基于PLC與電液伺服的編環機控制系統設計

宋世哲，鄧志良

（1.江蘇科技大學 江蘇 鎮江212003；2.常州信息技術職業學院江蘇 常州213164）

基于PLC與電液伺服的編環機控制系統設計

宋世哲1，鄧志良2

（1.江蘇科技大學 江蘇 鎮江212003；2.常州信息技術職業學院江蘇 常州213164）

為了實現對大規格鏈條節距一致性和環長要固定的需求，采用了一種基于PLC與電液伺服相結合的編環機設計方案，完成了自動編環工藝的改進和伺服放大電路的設計。該系統主要通過PLC完成自動編環，針對環的寬度和長度，通過電液伺服控制系統進行精確控制，大大提高了系統的穩定性、精確度和生產效率。

大規格鏈條；編環機；PLC；電液伺服控制；伺服放大電路

根據我國經濟發展的需求，煤炭仍然是我國不可或缺的主要資源，提高煤炭的生產的能力，不僅能夠保障國民經濟的發展，而且也是國家能源安全的戰略選擇，因此我國煤炭生產企業對重型、超重型刮板輸送機、轉載機有非常巨大的需求。而大規格礦用鏈條作為刮板輸送機、轉載機上的傳動鏈，是設備的關鍵件和易損件[1-3]。它需要很多負載又矛盾的機械性能，例如高韌性和強度，既要耐磨損還要耐腐蝕等等。大規格礦用鏈的設計制造是我國煤炭生產的迫切需求，從某種意義上說，我國落后的大規格礦用鏈生產技術，制約了我國煤礦生產更進一步的需求。而提高煤炭產量就要提高刮板輸送機的承重能力，大規格礦用鏈作為刮板輸送機上的關鍵件，它的質量和性能優劣將直接影響設備的工作效率和煤礦的煤炭產量[4]。

由于國內有些國內有些制鏈企業落后的設備和生產技術，再加上大規格礦用鏈本身就需要很高的要求，導致大部分企業的產品質量都無法保證，特別是高端市場方面，幾乎被外國企業壟斷，所以迫切需要核心的技術和工藝[5-6]。例如：國內一些制鏈企業甚至用機床手工編結鏈條，而這些技術和設備條件根本無法保證大規格礦用鏈條的質量。因此，要加快設備的更新換代，在專用設備上發明創造，提高制造工藝水平。所以本題意在設計一種自動編環機伺服控制系統來解決國內缺乏制鏈技術的難題。

根據一些專家的預測，近些年國內企業對大規格礦用鏈條的需求量可能達到十幾億元，而且其推廣和實際意義更大[7]。

1　編環工藝過程

編環機的動作過程都要靠液壓機構來進行驅動，然后通過電磁閥實現所有功能。工作方式主要分為兩種：手動和自動。手動方式主要用于維修時的設備調試，自動方式主要用于平時生產時，并且通過轉換開關來實現手自動的切換，設備緊停按鈕可以保障在發生故障時設備緊急停機。工作過程如下：第一步：開始，鉗III回程，鉗I夾緊送到彎環位置，感應開關定位后，鉗I松開，返回起始位置，如圖1（a）至圖1（b）所示；第二步：中心推桿前進，到達位置后，左右加緊臂同時夾緊后放松，中心推桿返回原位，第一個半環折彎動作完成；第三步：鉗II和鉗III運動到位，分別將半圓環夾住，之后鉗II松開，圍繞中心推桿向左旋轉，到達指定位置后，鉗III松開，鉗II將圓環夾緊后，向右移動，由鉗II的感應開關定位于第二位預備彎折的中心推桿處，如圖1（c）至圖1（e）；第四步：中心推桿前進，左右加緊臂夾緊，重復第二步的動作；第五步：恢復到初始位置，為下一循環做準備，如圖1（g）。過程圖如下：

2　PLC控制系統設計

三菱FX2N系列是一種小型高性能PLC，具有功能強、速度快的特點，應用于工廠自動化的各個領域，而且能夠添加各種各樣的擴展設備，其控制規模高達256個點，其中8K的 RAM儲存器可以擴展為16K，可以連接輸入輸出擴展模塊，CPU處理速度極快[8]。

根據現場實際工藝的要求，本系統I/O點一共是56個，其中輸入是29個點，輸出是17個點。因為考慮到現場的實際情況，所以部分輸入輸出點數都有備用冗余，選用 FX2N型可編程控制器加輸入擴展FX2N及輸入、輸出電路構成。根據編環機控制要求，輸入信號包括感應開關、腳踏開關、按鈕等；輸出電路主要電器元件是電磁閥和電液伺服閥。為了滿足礦用鏈對環形、節距一致性以及環長要固定的要求，本題采用電液伺服閥控制左夾緊臂、右夾緊臂和鉗II。

根據編環機系統的功能分析，設計出PLC的部分輸入/輸出點分配及功能對照表，如表1和表2所示。

主程序流程圖如圖2所示。

圖1　編環機動作過程

表1　輸入地址分配表

3　電液伺服控制系統設計

文中選用滑閥位置反饋電液伺服閥[9-10]，通過控制流向各液壓缸和液壓馬達的流量，實現對液壓缸的位移的控制，進而控制環的節距和環長。電液伺服閥是電信號和液壓信號的橋梁，其作用是：將電氣和液壓兩種傳動連接起來，將輸入到系統的小功率電信號轉變為閥的運動，進而控制流向液壓執行元件的流量與壓力，實現電液信號的轉換與放大以及對液壓執行元件的控制[11-13]。閥控位置伺服系統的原理框圖如圖3所示。

伺服放大器的傳遞函數為：

其中，K為放大器與線圈電路增益；ω為線圈轉折頻率。

因為這里通常把伺服閥比作是電磁鐵線圈，所以其起主導作用的是二階振蕩環節。其傳遞函數為[14]：

式中：Kv為比例增益；ωv為固有頻率；ξv為阻尼比。

當動力機構固有頻率低于50 Hz時，電液伺服閥的傳遞函數為：

式中：Kv為比例增益；ωv為固有頻率；ξv為阻尼比；Tv伺服閥的時間常數。

液壓缸的位移傳遞函數為[15]：

表2　輸出地址分配表

圖2　主程序流程圖

圖3　伺服控制系統結構框圖

式中：A為液壓缸的有效工作面積；ωH為固有頻率；ξH為阻尼比。

傳遞函數的確定為液壓系統元件的選型及整個回路的仿真分析奠定了理論基礎。將系統各元件參數代入傳遞函數，就可以進行系統分析，為系統設計進行驗和優化。這里就不再進行計算和分析。

4　伺服放大器電路原理圖

伺服放大器作用是將輸入信號（電壓）同反饋信號（電壓）進行放大、比較和運算后，輸出一個與設定值成比例的控制電流給伺服閥力矩馬達，從而控制伺服閥閥芯開度大小，進而控制液壓流量，并在一定程度上能起限幅保護作用。

參數要求：1）輸入電壓在10 V以內，方便計算機和可編程控制器等指令元件實現控制；2）伺服放大器線性度誤差小于3%Fs；3）具有反饋接入端，以便構成閉環控制系統；4）為適應伺服系統高頻響應的特性，伺服放大器頻寬大于1 200 Hz；5）可限制伺服閥最大流量以及防止線路短接而導致故障。

此編環機系統中伺服放大器電路的主要功能是將PLC進行D/A轉換，將數字信號轉換為模擬信號，進而通過指令信號與閥位反饋信號的比較放，達到控制環的長度和寬度的目的。例如：0～10 V對應的就是0～100 mm。電路原理圖如圖4所示。

圖4　伺服放大器電路原理

圖中R1=120 kΩ，R2=120 kΩ，R3=220 kΩ，R4=100 kΩ，R5= 100 kΩ，R6=15 kΩ，R7=6.8 kΩ，R8=1 kΩ，R9=470 kΩ，R11=15 kΩ，R12=270 kΩ，R13=1.5 kΩ，R14=10 kΩ，R15=56 kΩ，R16=270 Ω，R17=68 Ω（功率為1 W），R18=68 Ω（功率為1 W），R19=33 Ω，R20=470 kΩ，R40=470 kΩ，R41=75 kΩ，R42=120 kΩ，R43=10 kΩ，R44=18 kΩ，R45=22 kΩ，R46=1 kΩ，R47=120 kΩ，R48=10 kΩ，R49=1 kΩ。C1= 0.1 μF，C2=100 pF，C3=0.22 μF，C5=0.1 μF，C6=4 700 pF，C7=0.1 μF，C8=0.1 μF，C9=0.1 μF，C19=0.1 μF，C23=0.1 μF，電容的電壓要控制在50 V。W1=100 kΩ，W1=100 Ω，W1=10 kΩ。20接地，8接位移傳感器，7接輸入，22接輸出。

5　結　論

該編環機控制系統針對大規格鏈條節距要一致和環長要固定的要求，采用PLC[16-17]與伺服控制相結合的方式，改進了舊式編環機粗糙的加工工藝，設計了一種針對實際應用的伺服放大器。自現場運行以來，精度完全能夠控制在1 mm，大大提高了系統的穩定性，生產效率大副提高。

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Design of control system for chain bending machine on PLC and electro-hydraulic servo

SONG Shi-zhe1，DENG Zhi-liang2
（1.Jiangsu University of Science and Technology，Zhenjiang 212003，China；2.Changzhou College of Information Technology，Changzhou 213164，China）

In order to satisfy the requirement of the pitch and length consistency of the large size chain，a chainbending machine control system based on PLC and Electro-hydraulic servo is designed in thispaper.This system use PLC to complete atomatic bending process.In connect with the pitch and length consistency of the chain，this system also use Electro-hydraulic servo to improve accuracy and stability and productivity.

large size chain；chain bending machine；PLC；electro-hydraulic servo；servo amplifier

TN05

B

1674－6236（2016）21-0143-04

2015-11-10稿件編號：201511093

宋世哲（1990—），男，江蘇邳州人，碩士。研究方向：控制理論與控制工程。