基于PLC的電液比例流量控制系統設計

李麗霞，毛向陽，邊東巖

(1.天津職業技術師范大學，天津300222;2.湖南省濮陽市技工學校，湖南濮陽 410900）

基于PLC的電液比例流量控制系統設計

李麗霞1，毛向陽1，邊東巖2

(1.天津職業技術師范大學，天津300222;2.湖南省濮陽市技工學校，湖南濮陽 410900）

為對原有的FESTO電液比例控制系統做進一步開發，分析電液比例控制系統的控制原理及特點，采用可編程控制器PLC作為電控制單元改進原有的額定值信號源和繼電器控制。仿真結果表明:改進后的系統相比原系統具有明顯的優勢，能夠滿足實踐教學的要求。

可編程序邏輯控制器PLC;電液比例流量控制系統

液壓比例系統是液壓領域的重要分支，也是控制技術的重要組成部分。它控制簡單，維護方便，成本較低，體積小、質量輕，控制精度高，響應速度快;液壓元件的潤滑性好、壽命長;調速范圍寬、低速穩定性好;過載保護容易;解決溫升問題比較方便。由于液壓比例系統的突出優點，使得它在國民經濟的各個部門和國防建設等方面，諸如冶金、機械等工業部門、飛機、船舶等交通部門及航空航天技術、海洋技術、近代科學實驗裝置和武器控制等方面，都得到了廣泛的應用。

1 概述

某院引進的德國FESTO電液比例控制系統包括比例液壓系統和電氣控制兩部分，在多年的企業技術培訓中應用效果較好，增強了學員的動手能力。但也存在一些問題:FESTO目前配置的訓練系統電控部分有連續的模擬信號及開關量信號，模擬量通過額定值信號源實現，開關量的控制依賴于傳統繼電器控制來實現，系統體積大，可靠性差，功能少，難于實現較復雜的控制，特別是依靠硬件連線邏輯構成的系統，連線復雜，容易出錯，且錯誤之處查找非常困難，糾錯難度大;在系統設計訓練中，控制時間難于準確確定;各并聯電路是同時工作的，由于實際元件動作的機械慣性和觸點競爭等問題，導致動作失誤。因此，在原有訓練系統上，對控制技術做了一些改進，利用可編程控制器PLC代替了原有的額定值信號源和繼電器控制，簡化了系統線路的連接，拓寬了技術領域，在很大程度上改善系統性能，簡化訓練內容繁瑣程度;利用PLC的特點進行系統訓練的開發，提高學生對比例液壓、PLC編程及相關綜合控制技術的綜合實踐能力。

2 電液比例液壓系統方案選擇

系統工作循環過程見圖1。

圖1 系統工作循環過程

電液比例控制系統原理圖見圖2。該系統由定量泵、比例方向閥 (可做流量閥）、兩位四通電磁換向閥 (控制液壓缸的雙向運動）、液壓缸、位移傳感器(輸入模擬信號）組成方向、流量控制系統。其流量調節原理是:將位移信號轉變為電壓，反饋控制比例方向閥的比例線圈開口的大小，控制通過閥的流量，達到調速的目的。用二位三通電磁換向閥控制馬達旋轉的方向。單向閥控制馬達制動時不變為泵的工作狀態，起背壓的作用。

圖2 系統原理圖

3 PLC－電液比例控制系統的設計

3.1 系統設計框圖

系統設計原理圖見圖3。

圖3 系統設計原理圖

3.2 線性位移傳感器

傳感器的作用是把執行器的輸出位移信號轉化成可以與指令信號做比較的反饋信號。此系統采用線性位移傳感器，其物理變量“位移”被轉變成電壓。由電壓分配原理可知，電阻與電位計長度L成正比。

位移傳感器的賦值數值表，如表1所示。

表1 位移傳感器行程－電壓表

活塞桿位移－輸出電壓特性曲線見圖4。

圖4 行程－電壓特性曲線

位移傳感器接口原理圖見圖5。

圖5 位移傳感器原理圖

參考電源是一個電子模塊，用于獲取高精度的電壓。該電壓源為電位計提供電壓。電源電壓的波動不會對參考電源產生影響。

如果線性位移傳感器的信號輸出過程中，電流通過一個耗能元件，那么電壓分配器處于載荷狀態，因此電壓會改變。通常阻抗轉換器是一個絕緣放大器，實際上它使電位計保持在無載荷狀態，信號電壓維持不變。帶有保護電路的阻抗轉換器鑄進電位計電纜中。同時，當連接互相替換時，該線路保護電位計免遭損壞。

位移傳感器連線圖見圖6。

圖6 傳感器接線圖

3.3 PLC邏輯控制系統設計

I/O分配表，如表2、3所示。

表2 輸入傳感器及開關I/O分配表

表3 輸出繼電器I/O分配表

I/O硬件接線圖見圖7。

圖7 PLC硬件接線圖

PLC控制系統梯形圖見圖8。

圖8 PLC控制系統編程梯形圖

系統中的雙電控比例閥的放大器連線圖見圖9所示。

圖9 比例電磁閥線圈連接圖

用放大器將控制器輸出的信號放大成具有一定驅動功率的控制電流加到電液比例閥的線圈上，控制比例方向閥開口的大小，從而控制系統的流量變化。放大器電流負反饋還通過減小線圈電感的影響縮短比例閥的響應時間，使得液壓缸活塞桿的位置輸出動態響應性能大大改善。調整放大器偏流和增益，能在誤差信號過大時保護比例閥線圈不被燒毀的飽和特性。

3.4 控制系統原理特點分析

采用位移傳感器和比較器進行基本控制。

液壓缸活塞桿在初始位置 (桿完全縮回）時，操作啟動開關，記錄一個低于額定值的臨界值。如之前的電位計裝配中，在液壓缸活塞桿到達最末端位置，電位計發出一個為0的信號值，當信號值稍有增強時，則顯示臨界值。在此控制系統中，采用了常閉觸點Kc1(即梯形圖中X4），由于梯形圖邏輯操作為“非”運算時，常閉觸點斷開，液壓缸能在返回到末端位置后再次啟動條件成立。

中位轉換點。在向前推進期間，臨界值的觸發開關Kc2(梯形圖中X5）操作啟動.液壓缸工作進給;同時液壓馬達旋轉。

前進到活塞桿前端位置，當到達臨界值10 V時，進行信號處理，常開觸點C3(梯形圖中X3）閉合，觸發Y3得電，中斷2Y1、3Y1電磁線圈，因而觸發返回行程。

(1）采用電液比例液壓閥控制大功率的液壓輸出

電液比例閥是電液比例控制系統的關鍵元件，它既是系統中電氣控制部分與液壓執行部分之間的接口，又是實現用較小電氣信號去控制大功率的液壓輸出 (壓力和流量）元件，電液比例閥特性直接影響、決定整個系統的特性。

(2）控制系統步驟說明

如圖10所示為系統步驟－位移圖。圖中C1為位移傳感器的初始位置，C2為位移傳感器的缸工進開始和馬達正轉開始位置，C3為位移傳感器末端位置(使活塞桿返回和馬達反轉位置）。

圖10 步驟位移圖

4 結論

搭建電液比例位置控制系統，選用三菱FX2n-48MR PLC實現控制，采用軟件編制了相關PLC控制程序，在FESTO訓練裝置上完成了基于PLC的比例液壓控制系統的方向、調速回路設計，仿真結果證明:此比例液壓調速在功率質量比、調速范圍、穩定性、自動控制等方面具有明顯優勢，也能夠滿足機電類本科生機電液綜合設計實驗教學的要求，具有教學、科研的多重實用功能。

【1】宋志安．基于MATLAB的液壓伺服控制系統分析與設計［M］．北京:國防工業出版社，2007．

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【7】胡學武，盛小明．基于單片機的液壓節流調速實驗的自動測試系統設計［J］．機床與液壓，2010，38(24）:59－60．

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Design the Electrohydraulic Proportional Flow Control System Based on PLC

LILixia1，MAO Xiangyang1，BIAN Dongyan2
(1.Tianjin University of Technology and Education，Tianjin 300222，China;2.Hunan Province Puyang City Vestibule School，Puyang Hunan 410900，China）

In order tomake further development for the original FESTO electro-hydraulic proportional control system，its control principle and characteristicswere analyzed，and programmable logic controller PLC was used as electric control unit to improve the original rated value signal source and relay control．The simulation results indicate that the improved system has obvious advantages over the original one，which canmeet the requirements of practical teaching．

Programmable logic controlle;Electro-hydraulic proportional flow control system

TH137.9

A

1001－3881(2013）4－130－3

10．3969/j.issn.1001 －3881.2013.04.041

2012－01－21

天津市高校科技發展基金項目資助 (20090403）

李麗霞 (1963—），女，高級實驗師，主要研究方向為機電液一體化控制技術。E－mail:art_li_love@126.com。