基于PLC与组态技术的变转速液压系统设计.pdf

2 0 1 3年 4月 第 4 l 卷 第 7期 机床与液压 MACHI NE TOOL HYDRAULI CS Ap r ． 2 01 3 Vo 1 ． 41 No ． 7 D O I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 3 8 8 1 ． 2 0 1 3 ． 0 7 ． 0 3 7 基于 P L C与组态技术的变转速液压系统设计 解甜 ，许军，彭天好 安徽理工大学机械工程学院，安徽淮南2 3 2 0 0 1 摘要在液压综合实验台的改造设计中采用三菱 F X I N系列 P L C进行控制，用 P c作为上位机实时监控整个控制系统 ， 用 P L C作为下位机在现场控制仪器设备，构建一个简单、直观的液压换向回路，实现了机电液一体化的完美结合。 关键词组态软件 ；P L C；泵控马达；变转速；监控系统 中图分类号T P 3 9 1 ． 8 文献标识码B 文章编号1 0 0 1- 3 8 8 1 2 0 1 3 71 2 8- 3 De s i g n o f Va r i a b l e Sp e e d Hy d r a u l i c S y s t e m Ba s e d o n Co n fig u r a t i o n Te c hn o l o g y a nd PLC XI E T i a n。XU J u n。P ENG T i a n h a o S c h o o l o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ，A n h u i U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ， Hu a i n a n An h u i 2 3 2 0 0 1．C h i n a Ab s t r a c t I n t h e d e s i g n o f h y d r a u l i c i n t e g r a t e d e x p e r i me n t a l p l a t f o r m，t h e p r o g r a m m a b l e l o g i c c o n t r o l l e r P L Ci n MI T S U B I S H I F X1 N s e ri e s w a s u s e d t o c o n t r o l ，t h e p e r s o n a l c o m p u t e r P C w a s u s e d a s u p p e r f o r m o n i t o ri n g t h e e n t i r e c o n t r o l s y s t e m i n r e a l t i me ， a n d t h e P L C wa s u s e d a s l o w e r t o c o n t r o l i n s t r u me n t s a n d e q u i p me n t s o n s i t e ．A s i mp l e i n t u i t i o n al h y d r a u l i c s w i t c h i n g c i r c u i t i s c o n s t ruc t e d，a n d p e r f e c t u n i t y i s i mp l e me n t e d for i n t e gra t i o n o f h y d r o me c h a t r o n i c s ． Ke y wo r d s C o n fi g u r a t i o n s o f t wa r e；P L C；P u mp c o n t r o l mo t o r ；Va r i a b l e s p e e d； Mo n i t o rin g s y s t e m 随着流体力学 、自动控制、计算机等技术 的不 断 发展，液压传动技术已经发展成为包括传动、控制、 检测技术、机电一体化的一门完整的自动化技术，并 且在工业生产、设备控制等各个方面都得到了广泛应 用。传统的节流调速回路存在较大的溢流损失和节流 损失，液压系统的功率效率很低，一般只用于小功率 的液压系统中。将电动机变转速技术应用于液压系统， 构成变转速液压驱动系统，可以简化液压回路，减少液 压系统的能量损失，提高系统效率，降低噪声等 。 变转速液压调速系统以变频 电机驱动液压泵为动 力源，加载泵模拟实际的工作负载 ，利用电信号对压 力 、转速等参量进行 控制 。它具 有 良好 的调速 性能 、 机械特性、高调速比和高可靠性，控制器变转速液压 调速系统以组态和 P L C为主，具有编程简单、更符 合人性化的人机界面、维护方便、稳定性好等优点， 且可以同时控制多个参量 ，顺应了泵控马达变转速液 压技术 的发展趋势 。 1 变转速实验系统介绍 控制系统是变转速液压调速系统的核心，其设计 水平决定着整个系统完成任务的效率和质量。为了提 高变转速液压调速系统的稳定性，利用可编程控制器 对变转速液压调速系统进行控制，能够实现各个工作 模式的状态灵活转换、各种工作状况的实时监控、系 统在异常情况下的及时报警、各种系统的参数和报警 事件的保存打印等功能。该测控系统根据各参数的变 化 ，对变频器、比例方向阀和比例溢流阀进行控制， 实现控制 的 目的。 在该实验系统 中构建基于组态和P L C的监控系 统，能够实现对变转速液压调速系统的实时数据采 集，实时决策和实时控制。 1 ． 1 实验 装置 原理 泵控马达变转速调速系统是变转速液压调速系统 的一种基本传动系统，主要由变频器、电动机、马 达 、流量控制阀和泵组合 而成 。 实验系统原理如图 l 所示。工频三相电源接入配 电柜，由配电柜接入变频器 1 的输入侧 ，变频器 1 将 工频三相电 3 8 0 V ／ 5 0 H z 转换成电压信号提供给 三相异步电机 2 ，控制异步 电机拖动定量泵 3旋转 ， 输出一定流量的液压油 ；液压油经过单向阀4和截止 阀5到达比例方向阀7 ，由比例方向阀7开度确定有 多少流量的液压油流向马达 8 ，从而使马达 8作回转 运动，马达 8出油口的低压油经过 比例方向阀回油 箱；同时马达输出轴通过内齿形弹性联轴器与惯量轴 相连，在惯量轴上装有惯性轮9 ，惯量轴通过皮带和 旋转编码器 1 0连接 ，惯量轴的另一端用 内齿形弹性 联轴器与加载泵 1 1 的输出轴相连。柱塞泵 1 1 进油 口 是低压油，出油 口是高压油，通过调节 比例溢流阀 1 5的阀 口开度 大小 ，来 改变 负载压 力 的大小 ，同时 收稿 日期2 0 1 2 0 31 5 作者简介解甜 1 9 8 4 一 ，女，硕士，讲师，研究方向为精密机械与测量。Em a i l x i e t i a n x p 1 6 3 ． c o rn 第 7 期 解甜 等 基于 P L C与组态技术的变转速液压系统设计 1 2 9 电机 1 4拖动补油泵 1 3向模拟负载系统补油 补油作 用 ，防止柱塞泵 1 1 吸空 ，引起负载 系统振荡 。旋转 编码器 1 0的输出脉冲信号通过航空接头接人调制电 路 ，调 制电路把旋转编码器差动信号输 出转换 成集 电 极输出，调制电路输出的信号接人 P L C 2 0的高速计 数端，经过 P L C处理后送给计算机 1 7 ，计算对这些 信号进行采集、显示和相关处理。 l 一变频器2 一 电机3 一 主泵4 一单向阀s _ _ 截止阀6 一压 力传感器 7 ～ 比例方 向阀8 一 马达争 一惯性轮l 0 一旋转编码器l l 一柱塞泵 l 2 一倒装阀 l 3 一补油泵1 4 一电机l s 一比例溢流阀 l 6 _ _ A ， D 转换器 l 7 ～计 算机控制系统l 8 ～D ， A 转换器l 9 一溢流 阀2 O P L c 图 1 实验装置原理图 1 ． 2电控 系统硬 件 设计 该电控系统的硬件主要 由配电柜、交流接触器、 空气开关 、变压器 、电缆、插头、插座、P L C，稳压 器 、P C机等组 成 。根据 变转 速液压 调速 系统 的要 求 选用 A B B公 司 型号 A C S 8 0 0 - 0 1 -- 0 0 7 0 - 3P 9 0 1的变 频 器、K E L L E R型的压阻式压力、三菱 F X 1 N - 6 0 MR型 的P L C、 B O S C H 公司 型 号 为D B E E 1 0 - 5 1 ／ 3 5 0 Y G 2 4 N K 3 1 M 的 比 例 溢 流 阀、B O S C H 公 司 型 号 4 WR E 1 0 E 2 5 ． 2 X ／ G 2 4 K 3 l ／ A 1 V的 比例方 向阀。 泵控马达变转速调速系统的信号源主要有液压系 统的主油泵出口压力传感器信号、马达的进 口压力传 感器信号、负载泵的进出口压力传感器信号和马达的 转速信号。在工作期间，变转速液压调速系统按照设 定的控制程序进行。其硬件组成图如图2 。 图 2 泵控 马达变转速系统组成 1 ． 3 电控 系统 的软件 设 计 基于世 纪星和 P L C泵控 马 达变 转速 调 速 系统 的 软件包括 P L C实时监控系统 和工控 机远程监 控软件 ， 前者 主要是 实时监测 现场的压力及转速数据 ，利用一 定算 法实时控制变频器的输 出频率 ，改变主液压泵转 速 ，同时控 制 比例方 向阀 的开度和 比例溢流 阀的工作 压力 ，后者主要实现对现场压力 和电动机及变频器运 转等 的远程监控 。 该系统 的编程软件采 用三菱公 司 的 G X D e v e l o p e r 8 ． 8 6版本 ，主要 完成 系统 的数据采 集 、采 样 、控制 及保护等功能的程序。根据系统控制要求将系统的控 制过程分解 为主液压泵启 动 、补 油泵启 动 、比例方向 阀、比例溢流阀和系统报警等工作状态。依照各状态 的控制顺序与要求，编写各状态的功能、转移条件和 转移 方 向，如图 3 所示 。 厂■ 初始 化 主液 压 泵 电机启 动 二二二工二二二 补 油 泵 电机 启动 二二二工二二二 比例溢 流 阀工 作 压力 二二二工二二二 比例方向阀开度 采 集 压力 、 转速 信 息 将信 息 上传 到 P L C 型 墨 竺 苎 妻 Y 厂 图3 P L C控制程序流程 2工控机远程监控软件 组态软件指一些数据采集与过程控制的专用软 件，它们是在 自动控制系统监控层一级的软件平台和 开发环境 ，能 以灵活多样 的组态 方式 提供 良好 的用户 开发界面和简捷的使用方法 。系统主要实现对泵控 马达变转速调速系统的在线监测。对于选定的监测对 象进行数 据 的采 集 、制 作 出便 于观 察 的实 时趋 势 曲 线、历史趋势曲线 、实时报警 、历史报警、实时报表 和历史报表 以及数据的保存 。系统组态仿真程序设计 如图 4所示 。 开 始 建立 仿 真 界面 调 入 组态 画 面运 行程 编制脚本程序 与P L C交 换 数据 及控 制 命令 判 别 系统 目前状 态 发 出控 制状 态 信 号 亟 菱 厂 赢一 Y ● 图4 组态仿真程序设计 1 3 4 机床与液压 第 4 1卷 F F F F F F ， F F ， ， 0 l F 2口 1口 2 4 s口 6 辟 7 a s 4 ，口 1 0 4 1 l 口 1 2口 1 3辟 l 4 表 3 根据推理约束矩阵 3 、 4 得到的 3种可能的方案 图4 推理矩阵与约束矩阵 砖F 方案 1 1 0 0 0 1 0 1 0 1 1 方案 2 1 0 0 0 1 0 0 1 1 1 方案 3 1 0 0 0 1 0 1 1 1 1 针对方案 1 ，使用布尔矩阵[ F A 1 ， 1 ， 0 ； A 1 ， 1 ， 0 ] ，[ F A 1 ， 2 ， 0 ； A 1 ， 2 ， 0 ] 进行推理可以得 到 l 6组符合要求 的方案，分别为 n ， n ， o 。 ， o ， l 4 ； 3 ， C I , 8 ， 0 1 0 ， C l, l 2 ， n l 4 ； 。 3 ， 0 7 ， 口 1 0 ， 口 1 3 ， 0 l 4 ； 3 ， 0 8 ， C I, 1 0 ， l 2 ， 口 1 4 ； 0 4 ， 0 7 ， 。 l 0 ， 口 l 2 ， 口 1 4 ； 0 4 ， 口 8 ， e l, 1 0 ， C t, 1 2 ， 0 1 4 ； 口 4 ， n 7 ， 0 1 0 ， 0 1 3 ， 口 14 ； 。 4 ， 。 8 ， 0 1 0 ， 0 l 3 ， 0 i 4 ； 口 5 ， 0 7 ， 0 l 0 ， 0 l 2 ， 0 l 4 ； 0 5 ， 0 8 ， 0 1 0 ， 口 1 2 ， 。 l 4 ； a 4 ， 口 7 ， 口 1 0 ， 0 1 3 ， 0 1 4 ； 口 4 ， 口 8 ， 0 l 0 ， 口 1 3 ， 。 1 4 ； 0 6 ， 0 7 ， l 0 ， 0 l 2 ， l 4 ； a 6 ， 口 8 ， 口 l 0 ， 。 l2 ， 口 14 ； 口 6 ， 口 7 ， C I, l 0 ， 口 1 3 ， 口 l 4 ； 口 6 ， 口 8 ， 口 1 0 ， 0 i 3 口 1 4 。同理 ，对方案 2 、3使用 布尔矩阵 3 、 4 部分进行推理，可以得到符合 要求的方案组合。 5结论 分析了连杆清洗主要工艺过程后，利用多色集合 基本理论 ，对连杆清洗夹具建立了包含约束关系的递 阶结构功能方法树模型，并对该模型进行了形式化。 利用推理矩阵和约束矩阵对夹具概念设计方案进行了 推理 ，得出了一系列可行的方案元素组合 ，为下一步 的方案优化提供了前提条件。 参考文献 【 1 】 茅志玉， 张慧萱， 吴玉兰． 一种气动式连杆铣夹具的设计 [ J ] ． 机械制造， 2 0 0 9 ， 4 7 1 2 1 01 2 ． 【 2 】 张祖军， 赖思琦． 连杆精镗孔夹具的设计应用 [ J ] ． 机械 工程与自动化， 2 0 1 0 6 8 1 8 2 ． 【 3 】 吴江， 周毅． 连杆小头衬套孔镗削夹具设计[ J ] ． 机械工 程与自动化， 2 0 1 1 1 9 4 9 5 ． 【 4 】 李宗斌 ， 高新勤， 赵丽萍． 基于多色集合理论的信息建模 与优化技术[ M] ． 北京 科学出版社， 2 0 1 0 1 8 2 2 ． 【 5 】 唐永刚， 李宗斌， 李善仓． 基于多色集合理论的概念设计 形式化解决方法[ J ] ． 西安交通大学学报， 2 0 0 4 ， 3 8 1 6 87 2 ． 【 6 】 高新勤， 李宗斌 ， 赵姗姗． 基于多色集合理论的概念设计 建模和推理技术研究[ J ] ． 中国机械工程， 2 0 0 6 ， 1 7 3 2 5 52 5 9 ． 【 7 】 姜莉莉， 习小英 ， 李敏， 等． 基于多色集合理论的夹具概 念设计研究 [ J ] ． 中国机械工程 ， 2 0 0 6 ， 1 7 8 8 3 2 8 3 6 ． 【 8 】 吴永明， 陈航军 ， 李牧之． 基于多色集合的冲压模产品结 构的组合设计方法 [ J ] ． 机械设计与制造， 2 0 0 9 3 2 628． 【 9 】 吴永明， 陈航军 ， 王俊军， 等． 基于多色集合的冲压模结 构的方案设计[ J ] ． 机床与液压 ， 2 0 0 9 ， 3 7 4 79 ， 6 1 ． 上接第 1 3 0页 液压调速系统具 有控制方便 、反应 快速、可靠性 好 ，实现数据动态显示和实时传输 ，可以在 P C机 上对现场系统进行控制 ，具有 良好的人机界面。为 下一步优化泵控马达变转速调速系统 的实验研究奠 定了基础，同时对其工程应用领域有一定 的借鉴意 义 。 参考文献 【 1 】 彭天好， 杨华勇， 徐兵． 变频回转液压系统的动态特性仿 真[ J ] ． 机床与液压， 2 0 0 1 3 7 9 ． 【 2 】 彭天好， 杨华勇， 徐兵． 变频液压技术发展及研究综述 [ J ] ． 浙江大学学报 工学版， 2 0 0 4 ， 3 8 2 2 1 5 2 2 1 ． 【 3 】 胡佑兰， 彭天好， 朱刘英． M A T L A B和 L a b V I E W 混合编 程及在控制系统 中的应用 [ J ] ． 机床与液压， 2 0 0 9 ， 3 7 1 0 2 0 9 2 1 2 ． 【 4 】 苏静明， 洪炎． 基于 P L C 和组态王的节能控制站远程监 控系统研究[ J ] ． 工矿自动化 ， 2 0 1 1 ， 3 7 2 2 2 2 3 ． 【 5 】陈德妙， 张桂香． 力控组态软件在基于 C A N总线的液压 系统中的应 用 [ J ] ． 科学技术 与工程， 2 0 0 4， 4 1 2 1 0 46一】 04 9．