进油油路安装有压力传感器 ，用于检测油缸 的 Hv d r a u l i c s P n e u ma t i c s＆ S e a l s ／ N o ． 9 ． 2 0 1 2 与液压 阀岛模块 进行集成安装 见图 3液压 站 ， 构成 控制与检测一体化 的液压 阀岛集成块 ，初步实现现场 总线型液压阀岛。 进油压力 。控制系统包含三个从站 ， 从站 1 作为液压 阀 岛模块 的控制器 ， 从站 2用于采集油缸传感器 ， 从站 3 是 S I E ME N S触摸屏 ， 用于输出传感器采集的液压系统 的状态数据 ， 总体方案如图 3所示 。 图 2 P R OF I B U S D P总线主一 从 系统 ，I I ， ， ．压力 传感 剐 I 11 lfr { } [ 广 口 8 _ ．[ ] I 1 I 一 I 液 压 站 l l 一 兰 三 l ． ’ 图 3 PROF I BUS- DP电 控 系统 总体 方粟 传感器数据 由总线传送至主站， 主站再将数据经总 线传送给触摸屏用于状态显示 ， 同时基于主站内的控制 程序和反馈回的油缸状态值 包括位置信号和进油压力 信号 ， 经总线输 出控制信号给从站 1 ， 由从站 1的模拟 量功能输 出模块输出控制信号给电液比例阀的放大器 ， 驱动液压油缸的运行， 实现油缸的位置和压力控制。 2 ． 2液 压 阀岛模 块构 建 从压机的液压控制系统而言 ．对于三个液压油缸 的驱动控 制分别 由三个 电液 比例阀的液压 回路实现 。 即上 油 缸 液压 回路 、浮 动 油缸 液 压 回路 和 下油 缸 液压 回路 ， 图 4所示为上油缸液压回路图。 图 4上 油 缸 液压 回路 将每个液压子 回路的所有控制 阀以插装 阀的安装 形式集成设计成阀岛模块， 图 5是上油缸液压阀岛模块 。 我们 以 P R O F I B U S D P现场总线通 信模块 与模拟 量 采集和输 出模块结合作 为液压 阀岛模块 的控 制器 图 6所示 ， 为电液 比例阀提供控制电信号 。将控制器 1 一 平衡 阀2 一 电磁球 阀3 一 电液比例节 流阀 4 一 液控单向阀 DN1 0 5 - 液控单 向阀 D N 2 0 图 5上 油缸液压 阀岛模块 电 I M1 5 3 - 1 l 电 源 I 接 口 模 块 l 16l 2 ．16 辨 图6液 压 阀块 控 制 从 站 1 3 总结 本文针对液压阀岛的定义 、 功能 、 结构以及发展趋 势做 了初步 的探讨 ，并根据液 压阀岛 的组 成 ，利用 S I E ME N S P L C设备构建 了液压 阀岛控制系统 ，完成 了液压阀岛的组建。 对于液压 阀岛 ，我们将进行进一步的开发和研究 工作 ， 采用控制芯片 单片机 、 D S P或嵌人式控制器 与 通信芯 片相结合作为核心部件 的方式开发液压阀岛的 专用控制器 ， 控制器将完成采集传感器信号 、 通信和液 压电磁 阀的控制工作 ，并提供软件界面实现电液比例 系统的 P I D闭环控制调试 ，实现液压 阀岛控制器的第 三方设备标准化 ． 完成提 高机电液技术一体化 、 模块化 和智能化的 目标。 参 考 文 献 [ 1 ] 朱海燕 ， 曹文 琴 ， 向毅 ， 等． 铝合金液 压阀岛 中溢 流阀静态特 性 的测试研究[ J 】 ． 液压与气 动 ， 2 0 1 l ， 1 1 ． 【 2 】 徐博 ， 王铭谦 ， 朱元 ， 等． 基于 P r o fi b u s D P的 阀岛主控制器设 计【 J 】 ． 电子产品世 界 ， 2 0 1 l ， 6 ． 【 3 】 周 洪 ， 等 ． 阀岛 和现 场 总线 技术 及 其应 用 [ J 】 ． 液 压 与气 动 ， 1 9 9 8 ， 3 ． [ 4 】 陈忠华． 可编程序控 制器与工业现场总线【 M】 ． 北京 机械工业 出版社。 2 0 1 0 ． [ 5 】 张伟 ， 朱钒 ， 高殿荣 ， 等． 1 0 0 0 k N墙体砖压机液压控制系统的 实验研究I J 】 ． 液压与气动 ， 2 0 1 1 ， 5 ． 【 6 】 崔坚． 西门子工业网络通信指南【 M】 ． ． 北京 机械工业出版社， 2 00 5． 3