基于PLC的液压机控制系统设计.pdf

电气技术与自动化 刘俊， 等 基于P L C的液压机控制系统设计 基于 P L C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 1 1 6 0 2 8 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 P L C与工业触摸屏的电气控制系统整体结构， 设计采用三菱 F X1 N P L C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 P L C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 T H 1 3 7 ； T M 5 7 文献标 志码 B 文章编号 1 6 7 1 - 5 2 7 6 2 0 1 1 0 1 - 0 1 5 7 - 0 4 Co nt r o l Sy s t e m De s i g n o f Hy dr a u l i c Pr e s s Ba s e d o n PLC L I U J u n． L I We n E l e c t r ic a l a n d I n f o r ma t io n I n s t it u t e ， D a l ia n J ia o t o n g U n iv e r s it y ，D a l i a n 1 1 6 0 2 8 ， Ch in a Ab s t r a c t T o ma k e u p f o r t h e s h o rt a g e i n t h e t r a d it io n a l c o n t r o l s y s t e m f o r h y d r a u l ic p r e s s ， t h i s p a p e r c o n s t r u c t s t h e o v e r a l l s t r u c t u r e o f ele c t d e al c o n t r ol s y s t e m b as e d o n PL C a n d i n du s t r i a l t o u c h s c r e en ．I n o r de r t o mak e t h i s s y s t e m h as b e Re r p erf or man c e a n d h u- man iz ed o p er a t ion i n t erf a c e． Mi t s u b i s h i FX1 N PLC is u s e d a S t h e c or e t o r e ali z e it s f u n c t i o n d a t a e x c h an g e wit h PC． t h e c on t ml o f t h e p er i p h e r a l h a r d war e c i r c uit s a n d i n t er n al v alv e s， an d t h e da t a d e t e c t i o n in t h e p r es s u r e， d i s p la ce men t an d t emp er a t ur e．An d it a l s o o f - f er s t h e d e s i g n o f t h e c o r r e s p on d i n g PL C pr o c e du r e an d p ar t of t h e P C i n t erf a c e de s ign ．Run n i n g r e s u l t s h o ws t h a t c omp ar e d wit h t h e t r a dit io n al d es ign， t h e s y s t em n o t o n l y c a n r e ali z e t h e au t o ma t i c o p t i ma l o p emt ion， b u t als o c a n me e t t h e p e rfo r ma n c e mq u i ra- me n t s f o r ma n u a l c o n t r o l a n d imp r o v e wo r k e ff i c ie n c y ．T h is is a t y p ic a l a p p l ic a t io n o f me c h a n ic a l a n d e l e c t r i c a l in t e g r a t io n ． Ke y wo r d s h y d rau l ic c o n t r o l ； e le c t r i c a l c o n t r o l ； P L C； d a t a d e t e c t i o n； H MI H u ma n Ma c h i n e I n t e rf a c e 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 P L C 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 G T D e s i g n e r 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 P L C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 5 0 0 0 k N， 滑块最大行程 6 O O m m， 空行下载速度 1 0 0 m s ， 工作台有效 面积左右 2 4 0 0 n l l n ， 前后 1 8 0 0 1 1 “1 1 1 1 。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 1 9 8 5 一 ， 男， 辽宁铁 岭人 ， 硕士研究生 ， 研究方 向为智能控制。 Ma c h i n e B u i l d i n gg Au t o m a t io n ，F e b 2 0 1 1 ， 4 0 J 1 5 7一 ] 6 0 1 5 7 电气技术与 自动化 刘俊 ， 等 基于 P L C的液压机控制 系统设计 图 2 是液压系统原理图。 l 一变量泵； 2 辅助泵；3 、 4 溢流阀； 5 ～调压阀； 6 安全阀； 7 、 8 、 9 、1 0 、l 1 一电 磁换向阀；1 2 、1 3 一单向阀；1 4 、1 5 、1 6 插装阀 二通1 l 7 一比例溢流阀；1 8 、l 9 插装阀 三通 ；2 O 一压力表； 2 I 一充液阀；2 2 一充液筒； 2 3 一主缸； 2 4 一节流阀；2 5 一主缸滑块 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 Y 2 - 2 2 5 S - 4拖动 ， 总功率 3 7 k 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 2 5 M P a ， 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 1 2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 0 M E G A公 司 的 D B E T 6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 P L C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 4 o w， 供 给最大 电流 2 ． 7 A， 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 I 兰 h 放 大 器 斜 坡 死 区 增 益 电 流 放 大 堕 笪 f 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。Y A 1 ， Y A 2 ， Y A 4 ， Y A1 6同时通电。 1 Y A 1 6通 电。比例溢 流 阀 1 7得 电， 插 装 阀 l 8关 闭， 系统建立压力， 由上位机设定的参数控制系统高压。 2 Y A1 通电。电磁换向阀9换向， 开启插装阀1 4 ， 压 力油经单 向阀 1 3进入主缸 上腔 ， 同时 Y A 1并接的主缸下 腔支撑电磁 阀 1 1 接通 ， 插装 阀 1 6开启 ， 使 得系统来 油能 够推动主缸活塞杆顺 利下行 。 3 Y A 4通电。泵 2接 通 ， 使 液压油缸 的下行 以双油 泵工作。 4 Y A 2通电。电磁 换 向 阀 8换 向 ， 使 插 装 阀 1 9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2 l 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 Y A 5得电， 系统高压油通过插装阀1 5 ， 1 6进入主缸下腔和 充液阀2 l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 2 0 ％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 s F - B - 4 _ 4 ， 风 叶 直 径 4 0 0 m m， 功 率 0 ． 5 5 k W， 转速 1 4 5 0 r ／ m i n ， 风量 5 8 7 0 m ／ h ， 已足够满足 系统冷却要求。 1 5 8h t t p ∥Z Z HD ． c h i n a j o u rna 1 ． n e t ． c n E - ma i l Z Z H Dc h a i n a j o u ma 1 ． n e t ． c n 机械制／ t t -自动化 电气技术与自动化 刘俊， 等 基于P L C的液压机控制系统设计 3 P L C控制系统设 计 3 ． 1 P L C控 制结构 本系统采用三菱 F X 1 P L C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 1 8路 J Z X- 2 2 F ／ 4 Z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。P L C控制 结构图如图 4所示 工业控制用触摸屏 站双泵 变频控制I l 主电路l 差1 2 寸彩屏 I 主电路 可变程序控制器 D A 模块 AD 模块 A D 模块 MI T S UBI S HI F X1 一 6 0 MR F X2 一 2 DA F X2 ． 2 AD FX2 一 4 AD PT 、 、 I 工 f 液 压 I按 钮 与 l 油 污 fi比 例 阀 I簇 f { 温 度 I控 制 阀 l指 示 灯 I传 感 器 Il 控 制 传 感 器 图 4 P L C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 A D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 F X 2 - 2 A D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 1 2位的数字值， 并将这个值输入到 P L C中 ， 输出电流值 为 4～2 O mA， 可 使用 数 字值 范 围为 0 4 0 0 0 。温度数 据检测 采用 F X 2 - 4 A D P T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 L D M8 0 0 0 T O K 0 K I 7 H 0 0 0 0 K1 ／ ／ 选择 A ／ D输入通道 1 T O K 0 K1 7 H 0 0 0 2 K 1／ ／ C H1的 A ／ D转换开始 F R O M K 0 K 0 K 2 M1 2 0 K 2／ ／ 读取通道 1的数字值 M O V K 4 M1 2 0 D 1 0 0／ ／ 存储 到 D1 o o S UB D I O 0 K 4 0 0 D1 1 0／ ／ 偏 置值调整 D I V D 1 1 0 K 4 0 D1 1 1／ ／ 增 益调整 图 5 压 力检测原理 图 3 ． 3 P L C控 制对 象 本设计的下位机是由 P L C实现电磁换 向阀 的控制 ， 并 把控制数据实时反馈给触摸屏 ， P L C通过 F X 2 - 2 D A模块完 成液压系统 各种 回路 的动作要 求。P L C的直接控 制对象 为 比例溢流 阀 1 7 ； 电磁换 向阀 6 ， 7 ， 9 ， 1 0 ， 1 1 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 Y 2 1 ； 回程指示 灯 Y 2 2 ； 自动 指示灯 Y 2 4 ； 红外报警灯 Y 2 5及油温油污报警 Y 2 6等。 V v V v V V I 2 4 V lC O M lc o M d Y 0 I c o M l IY 1 l c 0 M 2 IY 2 IY 3 1 ]C O M 3 ] Y 4 l Y 5 I Y 6 l Y 7 I Ic 0 M 4 l Y 1 0 I Y l 1 I Y l 2 l Y l 3 l lc o M 5 l Y 1 4 I Y 1 5 IY l 6 lY l 7 lY 2 0 Ic o M 6 } Y 2 1 1 Y 2 2 IY 2 3 卜 2 4 2 5 1Y 2 6 lY 2 7 I 6 O T 蒌 占 川 占 占 24、一 4 人机界面设计 图 6 输出接线图 本设 计采用 的触 摸屏 是三菱 G O T 1 0 0 0型 1 2寸 彩色 工业触 摸屏 ， 安装在 电气控 制箱上 ， 支持 G T D e s i g n e r 3的 编程 。G T D e s i g n e r 3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 Ma c h i n e B u i ld in g口 Au t o m a ti o n ，F e b 2 0 1 1 ， 4 0 J 1 5 7 1 6 0 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 P L C的响 应 I ／ 0接点及存储单元之间建立联系 ， 实现触摸屏敏感元 件对 P L C参数 的输入 ， P L C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P L C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 1 5 9 电气技 术与 自动化 刘俊 ， 等 基 于 P L C的液压机控制 系统设计 图 7 手动部分界面设计 图 8自动部分界面设计 5 结语 由于 P L C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 ， 2 0 0 6 ． [ 2]邓星钟．机电传动控制[ M] ． 武汉 华中科技大学出版社， 2 0 0 1 ． [ 3]杜巧连．液压传动[ M] ． 杭州 浙江科学技术 出版社 ， 2 0 0 5 ． [ 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 ， 2 0 0 3 ． [ 5 ]日本 电气株式会社 ． G O T 1 0 0 0画 面设计 手册 [ z ] ．日本 三菱 公 司 ． 1 9 9 9 ． 收稿 日期 2 0 1 0 0 52 7 本 刊 公 告 为使广大科技工程人 员更方便地检索 机械制造与 自动化 的科技 信息， 扩大信息共享范围， 本刊 自2 0 0 3年第三期起 即已在“ 万方数据． 数 字化期刊群 ” 全 文上 网。开放站 点为 h t t p ／ ／ w w w ． p e r i o d i c a l s ． C O B． c n h t t p ／ ／ w w w ． w a n f a n g d a t a ． C O B ． c n 欢迎 广大读者 、 网友 、 同行和客 户上 网访 问、 检 索和 交流。 上 网后 ， 本刊论文将得 到更加广 泛 的学术 交流 ， 进 一 步促 进机 电行 业的科技进步。凡向本刊投稿者， 如无事先特别 申明， 即表示同意其论 文 上 网 。 机械制造与自动化 杂志编 辑部 2 0 0 9年 2 月 1 6 0 h t t p ／ ／ Z Z H D． c h i n a i , u r n a 1 ． n e t ． c n E - m a i l Z Z HD c h a i n a j o u ma 1 ． n e t ． c n 机械 制造与 自动化