基于FluidSIM-H 的剪板機液壓系統設計及控制

郭聯金，宋成艷

(1.東莞職業技術學院，廣東東莞 523808;2.中國電子科技集團公司第四十九研究所，黑龍江哈爾濱 150001)

剪板機用于剪切各種厚度的鋼板材料，是機加工中應用較為廣泛的一種剪切設備。某液壓剪板機設備用于剪切自動生產線上下料的薄型金屬板材，它能按加工要求將金屬薄板剪切開，并由料車收集，自動輸送至下一工序。

1 系統主機功能結構

液壓剪板機的結構原理圖如圖1 所示，其中，板料的壓緊和剪切由液壓缸驅動。啟動系統，液壓系統升壓到工作壓力，電動機驅動送料帶將板料向右傳送，當板料達到規定的剪切長度時，碰到行程開關SQ1，送料停止。同時壓塊由壓緊缸帶動下落，壓塊上限開關SQ2 接通。當板料壓緊、壓塊到位時，壓塊下限開關SQ3 接通，3 s 后，剪刀由剪切缸帶動下落。此時，SQ4 接通，板料落入料架，行程開關SQ1 復位斷開。光電開關SQ5 對落入小車的板料進行檢測計數。與此同時，壓緊缸、剪切缸分別回程復位，送料電機重新啟動，繼續進入下一次自動工作循環，直至料架上的板料達到設定數時，系統停止工作［1］。

圖1 自動剪板機原理示意圖

2 液壓回路設計

在FluidSIM-H 軟件上設計的剪板機液壓回路如圖2 所示，液壓系統采用變量泵1 供油，先導式溢流閥2 用于設定系統的工作壓力(由壓力表及其開關4顯示)。二位二通電磁換向閥3 用于控制液壓系統的卸荷。壓緊缸13 和剪切缸14 的運動方向分別由二位四通電磁閥8 和9 控制。壓緊缸工作壓力較低，由減壓閥6 設定并由壓力表及其開關7 顯示。單向順序閥10 作平衡閥，用于防止釋壓時壓緊缸13 因自重下落。單向節流閥12 用于剪切缸14 下降時的回油節流調速。液控單向閥11 用于剪切缸上位時的鎖緊［2］。蓄能器15 作為能量貯存元件，用于系統的輔助油源。

圖2 剪板機液壓系統控制原理圖

3 PLC 控制設計

3.1 硬件設計

根據液壓剪板機的控制要求，所設計的液壓控制系統需要15 個輸入信號、8 個輸出信號，且都為開關量?？紤]到系統維護、功能擴展、系統改造和經濟性等因素，選用西門子S7-200 CPU 226 型PLC 作為控制器，它具有24 個輸入點和16 個輸出點，可滿足控制要求。系統I/O 分配及PLC 外圍接線如圖3 所示。

圖3 PLC I/O 接線圖

3.2 軟件設計

PLC 控制程序的流程圖如圖4 所示。

圖4 PLC 程序流程圖

由于系統有自動、手動、復位3 種工作方式，采用模塊化的程序結構使程序具有結構簡單、清晰、編寫方便的優點。主程序中包括系統初始化程序、復位程序、手動控制程序和自動控制程序4 個子程序［3］。其中手動/自動的選擇由手動選擇開關SA 來實現。

初始化程序主要完成泵的啟動、系統升壓、板料剪切數的預設。這部分程序為系統的正常工作作好準備。復位程序主要完成夾緊液壓缸、剪切刀具液壓缸回復到初始工作位置。手動控制程序主要包括:急停按鈕SB0，用于切斷系統總電源以實現多地控制和系統安全;泵啟動按鈕SB1，用于啟動液壓泵電機;加壓按鈕SB2，用于將系統壓力升至正常工作壓力;泵卸載按鈕SB3 既可作為正常的停止按鈕，又可作為急停按鈕;手動按鈕SB4 實現傳送帶送料;手動按鈕SB5 實現板料壓緊;手動按鈕SB6 實現板料剪切;SB7 實現回原位狀態;SB8 實現停止剪切。自動控制程序分別由各種限位開關、行程開關、光電開關SQ1～SQ5 進行信號采集，由PLC 讀入這些信號，從而實現板料剪切過程的自動控制。根據I/O 端子分配、程序流程圖，在PLC 的編程軟件STEP 7 MicroWIN 中編寫梯形圖，便可得到液壓剪板機的PLC 控制程序(梯形圖略)。

4 FluidSIM 仿真與實驗臺模擬

(1)FluidSIM 仿真

為了降低硬件設備在線調試運行的未知性，提高程序的可靠性，縮短系統開發時間，先用PLCSIM 仿真軟件對編輯好的梯形圖進行離線模擬。因Fluid-SIM-H 無法與PLCSIM 進行直接通信，在此選用FESTO 公司開發的Vswitch 軟件，借助FluidSIM 提供的DDE 元件，通過動態數據交換技術，實現FluidSIMH 與PLCSIM 的聯合仿真［4］。其步驟為:先在Fluid-SIM 中，進行DDE 通信設置;再進入PLCSIM，仿真運行液壓剪板機的PLC 控制程序;最后進入Vswitch軟件，并啟動Vswitch 軟件的數據交換［5］。DDE 輸入口從外部讀取按鈕、行程開關等數據到FluidSIM-H中，控制液壓回路的動作;DDE 輸出口將液壓回路的繼電器線圈、電磁線圈等狀態信號輸出到PLCSIM中，從而完成仿真控制過程。仿真步長設置為1 s，圖5 為液壓剪板機仿真效果圖，圖中模擬了液壓剪板機自動運行一個周期內各元件順序動作狀態的變化。當板料長度達到設定值(SQ1=1)，壓緊缸下行(行程200 mm)，壓塊到達下限(SQ3=1)3 s 后，剪切缸下行(SQ4=1，行程200 mm)，2 s 后，壓緊缸、剪切缸回程復位。從仿真結果可見，液壓剪板機的動作控制符合設計要求。

圖5 剪板機單周期運行仿真效果

(2)實驗臺模擬

在PLC 控制的液壓實驗臺上，按圖2 搭建剪板機液壓回路，按圖3 對PLC 的輸入輸出端進行硬件接線，并將仿真調試好的梯形圖程序下載到S7-200 PLC 中并進行模擬調試與運行。調整各行程開關SQ2、SQ3、SQ4 的位置，并以按鈕開關或行程開關模擬送料到位SQ1、光電計數SQ5 等信號的動作，觀測兩個液壓缸及各輸出元件的動作、指示燈的狀態。實驗結果與仿真結果基本吻合。

5 結束語

對液壓剪板機的油路及PLC 的控制進行了設計。通過FluidSIM 軟件仿真與實驗臺模擬實驗，驗證了設計方案的可行性與有效性。該法可降低系統設計與開發的未知性，提高系統運行的可靠性，節省設計時間，為科研以及學校實驗教學的項目設計與開發搭建了很好的平臺，也可為類似的機電液(氣)一體化系統的研究和設計提供借鑒。

［1］張利平.現代液壓技術應用220 例［M］.北京:化學工業出版社，2009:16 -18.

［2］丁時鋒，李清香.基于PLC 的板料液壓剪切機系統設計改造［J］.液壓與氣動，2007(7):70 -72.

［3］王守城，段俊勇.液壓系統PLC 控制實例精解［M］.北京:中國電力出版社，2011:53.

［4］岳玉環.基于FluidSIM 與PLCSIM 液壓控制系統的聯合仿真［J］.液壓氣動與密封，2012(6):27 -29.

［5］梁云峰，谷鳳民，李湘偉.基于FluidSIM 的仿真方法在液壓動力頭控制系統中的應用［J］.煤礦機械，2012(10):221 -223 .