基于PLC的液压平移升降控制系统

基于PLC的液压平移升降控制系统
虞军胜,曾良才,沈全成,李良
PLC-Based Hydraulic Parallel Move and Lift Control System
YU Jun-sheng,ZE NG Liang-cai,SHEN Quan-cheng,LI Liang
(武汉科技大学机械自动化学院,湖北武汉430081)
摘要:文章分析了液压平移升降控制系统的工况,提出运用增量PID与积分分离PID相结合的方法,实现了对模拟量的闭环控制,给出了相应的程序流程图。

关键词:PLC;PID;闭环控制;控制系统
中图分类号:TH13717文献标识码:B文章编号:1000-4858(2005)06-0048-03
0前言
某热轧厂步进梁式加热炉,步进梁的运动采用液压传动。

在步进加热炉里,钢坯的移动是通过固定梁和载有钢坯的移动梁进行的。

步进梁的运动轨迹为矩形,由升降机构的垂直运动和平移机构的水平运动组合而成,移动梁相对于固定梁作上升、前进、下降、后退这4个动作。

这4个动作构成步进梁的一个运动周期,每完成这样一个周期,钢坯就从装料端向出料端前进一个行程。

因此,控制平移和升降动作的平稳性和可靠性是步进梁正常工作的关键。

本系统的液压控制采用比例变量泵控制非对称缸系统,具有容积效率高等优点。

在电控方面,采用德国某公司的SI MATIC S7-300可编程序控制器(PLC),它具有功能强、速度快、模块化、扩展灵活、易于实现分布式的配置以及易于掌握等特点,可以通过现场总线PROFIB US对操作过程采取冗余控制,还可以通过程控交换机与上位机交换信息,实现远程操作和控制的功能。

本系统使用STEP7软件对S7-300进行编程,STEP 7是用于SIMATIC PLC组态和编程的基本软件包,它主要包括SI MATIC管理器、程序编辑器、符号编程器、硬件组态、硬件诊断、NetPro等组件,使用起来简单、方便。

将PLC应用于控制步进梁的平移和升降动作,可将电子控制和液压控制的优点有效地结合起来,达到系统响应快、可靠性高等预期效果。

1液压系统的工作原理
由于步进梁自重>400t,带负载重>1000t,质量很大,并且要求在70s左右的时间内完成一个周期的运动,周期短、运动速度高,所以采用液压传动系统。

在这个系统中,采用基于PLC的模拟量来驱动比例阀,控制比例变量泵的活塞运动到相应位置,液压泵给系统供油,同时主泵斜盘倾角通过位移传感器进行测量,转换为电信号,送入比例放大器作为闭环控制的反馈信号,流量控制精度高。

液压系统工作原理图如图1所示。

图中,1号、2号泵组仅仅给升降缸供油,3号、4号泵组既可以给升降缸供油,也可以给平移缸供油。

在系统工作过程中, 3台泵工作1台泵备用(图中1号、2号、4号泵工作,3号泵备用),任意组合3种泵都可以满足步进梁的周期性的上升)前进)下降)后退运动。

升降运动时,3台泵工作,水平运动时,1台泵工作。

当电磁铁1YA、2YA、4YA都通电时,1号泵、2号泵、4号泵打出的油才不会经过梭阀3流回油箱。

根据电磁铁的通、断电情况,分析步进梁上升、前进、下降、后退4种不同工况:
收稿日期:2004-12-22
作者简介:虞军胜(1980)),男,湖北省大冶市人,硕士研究生,主要从事电液伺服系统及智能控制、计算机应用的研究工作。

(1)上升工况电磁铁1YA、2YA、4YA都通电,1号泵、2号泵、4号泵同时向系统供油。

平移升降切换电磁阀11处于断电状态,液动换向阀10处于左位,4号泵出来的油液和1号、2号泵出来的高压油汇合,给升降缸供油,使步进梁上升。

(2)前进工况电磁铁1YA、2YA都断电,1号泵、2号泵打出的油经过梭阀3流回油箱。

电磁铁4YA通电,4号泵向系统供油。

平移升降切换电磁阀11处于通电状态,推动液动换向阀10处于右位,4号泵出来的高压油液单独给平移缸供油,使步进梁前进。

(3)下降工况电磁铁1YA、2YA、4YA都通电,1
48液压与气动2005年第6期
号泵、2号泵、4号泵同时向系统供油。

平移升降切换电磁阀11处于断电状态,液动换向阀10处于左位,4号泵出来的油液和1号、2号泵出来的高压油汇合,给升降缸供油,使步进梁下降。

(4)后退工况 电磁铁1YA 、2YA 都断电,1号泵、2号泵打出的油经过梭阀3流回油箱。

电磁铁4YA 通电,4号泵向系统供油。

平移升降切换电磁阀11处于通电状态,推动液动换向阀10处于右位,4号泵出来的高压油液单独给平移缸供油,
使步进梁后退。

11比例变量泵 21溢流阀 31梭阀 41二位二通电磁换向阀
51截止阀 61单向阀 71节流阀 81升降缸91平移缸 101液动换向阀 111二位四通电磁换向阀
121位移传感器 131比例阀
图1 液压系统工作原理图
2 PLC 控制系统的硬件构成
本套系统采用可编程序控制器(PLC)为控制中心,组成一个闭环控制系统,对多个被控参数进行分段巡回检测,主要通过控制液压电磁阀的通断,来控制液压系统的流量及压力的大小,完成所需的动作过程。

PLC 控制系统的硬件构成如图2所示。

具体构成如下:采用PS 30710A 型号电源对PLC 供电;CP U 选用CPU 315-2DP 起处理作用;采用模拟量输入模块SM331(3个)和模拟量输出模块SM332(4个)处理模拟信号;采用数字量输入模块SM321(2个)和数字量输出模块SM322(1个)处理数字信号。

在图2中,通过C PU 、I/O 单元、A/D 和D/A 转换、检测机构以及执行机构构成了一个带反馈的控制闭环回路。

通过这个闭环回路,根据PLC 的运行指令控制液压系统的流量和压力,进而控制步进梁的平移和升降速度,从而满足整个工艺流程的需要。

3 控制算法的实现
本系统使用STEP 7软件对S7-300进行编程。

在
编程时,采取增量式PID 算法和积分分离的PID 算法相结合,对平移和升降的速度进行精确控制。

计算机控制系统是采样控制系统,只能由采样时间的偏差值来计算控制量,根据图2所示,数字PID 的描述公式为
:
图2 硬件构成框图
p (n)=k p {e(n)+
T 0
T I
E n
j=0
e(j )+
T D
T
[e(n)-e(n -1)]}式中 T 0)))采样周期
T I ,T D )))分别为积分、
微分时间常数
图3 PID 控制流程图
增量式PID 算法,只与最近几次采样偏差值有关,节省内存和运算时间,并且在计算中不作大量累加,计算误差对控制量影响小。

但由于增量式PID 算法中的
积分作用易产生过大超调,对系统的动态性能有不良影响。

特别是在系统启停阶段和有大幅值进给时,积分作用会引起系统振荡,影响整个系统性能。

所以,我们在这种情况下就采用积分分离的PID 算法,只加比例、微分运算,取消积分校正。

具体的PID 控制流程图如图3所示。

49
2005年第6期液压与气动
气压紧辊脱壳机的工作原理及其气动系统设计
胡志刚,张永林,刘协舫
De-hulling Principle and Pneumatic System Design of the
De-huller with a Pneumatic Roller Tightener
HU Zh-i gang,ZHANG Yong-lin,LI U Xie-fang
(武汉工业学院,湖北武汉430023)
摘要:辊式脱壳机是一类广泛应用于大宗农副产品脱壳作业的主力机型,在介绍脱壳机工作原理和工作过程的基础上,重点阐述了一种采用气动方式进行紧辊操作的脱壳机的结构和特点,并给出了其气动系统的设计方案。

关键词:脱壳机;工作原理;气动紧辊装置;系统设计
中图分类号:TH13817文献标识码:B文章编号:1000-4858(2005)06-0050-03
辊式脱壳机是一类广泛应用于稻谷[1]、豆类种子[2]、坚果类籽实[3]以及其他类似的具有相对松弛外壳农副产品物料的脱壳作业的一类机械设备。

与其他类型的脱壳机比较,辊式脱壳机最大的优越性在于其巨大的生产能力即处理量方面,这正是工业化生产所应具备的特性。

而且,辊式脱壳机可以在机器的主体构造不变的前提下,通过辊型、辊面材料、辊表面形貌的改变或者通过脱壳作业时脱壳辊运动参数的变更,使一台机器相对柔性地用于各种不同物料的脱壳中。

辊式脱壳机的种类很多,按其紧辊方式分类有手动紧辊、压砣紧辊、液压紧辊和气压紧辊等形式。

气压紧辊脱壳机具有辊间压力稳定,压力调整方便,能吸收脱壳过程中的振动和冲击,机器噪声低,作业无污染等优点。

因而,近年来已成为脱壳机械中的主力机型,而且随着气压技术的发展,气压紧辊脱壳机将会越来越广泛地获得应用。

本文着重介绍气压紧辊脱壳机的结构、工作原理以及其气动系统的设计方案。

1气压紧辊脱壳机结构
气压紧辊脱壳机[4]一般由进料装置、紧辊机构、脱壳机构、传动装置、气动系统以及仁壳分离装置等部分组成。

多数脱壳机自带一体化的仁壳分离器,也有把仁壳分离器作为另一个独立装置应用的情况。

气压紧辊脱壳机各部分要完成的功能和具体构成为:¹主要执行脱壳作业的部件为两平行排列的脱壳
收稿日期:2004-12-09
作者简介:胡志刚(1974)),男,湖北武汉人,讲师,在读博士生,主要从事机械产品创新设计、机械系统动力学等方面的科研和教学工作。

积分分离控制的基本思路是:当被控量与设定值偏差较大时,取消积分作用,以免由于积分作用使系统稳定性降低,超调量增大;当被控量接近给定值时,引入积分控制,以便消除静差,提高控制精度。

在本系统中,由于步进梁的自重很大,系统的启停很难控制;另外,平移和升降的速度以及切换的平稳性,也是控制的难点所在。

我们通过采用积分分离的PID控制思想,改善了系统的控制性能,减少了超调量,缩短了调整时间,很好地解决了这些难题。

4结束语
在本系统中,我们先了解了液压系统的组成以及要求的工况,灵活使用了PLC,组成了控制精度高及响应快的电液比例闭环控制系统,且其PID算法的实现是在STEP7的程序中实现的,灵活性高、成本低。

实践证明,此系统的运行平稳可靠,设计思想具有一定的推广价值。

参考文献:
[1]刘金琨.先进PID控制及其MATLAB仿真[M].北京:电子
工业出版社,2000.
[2]郑晟,巩建平,张学.现代可编程控制器原理与应用[M].
北京:科学出版社,1999.
[3]唐颖英,顾佳秋.用可编程控制器实现闭环PLC调节功能
[J].合成技术与应用,1998(3).
50液压与气动2005年第6期。