先控式变频液压系统的实验研究.pdf

2 0 1 2年 1月 第 4 O卷 第 1 期 机床与液压 MACHI NE T 00L HYDRAUL I CS J a n ．2 0 1 2 Vo 1 ． 4 0 No ． 1 DOI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 2 ． 0 1 ． 0 0 6 先控式变频液压系统的实验研究 张庆力，孟祥达，张培基，江荣海，卿志勇 中国海洋大学工程学院，山东青岛2 6 6 1 0 0 摘要提出一种利用先控变频技术代替普通变频技术的液压站控制方法，利用压力变送器采集系统的压力并将其传给 P L C，P L C根据系统要求 ，提前将控制信号传给变频器，以消除系统压力的滞后现象。实验结果表明采用了先控技术后， 系统能在规定的时间内快速达到规定的压力，说明这种控制方法是有效的。 关键词先控变频；液压站；变频节能；P I D控制 中图分类号T H1 3 7 ． 9 文献标识码 A 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 2 1 0 2 1 2 T h e Ex p e r i me n t a l S t u d y o n P e r ． c o n t r o l l e d I n v e r t e r Hy d r a u l i c S y s t e m Z H A N G Q i n g l i ，ME N G X i a n g d a ， Z H A N G P e i j i ， J I A N G R o n g h a i ，Q I N G Z h i y o n g E n g i n e e r i n g C o l l e g e ，O c e a n U n i v e r s i t y o f C h i n a ，Q i n g d a o S h a n d o n g 2 6 6 1 0 0 ，C h i n a Ab s t r a c t A n e w p e r - c o n t r o l l e d v a r i a b l e f r e q u e n c y t e c h n o l o g y w a s p r o p o s e d t o c o n t r o l t h e h y d r a u l i c s y s t e m．T h e p r e s s u r e t r a n s mi t t e r w a s u s e d t o c o l l e c t t h e s y s t e m p r e s s u r e a n d s e n d i t t o P L C．A c c o r d i n g t o t h e s y s t e m r e q u i r e me n t s ，P L C t r a n s mi t t e d c o n t r o l s i g - n a l s t o t h e i n v e r t e r i n a d v a n c e t o e l i mi n a t e t h e l a g o f s y s t e m p r e s s u r e ．T h e e x p e r i me n t a l r e s u l t s s h o w u s i n g p e r c o n t r o l l e d i e c h n o l o gy， t h e s y s t e m p r e s s u r e c a n r e a c h s e t v alu e f a s t w i t h i n t h e s e t t i me ．I t i s p r o v e d t h a t t h i s c o n t r o l me t h o d i s r e a s o n a b l e a n d a c h i e v a b l e ． Ke y wo r d s P e r c o n t r o l v a r i ab l e f r e q u e n c y；Hy d r a u l i c s y s t e m ；E n e r gy c o n s e r v a t i o n；P I D c o n t r o l 能源紧张已成为世界性的难题。工业生产中要求 低能耗高产出，降低机床的用电损耗已成为节能的主 要课题 ，要求工作过程中压力频繁变化的注塑机 、压 铸机等耗电大户降低用电损耗。国内注塑机生产厂家 生产的机器9 0 ％以上采用液压传动和电液比例控制 技术，安装定量泵的液压系统。这种液压系统技术成 熟 ，控制方便，但存在耗电量大、电能浪费严重的问 题⋯。变频技术主要是通过改变电机运行的频率来控 制泵 的流量 ，变定 量泵为变量泵 ，从而达到节能 的 目 的，这一 技术在注 塑机 的改造 中应用 比较多。何 芳 、张颖 论述了变频器改造注塑机的原理和实 现的基本方法 ，详细介绍了变频器型号的选择及参数 的设定；许晓勤 在研读国内外注塑机节电控制系统 的发展情况及 注塑 机变频 调速原理的基础上 ，设计 出 以电机控制专用单片机及智能功率模块 I P M为核 心的变频调速器 ，并探讨了针对定量泵及电机本身存 在的缺陷的软件补偿措施。虽然变频技术在注塑机节 能改造中的应用越来越多，但在使用过程中针对不同 零件的要求 ，采用变频器改造的注塑机加工出的零件 或多或少的存在一些质量问题 ，这些 问题 主要便现 在 1 系统效率下降，制件成品率下降，制品存 在缺料和填充不满现象 ，造成这种现象的主要因素就 是系统的压力变化跟不上工艺上的要求 ； 2 采用 变频调速后 ，电机的运转速度是 由系统的压力决定 的，系统的压力通过压力变送器反馈到变频器中，再 由变频器发出指令稳定系统的压力，这种方式延迟了 系统的工作时间，降低了生产效率。总体上这两个问 题都是由液压系统的压力变化造成的。 作者提出先控技术解决以上问题，先控技术的特 点就是采用 P L C技术，根据系统的工艺要求编制程 序事先控制变频器的运行频率 ，达到控制液压系统压 力的目的，当达到工艺要求的系统压力的时间时 ，液 压系统立刻提供所需的压力，从而消除了压力变化的 滞后，解决了以上存在的两个问题。解决这一问题的 关键就是要找到系统压力变化的滞后时间，从而在编 程时予以先控。但这一时间是和具体的液压系统有关 的，为找到一条通用的寻找方法 ，作者建立了先控变 频液压系统进行实验，找出从 P L C发出指令压力信 号到系统达到规定压力值 的滞后时 间以及采用先控模 式得到系统压力的动态特性曲线 ，为注塑机等设备的 改造提供实验依据。 1 实验方案 1 ． 1 实验 系统 的确定 实验系统的工作原理图如图 1 所示 ，根据工艺系 收稿 1 3 期 2 0 1 01 2 2 2 基金项目国家大学生创新实验计划资助项 目 0 9 1 0 4 2 3 4 2 作者简介张庆力 1 9 7 0 一 ，男 ，高级工程师，研究方向为先进制造技术。Em a i l z q l 6 1 2 9 1 2 6 ． c o rn。 2 2 机床与液压 第 4 0卷 统的压力要求 ，P L C指令变频器驱动油泵电机向系统 供油，当压力达到工艺要求时，压力变送器将压力信 号反馈到 P L C，P L C通过 P I D算法控制油泵减少油量 供应，从而达到节能和先控的目的。图2为先控变频 液压系统的实物图，系统采用的各类元器件如表 1 所 示 ，实验数据的采集系统工作原理图如图 3 所示 ，图 4为采样系统的照片，表 2为采样系统各元件的性能 指标 。 图 1 先控变频液压系统原理图 a 变频液压系统正面图 b 变频液压系统侧面图 图2 变频液压系统照片 表 1 先控变频液压系统元器件一览表 一 E 回 图 3 采样系统原理图 图4 采样系统实物图 如图3所示，在压力信号采集过程中，油路中压 力信号首先通过压力变送器转变为电信号 ，此信号通 过采集卡经 A ／ D转换传送到计算机里，然后在计算 机里对数据进行处理 。 表 2 采样系统元器件一览表 1 ． 2 实验 目的 1 测试 P L C指令发出到系统达到规定压力 的 滞后时 间； 2 通过先控技术 的应用，实现对滞后时间的 补偿 。 1 ． 3 实验方 案 以注塑机工艺 要求压 力为依据，制定实验一个 主 工作循环 的压力变化过程 杀 如图 5所示 。 压力从0开始 ，在一定 时间 内 直线 上 升 到 指 定 压 力 ，然后 保压 ～段 时 间后 ， 再 升 压，再 保 压 ，最 后 ， 压力下降为0 。 2实验结果分析 图 6为系 统工 作 时 间 与工 作 压力 的关 系 图，该 曲线 的采 样 频 率 为 5 H z ， 曲线显示在点 0 P L C发出 系统升压的指令后 ，系统 并不马上响应 ，而是到达 点 。后才出现响应，这主 要是 因为存 在两 方 面 的滞 后 1 信号传递过程 中 图5 实验方案示意图 l 2 8 窆 4 D 2 0 4 0 6 O 8 0 1 0 0 时 间， s 图6 一个工作循环 的采样曲线 的滞后； 2 变频器内部运算调整和电机及液压回 路的响应速度，后者为影响滞后的主要因素。从点 。 到点 b 是 系统升压 的过 程 ，根据液 压原理点 。到点 b 的时间的多少 ，不同的系统具有不同的数值；从点 b 到点 c 系统进入第一阶段 的保压过程 ；点 C 到点 d为系 统二次升压过程，理论上该阶段曲线的斜率应比第一 阶段的大，主要是由于在这一阶段系统已经具有了初 始压力，这个阶段的压力滞后时间相对较小，但实际 c d段的斜率小于第一阶段，是由于第二阶段升压过程 中系统存在泄漏所致；点 e 和点，为系统泄压的阶段， 为非工作阶段 ，只影响到效率，对质量一般没有影响。 下转第 9 4页 9 4 机床与液压 第 4 0卷 于特定开发语言和开发环境的可以自由组合使用的过 程控制软件 组件产 品。 利用 O P C的系统 ，是 由按 照应 用程 序 客 户程 序的要求提供数据采集服务 的 O P C服务器，使用 O P C服 务 器 所 必需 的 O P C接 口，以及 接 受 服 务 的 O P C应用程序所构成。O P C服务器是按照各个供应 厂商的硬件所开发的，使之可以吸收各个供应厂商硬 件和系统的差异，从而实现不依存于硬件 的系统构 成。同时利用一种叫做 V a r i a n t 的数据类型 ，可以不 依存于硬件中固有的数据类型，按照应用程序的要求 提供数据格式。 该 系统 构 成 时 对 工 控 机要求为内置普通网卡； 对 P L C要 求 为 硬 件 包 括 s 7 3 0 0 C P U 3 1 5 - 2 D P ， C P 3 4 3 1 L e a n ， P S 3 0 7 ； 软 件 包 括 S I MA T I C N E T P C S OF T W ARE V6 ． 3 S P 1、 S T E P 7 V 5 ． 4 S P 3 ． 1 ；采 用 的通信协议为 T C P ／ I P 。构 成图如图 3所示 。 3实用 结果 验证 监控计算机 图 3 单机和以太网联接 该远程控制系统已在江淮集团常青汽车制造厂使 用，图4是冲压工艺时某冲压设备的力与位移监控界 面 。 图4 冲压力和位移监控画面 4结论 通过 O P C技术实 现工控 机和 P L C互联 ，建 立 了 基于以太网的大型数控薄板冲压液压机生产线远程监 控系统，采集机床和机器人底层故障信号和监控参 量 ，实现了大型汽车覆盖件冲压生产线远程监控 ，提 高了设备的利用率，减少了故障率，提高了生产效 率，降低了成本。 参考文献 【 1 】 孙兴伟， 陈林平， 王可． 基于以太网的数控机床网络控制 技术的研究 [ J ] ． 组合机床与 自动化加工技术， 2 0 0 9 7 4 1 4 3 ． 【 2 】 庞德强． 三菱数控之远程监控[ J ] ． 制造技术与机床， 2 0 0 9 1 0 1 6 6 ． 【 3 】陈佩江． 基于T M S 3 2 0 L F 2 4 0 7的数控机床加工过程远程 监控系统[ J ] ． 机床与液压， 2 0 1 0 ， 3 8 1 6 8 08 2 ． 上接 第2 2页 以上各阶段的分析表明，影响工作质量和工作效 率的压力滞后主要是点O到点 b 的这一阶段。该实验 系统 的压力滞后时间大约 为 2 0 s ，采用先控技术，在 不改变系统其他参数的前 提下有效地控制这一时间， 提高 系统 的工 作 质 量 和 效 率 。图7为采用先控技术 的 系统 实 验 曲 线 ，从 图 中 看 出采 用 先 控 技 术 后 ，在 规 定的时 间内能马上达到系 统的工作压力。 穗 窆8 出 4 O 2O 40 60 时间， s 图7 P L C先控后的 压力曲线图 由图7看出压力变化趋势跟理想压力曲线大致 一 样 ，但是存在短暂的滞后性；压力变化趋势仍跟理 想压力曲线大致一样 ，但是滞后性消除了。系统能在 工作时间内快速达到规定的压力，实现系统的安全快 速工作 。 3结论 通过实验研究可 以得到如下结论 1 利用该实验信号采集系统得到了该液压系 统压力的曲线图，找到了 P L C指令和系统工作压力 的滞 后时间 ，该 系统 的滞后时间为 2 0 S ； 2 通过 先 控技 术 实 现 系统 压力 的事 先控 制 ， 用 P L C控制滞后时问，实现了系统工作压力和系统 升压的 同步性。 参考文献 【 1 】邱戆曦， 郗晓田． 变频液压型注塑机生产成品质量控制 [ J ] ． 电气传动 ， 2 0 0 6 ， 3 6 8 5 6 5 8 ． 【 2 】何芳． 传统液压注塑机的变频节能改造[ J ] ． 景德镇高 专学报， 2 0 0 6 ， 2 1 1 2 4 4 4 5 ． 【 3 】张颖． 变频调速节能装置在注塑机上的应用[ J ] ． 农机 化研究， 2 0 0 4 3 2 1 9 ． 【 4 】 许晓勤． 注塑机变频节能控制系统的研究 [ J ] ． 荆 门职 业技术学院学报， 2 0 0 8 ， 2 3 9 2 8 3 1 ． 【 5 】 汪通悦， 何宁， 李亮， 等． 薄壁零件的铣削加工稳定性研 究[ J ] ． 机床与液压 ， 2 0 0 9 1 2 1 51 7 ． 【 6 】 周宇， 朱建公． 液压节能技术探讨[ J ] ． 机床与液压， 2 0 0 9 3 9 91 0 2 ． 【 7 】 李茂生． 绿色金属加工用油的开发与发展趋势[ J ] ． 机 床与液压， 2 0 0 3 6 1 31 6 ．