基于PLC與組態技術的變轉速液壓系統設計

解甜，許軍，彭天好

(安徽理工大學機械工程學院，安徽淮南232001)

隨著流體力學、自動控制、計算機等技術的不斷發展，液壓傳動技術已經發展成為包括傳動、控制、檢測技術、機電一體化的一門完整的自動化技術，并且在工業生產、設備控制等各個方面都得到了廣泛應用。傳統的節流調速回路存在較大的溢流損失和節流損失，液壓系統的功率效率很低，一般只用于小功率的液壓系統中。將電動機變轉速技術應用于液壓系統，構成變轉速液壓驅動系統，可以簡化液壓回路，減少液壓系統的能量損失，提高系統效率，降低噪聲等［1-2］。

變轉速液壓調速系統以變頻電機驅動液壓泵為動力源，加載泵模擬實際的工作負載，利用電信號對壓力、轉速等參量進行控制。它具有良好的調速性能、機械特性、高調速比和高可靠性，控制器變轉速液壓調速系統以組態和PLC為主，具有編程簡單、更符合人性化的人機界面、維護方便、穩定性好等優點，且可以同時控制多個參量，順應了泵控馬達變轉速液壓技術的發展趨勢。

1 變轉速實驗系統介紹

控制系統是變轉速液壓調速系統的核心，其設計水平決定著整個系統完成任務的效率和質量。為了提高變轉速液壓調速系統的穩定性，利用可編程控制器對變轉速液壓調速系統進行控制，能夠實現各個工作模式的狀態靈活轉換、各種工作狀況的實時監控、系統在異常情況下的及時報警、各種系統的參數和報警事件的保存打印等功能。該測控系統根據各參數的變化，對變頻器、比例方向閥和比例溢流閥進行控制，實現控制的目的。

在該實驗系統中構建基于組態和PLC的監控系統，能夠實現對變轉速液壓調速系統的實時數據采集，實時決策和實時控制。

1.1 實驗裝置原理

泵控馬達變轉速調速系統是變轉速液壓調速系統的一種基本傳動系統，主要由變頻器、電動機、馬達、流量控制閥和泵組合而成［3］。

實驗系統原理如圖1所示。工頻三相電源接入配電柜，由配電柜接入變頻器1的輸入側，變頻器1將工頻三相電 (380 V/50 Hz)轉換成電壓信號提供給三相異步電機2，控制異步電機拖動定量泵3旋轉，輸出一定流量的液壓油;液壓油經過單向閥4和截止閥5到達比例方向閥7，由比例方向閥7開度確定有多少流量的液壓油流向馬達8，從而使馬達8作回轉運動，馬達8出油口的低壓油經過比例方向閥回油箱;同時馬達輸出軸通過內齒形彈性聯軸器與慣量軸相連，在慣量軸上裝有慣性輪9，慣量軸通過皮帶和旋轉編碼器10連接，慣量軸的另一端用內齒形彈性聯軸器與加載泵11的輸出軸相連。柱塞泵11進油口是低壓油，出油口是高壓油，通過調節比例溢流閥15的閥口開度大小，來改變負載壓力的大小，同時電機14拖動補油泵13向模擬負載系統補油 (補油作用，防止柱塞泵11吸空，引起負載系統振蕩)。旋轉編碼器10的輸出脈沖信號通過航空接頭接入調制電路，調制電路把旋轉編碼器差動信號輸出轉換成集電極輸出，調制電路輸出的信號接入PLC20的高速計數端，經過PLC處理后送給計算機17，計算對這些信號進行采集、顯示和相關處理。

圖1 實驗裝置原理圖

1.2 電控系統硬件設計

該電控系統的硬件主要由配電柜、交流接觸器、空氣開關、變壓器、電纜、插頭、插座、PLC，穩壓器、PC機等組成。根據變轉速液壓調速系統的要求選用ABB公司型號ACS800-01-0070-3+P901的變頻器、KELLER型的壓阻式壓力、三菱FX1N-60MR型的 PLC、BOSCH 公 司 型 號 為 DBEE 10-51/3 50YG24NK31M的比例溢流閥、BOSCH公司型號4WRE10E25-2X/G24K31/A1V的比例方向閥。

泵控馬達變轉速調速系統的信號源主要有液壓系統的主油泵出口壓力傳感器信號、馬達的進口壓力傳感器信號、負載泵的進出口壓力傳感器信號和馬達的轉速信號。在工作期間，變轉速液壓調速系統按照設定的控制程序進行。其硬件組成圖如圖2。

圖2 泵控馬達變轉速系統組成

1.3 電控系統的軟件設計

基于世紀星和PLC泵控馬達變轉速調速系統的軟件包括PLC實時監控系統和工控機遠程監控軟件，前者主要是實時監測現場的壓力及轉速數據，利用一定算法實時控制變頻器的輸出頻率，改變主液壓泵轉速，同時控制比例方向閥的開度和比例溢流閥的工作壓力，后者主要實現對現場壓力和電動機及變頻器運轉等的遠程監控［4］。

該系統的編程軟件采用三菱公司的GX Developer 8.8 6版本，主要完成系統的數據采集、采樣、控制及保護等功能的程序。根據系統控制要求將系統的控制過程分解為主液壓泵啟動、補油泵啟動、比例方向閥、比例溢流閥和系統報警等工作狀態。依照各狀態的控制順序與要求，編寫各狀態的功能、轉移條件和轉移方向，如圖3所示。

圖3 PLC控制程序流程

2 工控機遠程監控軟件

組態軟件指一些數據采集與過程控制的專用軟件，它們是在自動控制系統監控層一級的軟件平臺和開發環境，能以靈活多樣的組態方式提供良好的用戶開發界面和簡捷的使用方法［5］。系統主要實現對泵控馬達變轉速調速系統的在線監測。對于選定的監測對象進行數據的采集、制作出便于觀察的實時趨勢曲線、歷史趨勢曲線、實時報警、歷史報警、實時報表和歷史報表以及數據的保存。系統組態仿真程序設計如圖4所示。

圖4 組態仿真程序設計

2.1 定義I/O設備

如圖5所示，在泵控馬達變轉速調速系統組態畫面下，設備驅動菜單下選擇設備驅動管理→新建→PLC→三菱→FX系列→串口，點擊下一步直到完成。然后再點擊設備驅動→多串口參數設定→COM1，然后選擇波特率9 600數據位7位，停止位2位，奇偶校驗選擇偶校驗，通信方式為RS485。根據變轉速液壓調速系統原理，在變量字典中新建所需要的變量，選擇要連接的設備，要訪問的寄存器的名稱和類型，設置變量大小、靈敏度、報警信息等一些參數。

圖5 驅動設備設置

2.2 世紀星畫面繪制

變轉速液壓調速系統主監控界面，如圖6所示，上位機管理及監控系統用世紀星組態軟件編程實現。可實時監控所有泵、馬達、比例方向閥、比例溢流閥等各種變量的變化。主界面主要包括以下幾個功能區:動態顯示區由圖形控件、文本等構成，動態顯示區動態顯示泵控馬達變轉速調速系統運行狀態;控制區由按鈕、文本、滑動桿構成，控制區控制系統的各個參數，根據系統運行狀況和控制目的的需要，由控制區的控件向PLC發送指令來控制電機、比例方向閥、比例溢流閥、變頻器等的運行狀態;顯示和報警區由儀器控件、實時曲線、報警曲線等曲線，顯示參數變化、參數報警，電機、比例方向閥、比例溢流閥、變頻器、傳感器等運行狀況，顯示消息、狀態和過程值;功能轉換區能夠方便的轉換各個界面。

圖6 監控系統主界面

2.3 創建實時數據庫

世紀星提供了一個變量實時數據庫。為了實現實時數據運算與處理、歷史數據存儲、統計數據處理、數據服務請求處理、報警處理等操作，設計了組態數據庫，具體設置如下:

(1)首先新建3個與數據庫有關的整數變量:連接句柄、語句句柄、錯誤標志。

(2)然后在 Access中建立數據庫，并命名為“變轉速液壓監控系統數據庫”，將其保存為:G:變轉速液壓監控系統數據庫.mdb，并在世紀星開發系統中建立一個表格模板，在字段名稱處分別鍵入“馬達進口壓力”，“馬達出口壓力”，“馬達轉速”，字段類型設為“浮點型”，保存該表。

(3)同時建立記錄列表，并將字段名稱與相應變量對應起來，然后打開數據源ODBC，添加Microsoft Access Driver為驅動程序，取名為“變轉速液壓監控系統數據源”，將其與此數據庫建立連接。

3 結束語

系統以PLC為控制核心，以組態作為監控軟件對泵控馬達變轉速調速系統進行監控，從而實現各個工作模式的狀態靈活轉換、各種工作狀況的實時監控、系統在異常情況下的及時報警、各種系統的參數和報警事件的保存打印等功能。該監控系統根據各參數的變化，對變頻器、比例方向閥和比例溢流閥進行控制，實現控制的目的。

實驗表明，組態與PLC構建的泵控馬達變轉速液壓調速系統具有控制方便、反應快速、可靠性好，實現數據動態顯示和實時傳輸，可以在PC機上對現場系統進行控制，具有良好的人機界面。為下一步優化泵控馬達變轉速調速系統的實驗研究奠定了基礎，同時對其工程應用領域有一定的借鑒意義。

【1】彭天好，楊華勇，徐兵.變頻回轉液壓系統的動態特性仿真［J］.機床與液壓，2001(3):7-9.

【2】彭天好，楊華勇，徐兵.變頻液壓技術發展及研究綜述［J］.浙江大學學報:工學版，2004，38(2):215-221.

【3】胡佑蘭，彭天好，朱劉英.MATLAB和LabVIEW混合編程及在控制系統中的應用［J］.機床與液壓，2009，37 (10):209-212.

【4】蘇靜明，洪炎.基于PLC和組態王的節能控制站遠程監控系統研究［J］.工礦自動化，2011，37(2):22-23.

【5】陳德妙，張桂香.力控組態軟件在基于CAN總線的液壓系統中的應用［J］.科學技術與工程，2004，4(12): 1046-1049.