PLC電液比例電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

艾浩　任軼　姚亮　張曉麗

摘 要：本問所涉及的系統(tǒng)是基于PLC平臺(tái)上完成電液比例閥的控制，實(shí)踐表明其具有很好的柔性，響應(yīng)速度快、硬件電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、精度高。同時(shí)采用PLC自帶的PID控制算法，程序集成度高，運(yùn)行速度快，便于實(shí)現(xiàn)快速控制，較好的滿足了電液比例系統(tǒng)的控制要求。

關(guān)鍵詞：PLC；電液比例；電氣控制

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)與工業(yè)的發(fā)展，對(duì)液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的靈敏性、穩(wěn)定性、可靠性和壽命提出了愈來愈高的要求。電液比例控制系統(tǒng)具有抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高、結(jié)構(gòu)緊湊、價(jià)格低、與計(jì)算機(jī)連接方便、控制靈活、低速平穩(wěn)性能好等諸多優(yōu)點(diǎn)，在液壓系統(tǒng)中的應(yīng)用具有重要意義。因此，將電液比例控制技術(shù)應(yīng)用于液壓傳動(dòng)系統(tǒng)中，不僅可以簡(jiǎn)化液壓控制系統(tǒng)，還可以提高液壓系統(tǒng)的控制水平，更好的滿足工業(yè)要求。

一、電液比例控制系統(tǒng)的特點(diǎn)

電液比例控制系統(tǒng)是聯(lián)系微電子技術(shù)和工程功率系統(tǒng)的接口。就其本質(zhì)而言，乃是電子—液壓—機(jī)械（E/H/M）放大轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，介于電液伺服系統(tǒng)與開關(guān)控制系統(tǒng)之間。從控制特性看，更接近于伺服系統(tǒng)，特別是使用伺服比例閥的系統(tǒng)；從抗污染性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性看，更接近于開關(guān)系統(tǒng)。系統(tǒng)本身可以是開環(huán)的，也可以是閉環(huán)的。因此，比例控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，與開關(guān)控制液壓系統(tǒng)有所差別，但也不能完全按伺服系統(tǒng)進(jìn)行，應(yīng)根據(jù)具體要求有所側(cè)重。

下面從工程應(yīng)用的角度，來看一看電液比例控制系統(tǒng)的特點(diǎn)。簡(jiǎn)化液壓系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜程控；便于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離控制或遙控；利用反饋提高控制精度或?qū)崿F(xiàn)特定的控制目標(biāo)；自動(dòng)化程度高，容易實(shí)現(xiàn)編程控制；系統(tǒng)的節(jié)能效果好。

二、電液比例控制系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀

隨著電液比例組件、電子和計(jì)算機(jī)的發(fā)展，電液比例控制的應(yīng)用將改變傳統(tǒng)的液壓傳動(dòng)控制方式。但國(guó)內(nèi)在電液比例控制上與國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家相比還有一定的差距，特別是電液比例組件方面。目前，國(guó)產(chǎn)比例閥和比例泵基本上還處于空白或起步階段，國(guó)內(nèi)電液比例控制的液壓機(jī)產(chǎn)出量還不足5%，且大多數(shù)處于低級(jí)或單一的控制階段。隨著國(guó)內(nèi)市場(chǎng)對(duì)高性能液壓機(jī)需求的不斷擴(kuò)大，低端市場(chǎng)不斷縮小，估計(jì)在五年內(nèi)，電液比例控制高性能的液壓機(jī)的產(chǎn)出數(shù)量將占到總產(chǎn)量的40%以上。 電液比例控制技術(shù)是一門起步較晚，但發(fā)展極為迅速、應(yīng)用已相當(dāng)廣泛的機(jī)電液一體化綜合技術(shù)。今天，電液比例控制技術(shù)以其一系列優(yōu)點(diǎn)在工業(yè)中應(yīng)用已經(jīng)相當(dāng)普遍，在新系統(tǒng)設(shè)計(jì)和舊設(shè)備改造中正成為用戶的重要選擇方案，對(duì)提高企業(yè)的技術(shù)專裝備水平和設(shè)備的自動(dòng)化程度，發(fā)揮了極為重要的作用。電液比例控制技術(shù)一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)是與電液伺服技術(shù)的密切結(jié)合，產(chǎn)生所謂的電液比例伺服技術(shù)。

三、電氣控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

（一）系統(tǒng)主電路

因電機(jī)容量較大，考慮不應(yīng)在啟動(dòng)時(shí)造成電網(wǎng)電壓的降落而對(duì)周圍設(shè)備產(chǎn)生影響，采用Y-△啟動(dòng)方式，這樣系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)的電流僅為全壓?jiǎn)?dòng)的1/3，電網(wǎng)電壓波動(dòng)不大，從Y接向△接的切換時(shí)間由PLC內(nèi)部的定時(shí)器確定，時(shí)間可設(shè)為8s。

（二）系統(tǒng)控制電路

根據(jù)控制對(duì)象I/0情況及控制要求，系統(tǒng)選用OMRON CPlH-XA40DT-D型PLC。該機(jī)為帶內(nèi)置模擬輸Ⅳ輸出端子型，內(nèi)置通用輸Ⅳ輸出40點(diǎn)，其中輸入24點(diǎn)，晶體管（漏型）輸出16點(diǎn)，DC電源。CPU單元內(nèi)置模擬4點(diǎn)電壓/電流輸入、模擬2點(diǎn)電壓/電流輸出，分辨率1/6000、1/12000可選。輸Ⅳ輸出分別可選擇：0V-5V、lV-5V、0V-10V、-10V-IOV、0mA-20mA、4mA-20mA等6種方式。通過擴(kuò)展CPMIA系列的I/O擴(kuò)展單元，可達(dá)到最大320點(diǎn)的輸Ⅳ輸出。通過安裝選件板，可進(jìn)行RS-232通信或RS-422/485通信（門、條形碼閱讀器、變頻器等的連接用），通過擴(kuò)展CJ系列高功能單元，可擴(kuò)展向高位或低位的通信功能等。本機(jī)較好地滿足了電液比例控制的要求，并留有了足夠的I/O點(diǎn)余量，便于今后的擴(kuò)展。I/O地址分配根據(jù)對(duì)系統(tǒng)輸入、輸出的分析，結(jié)合CPIH-XA40DT-D型PLC的元件內(nèi)部地址定義，VO地址分配見附表。為便于今后功能的擴(kuò)展，備用了3個(gè)輸入點(diǎn)、2個(gè)輸出點(diǎn)。

（三）外圍接線圖

CPlH-XAd0DT-D型PLC需DC24V電源供電，輸入端子只有1個(gè)COM，采用共點(diǎn)式連接方式。位移傳感器傳送來的模擬信號(hào)進(jìn)入內(nèi)部的200CH中供程序調(diào)用。輸出端子占用了兩個(gè)通道，除控制三通比例閥的1個(gè)模擬量輸出外，其余輸出點(diǎn)皆控制直流小型繼電器。因小型繼電器為直流感性負(fù)載，斷電時(shí)會(huì)對(duì)PLC的輸出造成浪涌電流的沖擊，為此，在其旁邊并接了續(xù)流二極管加以保護(hù)。續(xù)流二極管選用IN5819，其參數(shù)為最大峰值反向電壓40V、最大反向有效值電壓28V、最大直流阻斷電壓40V、最大正向平均整流電流lA、最大正向壓降0.6V（IA）。

（四）控制程序設(shè)計(jì)

通過控制面板的轉(zhuǎn)換開關(guān)SA，電氣控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)手動(dòng)/自動(dòng)復(fù)位控制。為了實(shí)現(xiàn)液壓缸位置的準(zhǔn)確控制，程序采用了PID算法。PLC上電后先控制油泵電機(jī)啟動(dòng)，然后由用戶設(shè)定位置控制參數(shù)，PID參數(shù)通過實(shí)驗(yàn)研究整定好后進(jìn)行設(shè)定，使用PLC程序庫(kù)中自帶的PID控制模塊進(jìn)行運(yùn)算，結(jié)果經(jīng)由210CH輸出，再通過模擬量輸出位驅(qū)動(dòng)比例閥工作，使液壓缸按要求運(yùn)行。現(xiàn)場(chǎng)位移傳感器采集液壓缸位置實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。

四、結(jié)束語

綜上所述，系統(tǒng)輸入有位移傳感器信號(hào)、位置控制啟動(dòng)信號(hào)、液壓缸手動(dòng)復(fù)位信號(hào)、油泵啟動(dòng)與停止信號(hào)、電機(jī)過載信號(hào)、電接點(diǎn)壓力表信號(hào)、系統(tǒng)復(fù)位信號(hào)等，共計(jì)模擬量1個(gè)、開關(guān)量7個(gè)。控制對(duì)象有油泵電機(jī)、三通比例閥、溢流閥、電控單向閥及顯示用指示燈。其中三通比例閥需要模擬量驅(qū)動(dòng)，輸入電流為4mA-20mA；顯示信號(hào)有油泵啟/停顯示、位置控制顯示等。

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