基于PLC的液压机控制系统设计

基于PLC的液压机控制系统设计
刘俊,李文
(大连交通大学电气信息学院,辽宁大连116028)
摘 要:针对传统液压机控制系统的不足,为使其拥有更好的性能和人性化操作界面,构建了
基于PLC与工业触摸屏的电气控制系统整体结构,设计采用三菱FX1N PLC作为主控核心,实
现的功能分别为与上位机的数据交换,对液压机外围硬件电路以及内部阀体控制和对压力、位
移、温度的数据检测。

并给出相应的PLC程序及部分上位机界面设计。

应用结果表明,与传统
设计相比,该系统既可以实现自动优化运行,又可以满足手动控制的操作要求,提高了工作效
率,是机电一体化的典型应用。

关键词:液压控制;电气控制;可编程逻辑控制器;数据检测;人机界面
中图分类号:TH137;TM57 文献标志码:B 文章编号:1671 5276(2011)01 0157 04
Control Syste m Design of Hydraulic Press Based on PLC
L I U Jun,L IW en
(E l e ctrica l and Infor m a tion I nstit u t e,Da lian Jiao t ong Un ive rsity,Da li a n116028,Ch ina)
Abstrac t:To m ake up f or t he short age in t he traditional control sys t e m f or hydr auli c pr ess,t his paper constructs t he overall s truc t ure of e l e ctrical contr o l sys t e m based on PL C and indus trial touch screen.I n or der t o m ake t his sys t e m has bett er perf or mance and hu manized operati o n int erf ace,M it sub i s hi FX1N PLC is used as the core t o rea lize its f unction data exchange w ith PC,t he contro l of the peripheral hard w ar e c ircuits and int ernal valves,and t he data de t ec tion i n t he pressure,displace ment and t e mperat ure.And ita lso of f ers the des i g n o f t he corr espond i n g PL C procedure and part o f t he PC int erf ace des ign.Runn i n g result sho w s that co m pared w ith t he trad iti o nal des ign,the syst em not on l y can r eali z e the aut omatic op tm i al oper a ti o n,but also can mee t t he perf or mance require ment s f or manual contr o l and m i prove work effi c iency.This is a typica l appli c ati o n ofmechanical and elec trica l int egrati o n.
K ey word s:hydraulic contr o;l e l e ctrical contro;l PL C;dat a det ecti o n;HM I(H u manM achine Int erf ace)
0 引言
转向架可以说是铁道车辆上最重要的部件之一,它直接承载车体质量,保证车辆顺利通过曲线。

但是由于转向架表面在加工过程中会不可避免的出现形变,因此,对转向架进行校直,对铁路运输有重要意义。

目前,关于平面校直的方法很多,其中由于液压系统因其体积小、易安装、功率密度大、可实现无级调速、响应快、可控制性强等诸多优点而被广泛应用于自动化领域。

从液压系统的组成来看,它不仅具有动力元件、执行元件、还有控制元件,以实现对整机各种动作的控制。

本文主要介绍了一种基于可编程逻辑控制器(PLC)的液压控制系统的设计,该系统主要用于在加工或热处理过程中表面产生变形的工件,在保留原有手动工作模式基础上,通过应用三菱公司的GT D esi gner软件及工业触摸屏,实现了自动监控功能,液压机的运行工况可通过触摸屏来检测与改变。

1 系统基本控制原理
本设计主要由液压系统、电气控制系统及人机界面三部分组成。

设计的最终目的是通过控制系统中的压力油进而控制主缸运动。

首先由上位机设定期望压力值,该压力在PLC中处理,运算后动作比例控制阀并产生工作压力,这时的压力值又经过传感器实时检测反馈给初始设定值,进行比较后再次送给中央处理器,从而实现了闭环控制,使压力控制过程更为精确。

图1为系统基本控制原理图。

图1 基本控制原理图
2 液压系统组成
机身由上横梁、滑块、工作台、立柱、锁紧螺母及调节螺母等组成,依靠4根立柱为支架,上横梁及工作台由锁紧螺母紧固于两端,滑块安装在上横梁与工作台之间。

公称力5000k N,滑块最大行程600mm,空行下载速度100mm/s,工作台有效面积左右2400mm,前后1800mm。

机器精度靠调节螺母及固定于上横梁上锁母来调整,滑块与主缸活塞杆由锁紧螺母联接,依靠四根立柱作导向上下运动。

作者简介:刘俊(1985 ),男,辽宁铁岭人,硕士研究生,研究方向为智能控制。

图2是液压系统原理图。

图2 液压系统原理图
2.1 动力系统
动力系统是整个液压系统的源头,主泵装置安装在油箱顶部,由一台高压柱塞泵、一台电动机、一个联轴器、及主泵支架等部件组成。

本系统设计为双泵工作,采用三相 异步电动机Y2 225S 4拖动,总功率37k W,这样可以提高系统运行效率,减少能耗,且采用油泵插入油箱内的竖直安装型式,很大程度上减小了动力系统的占地面积,省去了大量的泵吸油管道及阀门,减少了系统的外泄漏环节,而且在油箱上设有油温油污检测器等液压辅件。

主泵1支持液体最大工作压力为25M Pa,是一个高压、大流量恒功率泵(压力补偿)变量泵,辅助泵2主要用于供给电磁阀的控制油流,是一个低压小流量泵,其压力大小由溢流阀5调整,可控油在通过可控单向阀12并将其控制活塞推动后,才能通往其他阀件。

2.2 主控系统
2.2.1 比例阀控制
液压系统中压力必须与载荷相适应,才能既满足工作要求又减少动力损耗。

根据设计要求,压力建立控制阀采用美国OM EGA公司的DBET6系列的直动式比例溢流阀,可以随输入电信号强度的变化改变电磁铁的磁力,从而改变弹簧的压缩量,使锥阀开启。

但在实际操作中,因控制电压较小,需要加强外接电位计或PLC控制单元的信号输入,所以在比例阀前端安装了一种E M I A C型插头式电子放大器,元件最大功率消耗40W,供给最大电流2.7A,用户可以通过其内部发生器与配用的比例阀统调校准。

系统框图如图3:
图3 系统方框图
2.2.2 主缸动作
液压缸动作分为快下、慢下、保压、泄压以及回程五个动作。

以系统中主缸快速下行为例:如图2所示,主油路已用粗实线标出。

YA1,YA2,YA4,YA16同时通电。

1)YA16通电。

比例溢流阀17得电,插装阀18关闭,系统建立压力,由上位机设定的参数控制系统高压。

2)YA1通电。

电磁换向阀9换向,开启插装阀14,压力油经单向阀13进入主缸上腔,同时YA1并接的主缸下腔支撑电磁阀11接通,插装阀16开启,使得系统来油能够推动主缸活塞杆顺利下行。

3)YA4通电。

泵2接通,使液压油缸的下行以双油泵工作。

4)YA2通电。

电磁换向阀8换向,使插装阀19开启,使滑块处于无支承状态,在重力作用下向下运动。

经双泵供来的油液远远不能满足主缸上腔容积变化的需要,于是在主缸上行中产生负压,使得充液阀21开启,充液筒中的油液补入主缸上腔,以满足容积变化的要求。

2.3 低压充液系统
充液系统主要是在主缸快速下行时向主缸提供大量低压油液,并在回程时接收主缸的大量排油;液压机在加压工作时通过关闭高压工作缸与低压充液系统之间的连接来完成。

主缸回程时,由溢流阀4建立回程压,同时YA5得电,系统高压油通过插装阀15,16进入主缸下腔和充液阀21的控制腔,因压力较高,使上腔高压油顺利排出,滑块开始回程。

主缸进油在快下过程时已经说明,这里不再赘述。

2.4 循环系统
液压系统工作介质只有在一定的温度、清洁度范围内方可正常工作,所以系统必须设置循环系统对工作介质进行循环过滤及冷却控温。

这是由于液压传动设备约有总能耗20%左右的能量损失,而这部分能量中大部分都使得系统介质发热,过高的介质温度将大大降低液压元件的使用寿命且可能造成液压机瘫痪。

由于本液压机系统的总装机功率及工作介质容积均很庞大,所以只能设置旁路冷却过滤循环系统。

本机采用的通风机型号为SF B 4 4,风叶直径400mm,功率0 55k W,转速1450r/m in,风量5870m3/h,已足够满足系统冷却要求。

3 PLC控制系统设计
3.1 PLC控制结构
本系统采用三菱FX1n PLC为主控核心,完成了所有I/O和上位机信号的接收,并根据内部程序设计进行运算处理,控制18路JZX 22F/4Z型继电器开关量,从而完成对液压机的校直控制。

根据压制工艺的要求,本机设计有点动调整和半自动两种方式,其主要控制主缸的快速下行、慢速下行、保压、泄压以及回程等动作。

另外,泵站主电路,滑台控制与润滑泵主电路主要采用模块化控制方案,这样可以达到集中监控,分散控制的目的。

PLC控制结构图如图4所示:
图4 PLC控制结构图
3.2 数据检测
压力、位移都是模拟量,模拟信号输入时有一定干扰,数据输出时又要得到较稳定的数据,需要在AD模块内部进行处理,在检测过程中本系统对压力与位移采用了FX2n 2AD模拟量扩展模块,用于将两点模拟输入(电压输入和电流输入)转换成12位的数字值,并将这个值输入到PLC中,输出电流值为4~20mA,可使用数字值范围为 0~4000。

温度数据检测采用FX2n 4AD PT模块,其范围调节以数值化通信方式由设置在操作台上的触摸屏画面引导实现。

以压力检测为例,检测原理图如图5所示,本设计给出程序如下:
LD M8000
TO K0K17H0000K1//选择A/D输入通道1
TO K0K17H0002K1//CH1的A/D转换开始
F RO M K0K0K2M120K2//读取通道1的数字值
M OV K4M120D100//存储到D100
SUB D100K400D110//偏置值调整
D I V D110K40D111//增益调整
图5 压力检测原理图
3.3 PLC控制对象
本设计的下位机是由PLC实现电磁换向阀的控制,并把控制数据实时反馈给触摸屏,PLC通过FX2n 2DA模块完成液压系统各种回路的动作要求。

PLC的直接控制对象为:比例溢流阀17;电磁换向阀6,7,9,10,11(图2)。

同时,对于液压泵站、滑台拖动变频器及润滑泵主电路的控制,也单独设计出来,真正实现模块化管理。

部分输出控制接线图如图6所示。

考虑到控制系统操作的直观简易性及安全性,增加了下行指示灯Y21;回程指示灯Y22;自动指示灯Y24;红外报警灯Y25及油温油污报警Y26等。

图6 输出接线图
4 人机界面设计
本设计采用的触摸屏是三菱GOT1000型12寸彩色工业触摸屏,安装在电气控制箱上,支持GT D esi gner3的编程。

GT D esigner3是三菱公司提供的人机界面编程软件,它提供了多种控制器件和功能组件,能组合各种显示和控制功能。

触摸屏软件设计包括界面设计和信息链接,设计步骤可分为以下三步:
1)界面的可视化设计。

界面组态具体涉及输入/输出区域组态,指示器组态、功能键组态及文本显示等各种格式。

可以根据实际控制要求设计不同的界面。

2)设定变量。

变量在触摸屏的组态功能与PLC的响应I/O接点及存储单元之间建立联系,实现触摸屏敏感元件对PLC参数的输入,PLC当前值及报警信号向触摸屏的输出。

3)最后设置通讯参数实现触摸屏同PLC之间的通信。

本设计给出手动和自动控制部分界面设计,如图7与图8所示:
5 结语
由于PLC具有硬件技术成熟,功能强大,可靠性高,
抗干扰能力强等特点,因为本设计是闭环控制,提高了控
制精度,将它运用到平面校直机中,保证了系统的控制功
能,而且具有运行稳定可靠、性价比高、维护成本低等优
势,加之触摸屏人机界面设计,在实际应用中有很高的推
广价值。

参考文献:
[1]刘守操.可编程序控制器技术与应用[M].北京:机械工业出
版社,2006.
[2]邓星钟.机电传动控制[M].武汉:华中科技大学出版社,2001.
[3]杜巧连.液压传动[M].杭州:浙江科学技术出版社,2005.
[4]周恩涛.可编程控制器原理及其在液压系统中的应用[M].
北京:机械工业出版社,2003.
[5]日本电气株式会社.GOT1000画面设计手册[Z].日本:三菱
公司,1999.
收稿日期:20100527
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机械制造与自动化 杂志编辑部
2009年2月。