基于PLC的液压多路阀试验台设计.pdf

２０１４年２月第４２卷第４期机床与液压ＭＡＣＨＩＮＥＴＯＯＬ＆ＨＹＤＲＡＵＬＩＣＳＦｅｂ  ２０１４Ｖｏｌ  ４２Ｎｏ  ４ＤＯＩ１０．３９６９／ｊ  ｉｓｓｎ  １００１－３８８１  ２０１４  ０４  ０２２收稿日期２０１３－０２－２１作者简介杨林（１９８６），男，硕士研究生，研究方向为机电液智能控制。Ｅ－ｍａｉｌｘｉｎｇ１１ｌｉｎｇ２７＠１６３  ｃｏｍ。基于ＰＬＣ的液压多路阀试验台设计杨林１，李笑１，李传军２（１ 广东工业大学机电工程学院，广东广州５１０００６；２ 广州市新欧机械有限公司，广东广州５１０５３０）摘要针对现有的液压多路阀试验台存在功能不全、可靠性差、测试精度和试验效率低等问题，设计了基于ＰＬＣ的多功能液压多路阀试验台。该试验台由液压试验系统、操作台、ＰＬＣ采集控制系统、触摸屏和上位计算机等组成。实际应用表明该试验台可满足液控和电液比例控制液压多路阀的测试要求，且测试精度和试验效率高，可靠性强，用户界面友好。可为产品出厂测试、设计及维护提供实验支持。关键词液压多路阀试验台；ＰＬＣ；ＬａｂＶＩＥＷ；触摸屏中图分类号ＴＨ１３７文献标识码Ｂ文章编号１００１－３８８１（２０１４）４－０７５－４ＤｅｓｉｇｎｏｆＨｙｄｒａｕｌｉｃＭｕｌｔｉ  ｗａｙＶａｌｖｅＴｅｓｔＰｌａｔｆｏｒｍＢａｓｅｄｏｎＰＬＣＹＡＮＧＬｉｎ１，ＬＩＸｉａｏ１，ＬＩＣｈｕａｎｊｕｎ２（１  ＳｃｈｏｏｌｏｆＥｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＧｕａｎｇｄｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ＧｕａｎｇｚｈｏｕＧｕａｎｇｄｏｎｇ５１０００６，Ｃｈｉｎａ；２  ＸｉｎｏｕＭａｃｈｉｎｅｒｙＣｏ．，Ｌｔｄ．，ＧｕａｎｇｚｈｏｕＧｕａｎｇｄｏｎｇ５１０５３０，Ｃｈｉｎａ）ＡｂｓｔｒａｃｔＡｉｍｉｎｇａｔｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍｓｏｆｔｈｅｆｅｗｆｕｎｃｔｉｏｎｓ，ｐｏｏｒｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ，ａｎｄｌｏｗｔｅｓｔａｃｃｕｒａｃｙａｎｄｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｏｆｔｈｅｅｘｉｓｔｉｎｇｈｙ  ｄｒａｕｌｉｃｍｕｌｔｉ  ｗａｙｖａｌｖｅｔｅｓｔｐｌａｔｆｏｒｍ，ａｍｕｌｔｉ  ｆｕｎｃｔｉｏｎｈｙｄｒａｕｌｉｃｍｕｌｔｉ  ｗａｙｖａｌｖｅｔｅｓｔｐｌａｔｆｏｒｍｂａｓｅｄｏｎＰｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅＬｏｇｉｃＣｏｎｔｒｏｌｌｅｒ（ＰＬＣ）ｗａｓｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｔｈｅｔｅｓｔｐｌａｔｆｏｒｍｗａｓｃｏｍｐｏｓｅｄｏｆｈｙｄｒａｕｌｉｃｔｅｓｔｓｙｓｔｅｍ，ｗｏｒｋｓｔａｔｉｏｎ，ＰＬＣａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍ，ｔｏｕｃｈｓｃｒｅｅｎａｎｄｈｏｓｔｃｏｍｐｕｔｅｒ，ａｎｄｅｔｃ．Ｔｈｅｐｒａｃｔｉｃａｌａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｔｅｓｔｐｌａｔｆｏｒｍｃａｎｍｅｅｔｔｈｅｔｅｓｔｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｏｆｔｈｅｈｙｄｒａｕ  ｌｉｃｃｏｎｔｒｏｌａｎｄｅｌｅｃｔｒｏ  ｈｙｄｒａｕｌｉｃｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌｃｏｎｔｒｏｌｏｆｍｕｌｔｉ  ｗａｙｖａｌｖｅ，ａｎｄｈａｖｅｈｉｇｈｔｅｓｔａｃｃｕｒａｃｙａｎｄｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ，ａｓｗｅｌｌａｓｈｉｇｈｒｅ  ｌｉａｂｉｌｉｔｙａｎｄｆｒｉｅｎｄｌｙｕｓｅｒｉｎｔｅｒｆａｃｅ．Ｉｔｗｉｌｌｐｒｏｖｉｄｅｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｓｕｐｐｏｒｔｆｏｒｔｈｅｔｅｓｔ，ｄｅｓｉｇｎａｎｄｍａｉｎｔｅｎａｎｃｅｏｆｔｈｅｐｒｏｄｕｃｔｌｅａｖｉｎｇｆａｃｔｏｒｙ．ＫｅｙｗｏｒｄｓＨｙｄｒａｕｌｉｃｍｕｌｔｉ  ｗａｙｖａｌｖｅｔｅｓｔｐｌａｔｆｏｒｍ；ＰＬＣ；ＬａｂＶＩＥＷ；Ｔｏｕｃｈｓｃｒｅｅｎ随着液压技术的发展，工程机械在许多工程领域得到了广泛应用［１］。液压多路阀是工程机械等行走液压系统中重要的元件之一。它是以多个换向阀为主体，集安全阀、补油阀、单向阀、节流阀等于一体，实现对多个执行机构控制的多功能集成阀［２－５］。其结构和性能对行走液压系统的工作特性有重要的影响。目前，国内液压多路阀试验台大多不具备测试液控和电液比例控制液压多路阀的功能，存在着功能不全、可靠性差、测试精度和试验效率低等问题［６］。因此，开发多功能的液压多路阀试验台具有重要工程实际意义。可编程控制器（ＰＬＣ）因可靠性高、抗干扰能力强，已广泛应用于工业自动化控制中［７］。它能通过不同的扩展模块采集和输出数字量、模拟量，通过相关通信协议与外部设备实现信息共享。因此，文中结合ＰＬＣ、变频调速、触摸屏监控及ＬａｂＶＩＥＷ数据采集处理等技术，设计开发了基于ＰＬＣ的多功能液压多路阀试验台，提高了液压多路阀的测试精度和试验效率。１系统方案设计根据液压多路阀的测试要求，设计了液压多路阀试验台系统方案，如图１所示。该试验台由液压试验系统、操作台、ＰＬＣ采集控制系统、触摸屏和上位计算机组成。液压试验系统是液压多路阀的测试平台，包括液压多路阀测试回路和系统检测传感器等。操作台是试验台的控制中心，向ＰＬＣ采集控制系统发送电机启停、变频器调速及液压阀调压等控制指令。ＰＬＣ采集控制系统采集液压试验系统各被测量以及操作台的控制指令，经逻辑运算后向液压系统输出控制信号。触摸屏通过ＲＳ４８５与ＰＬＣ通信，实现系统状态的实时监控和参数的设置。上位计算机通过ＯＰＣ协议与ＰＬＣ通信，实现与ＰＬＣ数据共享［７－８］，分析与处理液压多路阀的测试参数。图１液压多路阀试验台系统方案２液压试验系统设计图２为所设计的液压试验系统，由液压站、测试单元和先导控制单元组成。可满足液控和电液比例控制液压多路阀的压力、流量特性和换向性能测试，以及合流、优先等特殊功能要求。液压站包括动力源、温控循环回路和泄漏油回收回路，如图２（ａ）所示。动力源由两台７５ｋＷ变频电机泵组和一台１５ｋＷ电机泵组向系统提供液压油，其流量由变频器调节，压力由比例溢流阀５调节。液压油经高压过滤器以３种途径进入测试单元当换向阀６中位且换向阀７不得电时，液压油不经过大小流量计，做压力特性测试时可以减少高压涡轮流量计的损耗；当换向阀６左位且换向阀７得电时，液压油经过小流量计，用于测泄漏量；当换向阀６右位且换向阀７得电时，液压油经过大流量计，用于流量特性测试。温控循环回路用来控制油箱内油液温度在一定范围内并过滤油液。泄漏油回收回路把收集在油盘中的漏油抽回油箱。图２（ｂ）为测试单元，包括３个功能相同且相互独立的测试组。可以单独测试或同时测试液压多路阀中的３个换向阀。连接测试组ＡＢ口的桥式加载模块是可以比例调节的节流模块，用来模拟液压多路阀执行机构的负载。当比例电磁铁电流最小时，ＡＢ口油液阻力最小，当比例电磁铁电流最大时，ＡＢ口隔断。在做Ａ口或Ｂ口的耐压测试时，桥式加载模块比例电磁铁电流调到最大，使Ａ口或Ｂ口换向阀得电即可测试。在做其他测试项目时，换向阀１３得电，使高压油从Ｐ口进入阀体。所有测试Ｔ口常开，即换向阀１２得电。测试结束后打开电磁球阀２８将管道中的压力泄掉，防止拆管时高压油喷出。图２（ｃ）为先导控制单元，提供系统先导控制油和液压多路阀先导控制油。系统先导控制油压力为２１ＭＰａ，用于压紧插装阀截断油路。液压多路阀先导控制油压力由比例减压阀３１调节为０～４ＭＰａ，用于液压多路阀的比例换向测试。图２液压试验系统组成原理３测控系统设计３  １测控系统结构设计的液压多路阀试验台的测控系统如图３所示。利用通信手段将ＰＬＣ、触摸屏和ＬａｂＶＩＥＷ采集软件联系在一起，实现数据共享，提高系统可靠性和测试精度。ＰＬＣ采集管道球阀开关、过滤器压差报警器、变频器、热继电器、压力传感器、流量传感器和温度转换器的信号以及操作台指令进行逻辑处理，并将控制信号输出给液压试验系统的变频器、小功率电机、换向阀和比例阀等元件。触摸屏显示ＰＬＣ报警变量对应的报警文本及压力、流量和温度，设置超压报警的压力上限值和自动加热冷却的温度值等系统参数。上位计算机安装ＬａｂＶＩＥＷ采集软件，利用ＤＳＣ模块共享ＰＬＣ的测试状态变量以及压力、流量和温图３测控系统结构６７机床与液压第４２卷度数据。３  ２硬件设计测控系统的ＰＬＣ选用西门子Ｓ７  ２２６ＣＮＣＰＵ，它内置２４个数字量输入点、１６个数字量输出点和６个３０ｋＨｚ的ＨＳＣ。其数字量输入输出可扩展到１２８点，模拟量输入可扩展到３２个，模拟量输出可扩展到２８个。根据电气设计要求液压站的数字量信号和操作台操作指令通过数字量输入模块采集，数字量输出模块输出液压系统控制信号。系统中传感器共有１３个，分别检测系统压力，Ｐ、Ｔ、Ａ１、Ｂ１、Ａ２、Ｂ２、Ａ３和Ｂ３口压力，阀先导压力，以及流量、泄漏量和温度等参数。其中１０个压力传感器和１个Ｐｔ１００温度转换器输出４～２０ｍＡ电流信号，用３个ＥＭ２３１模拟量输入模块采集。流量和泄漏量为低于２０ｋＨｚ的脉冲信号，利用ＨＳＣ采集，并通过ＰＬＣ程序修正随温度变化的流量系数。３  ３测试流程设计根据液压多路阀测试要求，设计了测试流程，如图４所示。图４液压多路阀测试流程该流程包括溢流阀测试和整阀测试两部分。在整阀测试前，先把安全阀和过载阀安装到溢流阀测试阀座上进行压力特性测试，如图４（ａ）所示。之后，将测试合格的安全阀和过载阀安装到待测试的液压多路阀上进行整阀测试，如图４（ｂ）所示。３  ４采集软件设计设计的ＬａｂＶＩＥＷ采集软件实时显示记录压力、流量和温度数据，并以系统状态量为条件绘制实时曲线，最后生成含有被试阀额定参数、测试参数和测试曲线等内容的测试报告。其功能结构如图５所示。图５ＬａｂＶＩＥＷ采集软件功能结构根据上述功能结构把主界面分为被试阀信息、采集数据、测试曲线和测试结果４个显示区和一个功能操作区，如图６所示。被试阀信息包括产品型号和产品编号以及该型号液压多路阀的主安全阀额定压力、额定流量、各工作油口额定压力和液压多路阀控油压力等。产品编号为手动输入，其余额定参数是通过保存在Ｍｉ  ｃｒｏｓｏｆｔＡｃｃｅｓｓ创建的Ｖａｌｖｅ  ｍｄｂ数据库中的产品型号调出来的。采集数据显示区以指针式和数显式虚拟仪表实时显示压力、流量和温度。测试曲线显示区用３个示波器分别显示压力实时曲线、泄漏量实时曲线和压力损失曲线。测试结果显示区记录了中位和换向位泄漏量以及主安全阀性能、耐压和换向性能测试的结果。图６采集软件主界面７７第４期杨林等基于ＰＬＣ的液压多路阀试验台设计功能操作区有登入、开始、停止、报告、说明和退出按钮以及采集状态的指示灯。点击登入，进入图７所示登入界面，选择产品型号和填写产品编号，点击确定，该阀额定参数显示在采集界面上。点击开始，采集系统开始采集记录数据，并以ｔｘｔ格式保存在相应文件夹中。点击停止，数据采集停止。点击报告，生成并保存测试报告。点击说明，打开操作说明书。点击退出，关闭采集软件主界面。图７采集登入界面４现场测试设计的试验台已在长沙某挖掘机生产公司使用。以额定流量为１１０Ｌ／ｍｉｎ、安全阀额定压力为２７ＭＰａ的液控多路阀为对象，测试了耐压、泄漏、换向性能、压力损失、辅助阀性能以及合流等项目。整个测试过程试验台各部分性能稳定，各参数波动在允许范围内。一次安装测试三联换向阀，提高了测试效率。图８所示是系统压力为１０ＭＰａ时该阀行走联的压力损失曲线，其中Ｐ  Ａ压力损失是指液压多路阀Ｐ口到Ａ口压力损失与Ｂ口到Ｔ口压力损失之和，同理Ｐ  Ｂ压力损失为液压多路阀Ｐ口到Ｂ口压力损失与Ａ口到Ｔ口压力损失之和。由于压力损失特性与换向阀的工作原理和结构有关，两换向位压力损失曲线平行且额定流量时压力损失为即３  ３ＭＰａ，说明两换向位结构对称，符合行走联压力损失曲线。图８液控多路阀压力损失曲线５结论设计的基于ＰＬＣ的液压多路阀试验台满足了液控和电液比例控制液压多路阀测试要求。经过现场测试验证了该试验台功能齐全、测试精度高，界面友好，易于操作，测试效率高。可为产品出厂测试、设计及维护提供实验支持。参考文献【１】高峰．液压挖掘机节能控制技术的研究［Ｄ］．杭州浙江大学，２００１．【２】王庆丰，魏建华，吴根茂，等．工程机械液压控制技术的研究进展与展望［Ｊ］．机械工程学报，２００３（１０）５１－５６．【３】吴根茂，邱敏秀，王庆丰，等．新编实用电液比例技术［Ｍ］．杭州浙江大学出版社，２００６．【４】叶小华，岑豫皖，颜志国，等．绿色液压技术的研究现状与展望［Ｊ］．机床与液压，２０１１，３９（１８）１０６－１１１．【５】杨华勇，曹剑，徐兵，等．多路换向阀的发展历程与研究展望［Ｊ］．机械工程学报，２００５，４１（１０）１－５．【６】王福山，陈建长，万箭波，等．液压多路换向阀试验台研制［Ｊ］．工程机械，２００６（１２）４２－４７．【７】石灵丹，华斌，朱韵州，等．基于ＯＰＣ技术的ＰＣ与西门子ＰＬＣ的实时通讯［Ｊ］．船电技术，２０１１，３１（１）９－１２．【８】何奇文．ＯＰＣ技术在ＬａｂＶＩＥＷ８．０ＤＳＣ模块中的应用［Ｊ］．计算机工程与设计，２００６，２７（２２）４３８９－４３９１．（上接第５２页）１０４  ８ｋＷ，多损耗电机功率１０４  ８ｋＷ－４５  ５ｋＷ＝５９  ３ｋＷ（２）ＩＰＭＰ系统功率损耗 “ 定量泵＋变频伺服电机”系统，在区间Ⅰ、区间Ⅱ运行周期中，其压力、流量输出可以根据需要设定 ①工作台区间Ⅱ内运行速度ｖ＝３０ｍ／ｍｉｎ时，液压缸所需流量Ｑ＝１０４７Ｌ／ｍｉｎ，额定工作压力３  ２ＭＰａ，需要功率６８  ２ｋＷ，实际电机输出功率近似为６８  ２ｋＷ，浪费的电机功率为０。 ②工作台区间Ⅱ内运行速度ｖ＝２０ｍ／ｍｉｎ时，液压缸所需流量Ｑ＝６９８Ｌ／ｍｉｎ，额定工作压力３  ２ＭＰａ，需要功率４５  ５ｋＷ，实际电机输出功率近似为４５  ５ｋＷ，浪费的电机功率为０。（３）小结从上述传统的定量泵＋比例阀和ＩＰＭＰ变频伺服系统有限条件下的功率损耗计算可以看出，后者节能方面的优势明显。４结论在大型龙门导轨磨中，采用 “ 定量泵＋变频伺服电机”替代传统的 “ 定量泵＋比例调速阀”系统，通过变频器控制油泵的转速，用压力传感器和旋转编码器对压力及流量信号进行反馈，实现闭环控制，压力、流量可以按需输出，没有多余的功率被损耗。参考文献【１】雷秀，赵凯亮，倪萌，等．液压系统的能量损失与节能对比研究［Ｊ］．机床与液压，２０１２，４０（２）３０－３４．【２】林本宏，黎保新，魏应展．数控机床变频液压动力单元试验研究［Ｊ］．机床与液压，２００９，３７（１２）１１５－１１７．【３】雷天觉．新编液压工程手册［Ｍ］．北京北京理工大学出版社，２００６．【４】陈松楷．机床液压系统设计指导手册［Ｍ］．广州广东高等教育出版社，１９９３．８７机床与液压第４２卷

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