一種自動卸料機構的電控液壓系統的設計方案

周奇才，張慧群，宋世明

（同濟大學 機械與能源工程學院，上海 201804）

0 引言

一般自動卸料機構采用一個伸縮式液壓缸來控制車身的傾斜程度，進而達到自動卸料的目的，但是對于垃圾箱的卸料如果采用上述方法，會出現垃圾箱底部的垃圾卸不干凈的現象；本論文中所涉及的自動卸料機構，其原理為通過控制多個雙作用液壓缸的順序及同步動作的先后順序，具體工作過程如圖1所示，來達到自動卸料的目的；因此對于本文中提到的自動卸料機構的電控系統不僅需要控制多個雙作用液壓缸的順序動作，也需要控制多個雙作用液壓缸的同步動作，一般對液壓缸的順序動作和同步動作分別控制時，比較簡單；但放在一個控制系統中時則很難同時滿足，本文中采用電磁換向閥和電液比例流量閥結合的方式，并且采用PLC和PID對電磁換向閥和電液比例流量閥分別控制，達到對液壓缸順序動作及同步動作先后順序的控制，進而達到對卸料機構的自動控制。

圖1 自動卸料系統的四個工作相位

1 工作原理

電磁換向閥是電磁控制的工業設備，屬于執行元件，電磁換向閥通過和電路的配合來達到對液壓缸運動方向的配合；電磁換向閥的工作原理為通電時，電磁線圈產生電磁力把關閉件從閥座上提起，閥門打開，該油路通，進而達到換向的目的。

電液比例流量閥一般是由電氣—機械轉換器、液壓放大器和檢測反饋機構組成；可接受電信號指令，連續地控制液壓系統的流量，使之與輸入電信號成比例地變化。本液壓控制系統中選擇電液比例閥而不是伺服閥的原因是：與高精度、動態響應好的伺服閥相比，比例閥雖然與其在性能上有一定的差別，但其有顯著的優點是抗污染能力強，可減少由工作環境帶來的工作障礙；另一方面比例閥的成本比伺服閥低，結構簡單[1]。

本系統中所采用電控液壓系統總體示意圖如圖2所示，本文通過PLC結合檢測位移傳感器的情況來控制電磁換向閥的得電順序，以及電磁換向閥和電液比例流量閥的串聯，兩種方法的結合來解決同一個控制系統中對多個雙作用液壓缸的同步控制和順序控制的問題。

圖2 電控液壓系統總體示意圖

本液壓控制系統中三個液壓缸的同步控制原理為通過PID(Proportion Integration Differentiation)控制電液比例閥的開口大小，PID控制變量為三個液壓缸之間的位移差，即雙作用液壓缸B的位移量由雙作用液壓缸A的位移量與B的位移量的差值進行控制，以此類推，雙作用液壓缸C的位移量由雙作用液壓缸B的位移量與C的位移量的差值進行控制，雙作用液壓缸A的位移量由雙作用液壓缸C的位移量與A的位移量的差值進行控制；因液壓系統中液壓缸運動的快慢與液壓缸離液壓泵的遠近有很大關系，所以在此系統中雙作用液壓缸A運動最慢，用最慢的液壓缸控制其他兩個液壓缸的位移量，并且同步起始位置時，若三個液壓缸位移量無差別，三個液壓缸不會運動，所以本系統中設置電液比例閥的起始位置為連通狀態，進而保證了三個液壓缸的同步運動[2]。而三個雙作用液壓缸的順序控制采用PLC控制電磁換向閥的得電情況進而達到對雙作用液壓缸的順序控制。具體工作原理如下：

1）系統首先會檢查限位開關S01、S03、S05的狀態，當全部為閉合狀態時，圖1中7三位四通電磁換向閥的左電磁鐵YA1得電，雙作用液壓缸A開始無桿腔進油，有桿腔出油，液壓缸A的液壓桿推出，即A缸拉回。

2）如圖1所示，當A缸液壓桿運動到最右端，碰到限位開關S02時，圖1中8三位四通電磁換向閥的左電磁鐵YA3得電，B缸開始無桿腔進油，有桿腔出油，即B缸拉回。

3）當B缸液壓桿運動到最右端，碰到限位開關S04時，圖1中9三位四通電磁換向閥的左電磁鐵YA5得電，C缸開始無桿腔進油，有桿腔出油，即C缸拉回，以上為雙作用液壓缸的順序控制。

4）當檢測到S02、S04、S06同時閉合時，啟動延時，在該程序中設定延時1s是為了使物料沉積到料倉底部，便于卸料。

5）1s之后，圖1中7三位四通電磁換向閥的右電磁鐵YA2、8三位四通電磁換向閥的右電磁鐵YA4、9三位四通電磁換向閥的右電磁鐵YA6同時得電，此時對電液比例流量閥的控制采用PID控制，在此過程中需要調整PID參數達到一種平衡狀態，才能使三個液壓缸中液壓桿同時拉回，即三個液壓缸同時推出，而PID參數的調整采用仿真進行。

6）當三個液壓缸同時運動到最右端，限位開關S01、S03、S05同時閉合時，進入下一個工作循環。

2 應用舉例

本文中設計的系統主要用于生活垃圾箱的自動卸料，為了使仿真效果和實際效果相同，結合實際應用情況設定相關參數，具體如下，液壓缸的缸徑選用，液壓缸的桿徑選用，液壓缸行程選用，液壓泵流量設定為，根據物料的重力以及摩擦參數計算出液壓缸的液壓桿拉回所需拉力為，推力為，這里具體的計算過程就不詳細列出了，本文的重點是如何選用PLC型號，以及控制程序的編寫。

在該系統中PLC選用的類型對控制效果好壞影響比較大，由PLC選型規則可知，一般可根據輸入輸出（I/O）點數、存儲器容量和控制功能的選擇等確定PLC的功能、外部設備特性等；因本控制系統中控制功能、程序復雜度等較簡單，PLC的選型主要是根據輸入和輸出（I/O）的點數選擇具體的PLC型號，具體輸入和輸出（I/O）點數及意義如表1所示。

表1 輸入輸出（I/O）點數及其含義

本系統的控制要求為閉環控制，由自動卸料工作過程可知，3個雙作用液壓缸先是根據位置信息量進行順序邏輯控制，然后采用PID(Proportion Integration Differentiation)控制單元來控制3個電液比例流量閥，進而控制三個雙作用液壓缸的同步，具體PID控制變量設置如圖3所示。由上述I/O點數和控制功能的特點本方案選擇西門子S7-300系列[3]，基本滿足對液壓系統的控制功能，且成本相對較低。

圖3 PID控制變量的設置

確定PLC型號之后，可按表2進行PLC的I/O地址分配和圖4進行PLC端子接線。按照上述所確定的整體方案和PLC相關接線圖，利用Automation Studio軟件對整個系統進行建模仿真，建模完成后按照前面介紹的工作流程，以及控制要求，在PLC編程器中編制出梯形圖程序，如圖5所示。

圖5 梯形圖

表2 PLC的I/O地址分配表

圖4 PLC的端子接線圖

3 結果演示

因本方案中需要模擬仿真PLC對液壓系統的控制作用，而仿真軟件Automation Studio滿足PLC和液壓這兩點要求，所以本系統采用Automation Studio進行PLC仿真[4]，根據編寫的控制程序對三個雙作用液壓缸的順序和同步控制結果通過對位移曲線圖進行演示，結果演示如下。

從圖6三個液壓缸的位移曲線圖中可以看出：在按下“開始”鍵之前，三個液壓缸的位移為0cm，當按下“開始”鍵之后，A缸位移開始增加，如圖中綠色線所示，表示A缸開始移動，方向為圖2中所示A缸中液壓桿右移，即液壓缸A開始拉回；當A缸中液壓桿碰到限位開關S02時，A缸位移量不再增加，保持在最大值20cm，而B缸位移開始增加，如圖中藍色線所示，表示B缸開始移動，方向為圖1中所示B缸液壓桿右移，即液壓缸B開始拉回；當B缸碰到限位開關S04時，B缸位移量不再增加，保持在最大值20cm，而C缸位移量開始增加，如圖中紅色線所示，表示C缸開始移動，方向為圖1中所示C缸液壓桿右移，即液壓缸C開始拉回；當C缸碰到限位開關S04時，圖6中三條曲線重合，停止增加，保持不變，持續時間為；之后，三條曲線同時下降，且重合在一起，表示三個液壓缸同步推出，如圖1中所示，三個液壓缸中的液壓桿同步后退，即三個液壓缸同步推出；當三個液壓缸的位移曲線同時下降為0cm時，雙作用液壓缸A的位移量開始增加，如圖中第二條綠色線所示，表示已進入下一個運動周期，至此完成了三個液壓缸的運動狀態仿真。

圖6 三個液壓缸的位移曲線圖

在圖6中位移曲線圖中可以看出，基本實現了對三個雙作用液壓缸的順序控制及同步控制，且同步效果較好，很好的解決了對同一控制系統中多個液壓缸的順序動作和同步動作之間的先后順序的控制；而圖7則表示為在運動周期內，任意位置在按下“停止”按鈕之后，再按下“開始”按鈕，則液壓缸會按照原來的位置繼續運動下去，該功能保證了當遇到緊急情況時，按下“停止”按鈕，液壓缸會停止運動，當緊急情況解除時，再按下“開始”按鈕，液壓缸會繼續按照原有的控制運動下去，具體結果如圖7所示，使整個電控液壓系統功能更加完善。

圖7 基本控制功能演示曲線圖

4 結論

本文通過有效設計液壓控制回路，并且結合PLC控制和PID控制達到對三個雙作用液壓缸的同步動作和順序動作的雙重控制，進而達到對卸料的自動控制。在設計過程中如果沒有很好的處理兩者的關系，則會出現液壓缸停止不動的現象，并且結合Automation Studio軟件可以有效的仿真PLC對液壓缸的控制效果，可實時觀察液壓缸的運動狀態，實現了對液壓控制系統的動態演示。

[1] 黃志堅.液壓伺服與比例控制實用技術[M].北京：中國電力出版社,2012：111-116.

[2] 蘇東海,孫占文.AMEsim仿真技術在電液位置同步系統中的應用[J].液壓氣動與密封,2007(6)：13-15.

[3] 蔡杏山.西門子S7-200 PLC技術[M].北京：人民郵電出版社,2010.

[4] 周潤景,張麗娜,劉夢男.基于Automation Studio的PLC系統設計、仿真及應用[M].北京：電子工業出版社,2012.