DCS控制下液压系统的电液一体化设计方法.pdf

2 0 1 1年 2月 第 3 9卷 第 4期 机床与液压 M ACHI NE T00L HYDRAULI CS F e b ． 2 0 1 1 Vo 1 ． 3 9 No ． 4 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 1 ． 0 4 ． 0 2 4 D C S控制下液压 系统的 电液一体化设计方法 谭 兴 强 攀枝花学院 ，四川攀枝花 6 1 7 0 6 3 摘要 将热风炉阀门 电动执行机构改造 为液压执行机构 ，详细介绍采用 D C S 控 制液压系统时的软 、硬件设 计方法和思 路 ，分析液压系统在 D C S中需要控制的常用参量和信号，以及这些参量和信号的隔离、连接 、组态实现。成功地将液压系 统 的控 制功能集成到大型 的 D C S控制 系统 之中 ，是对液压系统 D C S 控制技术 的有 益尝试。 关键词 液压系统 ；D C S ；信 号隔离 ；热风炉 中图分 类号 T P 2 7 3 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 1 4 0 7 5 3 De s i g n M e t h o d o f El e c t r i c Hy dr a u l i c I nt e g r a t i o n S y s t e m Appl y i ng t o DCS Co n t r o l S y s t e m TAN Xi n g q i a ng P a n z h i h u a U n i v e r s i t y．P a n z h i h u a S i c h u a n 6 1 7 0 6 3， C h i n a Abs t r a c t S o f t wa r e a nd ha r d wa r e d e s i g n me t h o ds a n d s t e ps us i ng I CS t o c o n t r o l h y d r a u l i c s y s t e m we r e i n t r o du c e d whe n DCS e l e c t r i c a l a c t u a t o r s o f h o t b l a s t s t o v e wa s r e f o r me d b y h y d r a u l i c a c t u a t o r s ． Us u a l l y c o n t r o l l e d p a r a me t e r s a n d s i g n a l s a n d i mp l e me n t a t i o n o f t h e i r s e p a r a t i o n ， c o n n e c t i o n a n d c o n fi g u r a t i o n i n h y d r a u l i c s y s t e m o f D CS w e r e a n a l y z e d ． Al l c o n t r o l f u n c t i o n s o f h y d r a u l i c s y s t e rn a r e s u c c e s s f ul i n t e g r a t e d i nt o l a r g e DCS c o nt r o l s y s t e m t o p r o v e t ha t t h e me t ho d i s a h e l p f u l e x pe r i me nt f o r h y dr au l i c s y s t e m wi t h DCS c o nt r o l t e c h ni q ue ． Ke y wor d s Hy d r a u l i c s y s t e m； DCS； S i g n a l s e p a r a t i o n； Ho t bl a s t s t o v e 分布式控制系统 D i s t r i b u t i o n C o n t r o l S y s t e m是 大型冶金 、化工 、电力企 业常 用 的基 础 自动化方 式 。 系统 由环网和各个站点两部分组成 ，以环网负责站点 之间的高速数据传输 ，同时以此为基础构成一个完整 的监控 系统。站点包括 两大 类 1 生 产接 口的分 散处理 单元 D P U ； 2 人机 接 口装置 ，包括操 作 员站 o P s 、工 程 师 站 E N G 、历 史 数 据 站 H s R 、智能设备管理站 A M S 等接 口站 。D P U 上可安装多个 I ／ O模件 ，通过 I ／ O模 件来 实现现 场数 据 的采集和操作指令 的执行。操作 员站 、工程师 站和 数据站通常安装在 中控室 内 ，是系统程序 运行和操 作 指令下达 的地方 。D C S 系统的拓扑结构原理图见 图 1 。 操作员站I 数据通讯器 工程师 站l 数据通讯器 l 服务器站 数据通讯器 历史站l 数 据 通 讯 器 令牌环 网 匝 匝 亟 匝 匦 匦 ] _ J 当前主要 的 D C S系 统有 爱 默生 的 O v a t i o n系统 、 A B B的 AC 8 0 0 M、A p r o l DC S系统 等 。作 者采 用 的是 爱 默生的 O v a t i o n系统 。 1 液压 系统原理 图 2是作者 以液压方式改造某钢铁企业热风炉 阀 门执行机构 时设 计的原 理图。由于高炉生产 全部采用 D C S 控制 ，改造后 的热风炉 阀门执行机构也都必须受 原 D C S系统 的控制 ，因此必 须将 阀 门的 开度 ，电动 机 的起停 、热保 护 ，回油 滤油 压 差发 讯 ，油 液 的温 度 ，系统压力 等信 号都输 入 到 D C S系 统之 中，然后 根据热风炉 的换炉要求 以及 阀门的开关工况来确定电 磁 阀的换 向，控制油缸 的运行 。 图 2的原 理 图 中，可 以控 制 4个 热风 炉 阀的运 行 ，每个油缸可控制 1个阀门 的开 关 。每个 阀门有 3 个开度位置 ，分别 由 3个接 近开关确定油缸 的运行位 置 接近开关在 图中没有示 出 。为提高 系统运 行 的 可靠性 ，液压阀组和动力站采用一用一备工作方式。 系统采用 回油节 流 调速 方式 ，以防 止 阀门开 闭 时前 冲 ；由于热风 炉阀门工作 时需要 自锁 ，因此采用液压 锁和 Y型机 能 的电磁 换 向阀 ；为 了防止 回油 滤油 器 进 口压 力过高 打开液 压锁 ，在 电磁换 向阀的回油路上 必须增 加一个单 向阀 1 2 ；为 了便 于轨 生故 障时 阀组 的切换 ，在 阀组前后加有 3个高压球阀 1 6 。 收稿 日期 2 0 1 0一 O 1 0 7 作者简介 谭兴强 1 9 7 1 一 ，硕 士，讲师 ，主要从事工业测控 、液压 、仿真研究 。Em a i l t a n 6 5 1 2 6 9 1 9 1 6 3 ． c o l n 。 7 6 机床与液压 第 3 9卷 l 一电动机2 一变量泵3 一 空气滤清嚣 4 一液位继 电器s 一回j 由滤油器6 一液位计7 一放油嘴s 一电磁溢漉阀 一单I句阀 1 O 一压力衰l l 一压力衰开关1 2 ～回油单向阀t 3 一电磁换向阙1 4 一单向节流阀l 5 一液控单向镪1 6 一储能器l 7 一冷却嚣 图 2 液压 系统原理 2 D C S输入／ 输出信号分析 液压系统的信号总体上可分为模拟信号和数字信 号两大类。模拟信号主要是液压系统的压力和油液温 度 ，它们都是输入信号 ；数字信号包 括阀门开度接近 开关信号 、液位继 电器信号 、电磁换 向阀和电磁溢 流 阀的控制信号以及液压站电动机的起停、热保护信号、 压差发讯器 的信号 ，这些信号既有输入也有输 出。关 于 D C S系统输人输出信号的详细情况请参看表 1 。 表 1 D C S系统的输入输出信 号明细表 输入信号 信号名称 信号类型 路数 输 出信号 信号名称信号类型 路数 在 D C S系统 中现 场的模 拟信号通 过变送 器之后 可 以直接送 到 D P U的模拟 量模件 中，但反 映开关和 继电器状 态 的数 字信 号 1表示 闭合 ，0表 示打 开 因为通常 与 强 电相联 系，为 保证 D C S系 统 的安 全 ， 所示 的开关数字信号必须要经过隔离之后才能接入到 D P U的数字量 模件 上 ，因此 这类信 号 的输入 量通 常 是先接入到电气控制 室的隔离柜中 ，然后再 由隔离柜 经隔离装置 如继电器 后输入到计算机控制室 D P U模件上 ，输 出量先从模件输送到电气控制室的 隔离柜中 ，然后再输 出到现场设备上 。 3系统硬件安装连接 采用 D C S 控制的液压系统硬件包括传感器、接 近开关 、隔离 柜 、配 电柜 、现场操 作柜 、D C S输 入／ 输出模件、液压站及阀组、继电器及接触器等。传感 器负责液压系统参量 的检测 ，如压力 、温度 ，它们与 变送器一同安装在液压站房上 ；接近开关通过油缸的 不 同工作位置实现对热风炉阀门的开度控制 ，安装在 现场的工作平台上；隔离柜和配电柜安装在电气控制 室 ，现场操作柜 、液压站及 阀组安装 在液压站 房 中； D C S 模件安装在中控室和现场机房中的机架上 。在将 以上设备安装好 之后 ，用屏蔽电缆将传感器与计算 机 第 4期 谭兴 强 D C S控制下液压系统 的电液一体化设计方法 7 7 房 中的模拟量输入模件连接起来 ；将接近 开关 、压差 发讯器 、电动 机热继 电器的输出信号线接到隔离继 电 器的输 入线 圈上 ，并将相应 继电器的常开触点分别接 到计算 机房 的数 字 量输 入模 件 上 ；将 电磁 阀 、溢 流 阀 、电动机 的启停信号分别 接到计 算机房的数字量输 出模件上 。 4 D C S系统 的组态 内容 DC S组态 的 主要 实施 内容 还包 括 操 作 界 面编 制 、工艺界面编制 、阀门关开控制 逻辑组态 、 电动机 控制及保 护组态 、组 态 含数 据库 组态 、I ／ O组态 等等。在完成 这些组态之 后就 可 以就 可 以进行 液压 、 电气 、控制系统的联 合调试 。 蓑 毳 I I 堂 堂 查 茎l 』 。 l ⋯ I 』 1 l ⋯ b％r ] 0 T 3 炉电 磁 阀 控 制 I 1 r ● I 2 、 4 炉电磁阀控制 2 炉电 磁阀控制I 。 ● 4 炉电磁阀控制l l 图 3 D C S组态流程图 在 以上例子 中，热风炉不 同的工作状态 ，是通过 阀门不同的开关 状态来 实现的 。因此 在不 同的工作方 式 ，热风 炉各 种 阀 的开关 逻 辑状 态 可 以用 1表示 开 ，用 0表示 关 也 不 同，在 液压 控制 中对应 的 电 磁 阀 的得 失 电状 态 得 电 用 1表 示 ，失 电 用 0表 示 也就不 同。因此在 D C S组态之 前 ，首先 需要 对 热 风炉 3种工 作方式 下 阀 包括 充压 阀 和排压 阀之 外 的阀 门 的开关 工艺要求 进行 详 细 的分析 ，作 出 阀动 作的工 艺流程 图。对 于复 杂 的系统 ，DC S系统 通常采 用分层组 态控 制方 式 。为 了简 单起 见 ，作者 只给 出 D C S系统最 高 一 级 的控 制 流程 图作 为参 考 ， 该流程 图如 图 3所示 。 5 结论 作 者以某铁 厂科技 项 目 “ 高炉 热 风 炉 阀门执 行 机构改造 ” 为依 托 ，将 原有 的电动 执行 机构 成功 改 造成为液 压执 行 机构 ，充 分 发挥 了液 压 系统 运行 平 衡 、输 出力大 、控制可靠的优点 。同时成 功实现了液 压系统在 高炉原 有 D C S系 统 中的控制 ，对液 压系 统 的 D C S 控制方法是一种有益 的探索 。 参 考文献 【 1 】上海西屋控制系统有限公司． O v a t i o n系统硬件培训手 册[ M] ． 2 0 0 5 ． 9 ． 【 2 】邹琼． 攀钢 2 、 3 ≠ } 高炉新增热风炉的自动控制系统简介 [ J ] ． 四川 冶金 ， 2 0 0 7 ， 2 9 3 1 6 ， 3 1 3 4 ． 【 3 】王常力， 罗安． 分布式控制系统 D C S 设计与应用实例 [ Mj ． 北京 电力J 二 业 出版社 ， 2 0 0 4 ． 8 ． 【 4 】郝广春． 热风炉控制系统的设计与实现[ J ] ． 自动化仪 表 ， 2 0 0 4 ， 2 5 1 1 6 3 6 4 ， 7 3 ． 【 5 】上海西屋控制系统有 限公司． O v a t i o n系统软件组态手 册 f M] ． 2 0 0 5 ． 9 ． 上接 第7 4页 7 工件被 松 开 同时 ，碰 到 行 程挡 块 ，压下 行 程开关 s 3 ，电磁铁 3 Y A失 电 ，三位 四通 电磁换 向阀 1 2置中位 ，同时 电磁 铁 2 Y A得 电，三 位 四通 电磁 换 向阀 7置右位 ，夹 紧装置上升 。 8 夹紧装置上升 到预定位 置 ，碰 到行 程挡 块 ， 压下 行程 开关 s 1 ，电磁铁 2 Y A失 电 ，三位 四通 电磁 换 向阀 7置 中位 ，同 时电磁 铁 6 Y A得 电 ，三位 四通 电磁换 向阀 1 4置 右位 ，夹 紧缸 活塞 杆 回位 ，当碰 到 行程开关 S 5时 ，一个循环完成 。 4结 论 利用液压传动 系统控制机械装置 的运动 ，很好地 实现 了工件 的翻转 。设计 的液压 翻转装置具有结构简 单 、输出力大 、惯性小以及易于控制等优点 ，与 电气 控制 、可编程控制器和计算机控制等结合 ，可装配 成各式 自动化 机械 ，在 自动化 生产 中具 有广 阔的应 用前景 。 参考 文献 【 1 】张利平． 液压传动系统及设计[ M] ． 北京 化学工业出版 社 ， 2 0 0 5 4 6 4 8 ． 【 2 】朱洪涛． 液压与气压传动[ M] ． 北京 清华大学出版社 ， 2 00 5 9 69 7． 【 3 】周开勤， 唐容城． 机械设计师应用手册[ 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