基于QCS014A實驗臺的比例閥實驗系統(tǒng)

何 俊， 夏 斌

(四川大學(xué) 制造科學(xué)與工程學(xué)院，成都 610065)

基于QCS014A實驗臺的比例閥實驗系統(tǒng)

何 俊， 夏 斌

(四川大學(xué) 制造科學(xué)與工程學(xué)院，成都 610065)

基于原有QCS014A實驗臺開發(fā)了電液比例閥實驗系統(tǒng)，在充分利用現(xiàn)有設(shè)備硬件基礎(chǔ)上進行硬件補充和軟件編制。該系統(tǒng)運用LabVIEW軟件編寫系統(tǒng)人機界面，通過串口實現(xiàn)人機界面和PLC通信，設(shè)定的控制參數(shù)通過PLC實現(xiàn)電磁閥通斷和比例閥的閥芯位置控制，PLC同時采集壓力流量等信號反饋給人機界面，經(jīng)過相應(yīng)處理，界面實時顯示實驗結(jié)果波形和比例閥性能指標(biāo)。該比例閥實驗系統(tǒng)可以進行電液比例換向閥、電液比例流量閥、電液比例溢流閥性能測試，實現(xiàn)比例閥的穩(wěn)態(tài)控制特性、穩(wěn)態(tài)負載特性、動態(tài)特性曲線測量。同時，為了加深學(xué)生對比例閥運用的了解，系統(tǒng)還可進行雙缸同步實驗，通過PID控制實現(xiàn)雙缸精確同步。借此系統(tǒng)，開設(shè)了比例閥的性能測試和雙缸同步實驗，取得了良好實驗效果。

電液比例閥; LabVIEW軟件; 串口通信

0 引 言

電液比例閥是介于開關(guān)型液壓閥和伺服閥之間的一種液壓元件[1]，閥內(nèi)部比例電磁鐵根據(jù)輸入的電壓信號產(chǎn)生相應(yīng)動作，使閥芯產(chǎn)生位移，閥口尺寸發(fā)生改變以實現(xiàn)和輸入電壓成比例的壓力、流量輸出的元件。現(xiàn)階段比例閥的控制精度和響應(yīng)速度方面可媲美伺服閥，但比起伺服閥其具有價廉和抗污染能力強等特點，在工業(yè)過程控制獲得廣泛的應(yīng)用，代表流體控制技術(shù)的發(fā)展方向[2]。高校常規(guī)的液壓實驗教學(xué)受實驗設(shè)備和經(jīng)費的限制，只開設(shè)常規(guī)的開關(guān)型液壓閥實驗，幾乎很少涉及到電液比例閥。機械設(shè)計及其制動化專業(yè)運用秦川機械QCS014A液壓實驗臺開設(shè)了大量的基礎(chǔ)液壓實驗，但由于設(shè)備的局限，從未開展過電液比例閥相關(guān)的實驗項目。為了符合培養(yǎng)卓越工程師的目標(biāo)，從培養(yǎng)學(xué)生角度出發(fā)，對QCS014A液壓實驗臺進行改造，添置符合實驗需求的液壓閥和傳感器，同時基于LabVIEW圖形化設(shè)計開發(fā)實驗界面，開發(fā)電液比例閥實驗系統(tǒng)，增強學(xué)生對電液比例閥的理解和實際運用，彌補常規(guī)液壓實驗不足，取得良好效果。

1 實驗系統(tǒng)簡介

QCS014A液壓實驗臺采用裝拆式液壓元件，管路連接采用快換接頭和膠管總成，裝拆方便。電氣采用工控機加PLC控制，可實現(xiàn)液壓基本回路教學(xué)實驗。該實驗臺含有常規(guī)的液壓元件、工控機、PLC，可以方便進行二次開發(fā)。由于電液比例閥是電液控制系統(tǒng)的關(guān)鍵元件，其靜態(tài)和動態(tài)特性測試在電液控制系統(tǒng)的理論與實驗研究中具有十分重要的意義[3]。同時多缸同步液壓回路被廣泛地應(yīng)用于國防、能源、機械制造等領(lǐng)域，重型負載提升和推拉場合[4-5]。為此本電液比例閥實驗系統(tǒng)主要開展電液比例閥性能測試和雙液壓缸同步實驗。

實驗系統(tǒng)以工控機為上位機，控制PLC實現(xiàn)液壓回路中電磁閥工作和實現(xiàn)電液比例閥的控制電壓輸出，系統(tǒng)壓力、流量、位移等信號通過PLC的模擬量輸入模塊進行采集，LabVIEW軟件制作操作界面，實現(xiàn)記錄和數(shù)據(jù)處理。整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 實驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

實驗系統(tǒng)在原有的QCS014A液壓實驗臺上進行改造，保留原實驗臺的功能，并且考慮成本問題，將已有的PLC作為控制核心，控制電磁閥、電液比例閥和接收傳感器信號。電液比例閥控制信號和傳感器信號都是模擬量信號，為此PLC搭載合適的模擬量模塊。工控機與PLC通信，傳遞控制信號給PLC，通過編譯PLC對外輸出電磁閥的開關(guān)信號和比例閥控制模擬量信號，實現(xiàn)電磁閥和電液比例閥控制。PLC接收到傳感器信號后，將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字量信號傳遞給工控機，實現(xiàn)狀態(tài)監(jiān)控。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 液壓回路搭建

整個實驗系統(tǒng)液壓回路分為電液比例閥性能測試和雙缸同步回路實驗。電液比例閥性能測試液壓回路如圖2所示。

圖2 電液比例閥性能測試回路圖

圖中，電液比例換向閥5、電液比例流量閥8、電液比例溢流閥10為被測電液比例閥，電液比例溢流閥閥12與變量泵2作為液壓源和安全閥。電磁換向閥4、6、9的不同狀態(tài)組合決定液壓油的走向，從而對不同的電液比例閥進行測試。4個單向節(jié)流閥4保證油液在任意液流方向下順利流過電液比例流量閥8。被測閥端口處壓力通過壓力傳感器3測得，流量通過傳感器11測得。整個系統(tǒng)可以通過PLC自動控制構(gòu)成不同回路，測試不同的比例閥。

為了進一步體現(xiàn)電液比例閥的實際運用，為此還設(shè)計了雙缸同步實驗以測試和調(diào)整同步效果。實驗所用液壓回路如圖3所示，圖中，電磁換向閥型4負責(zé)控制液壓缸6的伸出和縮回，單向節(jié)流閥8控制主動液壓缸的速度，此速度作為標(biāo)準，而電液比例流量閥3控制從動缸的速度，實現(xiàn)主從式控制，此控制方式的誤差取決于同步執(zhí)行元件的跟蹤誤差[6]。電液比例溢流閥閥控制系統(tǒng)壓力。為了模擬偏載情況下液壓缸的同步情況，給液壓缸施加不同負載7。

2.2 控制和檢測模塊構(gòu)建

整個實驗系統(tǒng)通過PLC來控制電磁閥的動作，同時控制電液比例閥的壓力、流量，傳感器信號也需要通過PLC來采集。為了滿足設(shè)備使用要求，在原有的PLC模塊基礎(chǔ)上增加了模擬量輸入/輸出模塊，并且根據(jù)系統(tǒng)的使用要求增添實驗所需的傳感器。原系統(tǒng)已配備了臺達DVP-14SS PLC主機，16端口數(shù)字量輸入輸出、8端口數(shù)字量輸入模塊、4通道模擬量輸入模塊，2通道模擬量輸出模塊。根據(jù)液壓實驗系統(tǒng)的要求，PLC需要采集至少4路壓力傳感器，2路流量傳感器信號，同時還須采集比例閥驅(qū)動器反饋的電流信號。為此需要為PLC更換或添加模擬量輸入輸出模塊，考慮到實驗系統(tǒng)傳感器和被控電液比例閥的需求，增設(shè)DVP06XA-E2模擬量輸入/輸出混合模塊。為了保證傳感器性能一致性，壓力傳感器選用航天11所研制的Dacy420傳感器，流量傳感器選用上海九儀的LWGY-10B型渦輪流量傳感器。傳感器產(chǎn)生4～20 mA的電流信號，通過PLC模擬量輸入端口進行采集，經(jīng)過相應(yīng)處理加以顯示輸出。硬件的連接相對比較簡單，只需要對增設(shè)模擬量輸入/輸出混合模塊組態(tài)，并按要求連接比例閥驅(qū)動器和傳感器即可。

圖3 雙缸同步實驗回路圖

3 測試內(nèi)容與系統(tǒng)保障

3.1 實驗測試內(nèi)容

電液比例閥性能測試和方法參照相關(guān)機械行業(yè)標(biāo)準，比例閥的主要特性可歸納為：

(1) 穩(wěn)態(tài)控制特性。電液比例閥的控制輸入量與輸出控制量(例如壓力、流量等)之間關(guān)系的特性。穩(wěn)態(tài)特性對方向閥和流量閥而言，主要是記錄流量和輸入電信號的關(guān)系，同時計算滯環(huán)、線性度、對稱度、零偏和重復(fù)精度[7]。對溢流閥而言，主要是記錄壓力和輸入電信號的關(guān)系，同時計算滯環(huán)、線性度和重復(fù)精度。

(2) 穩(wěn)態(tài)負載特性。電液比例閥在某一設(shè)定的控制輸入量時，其對應(yīng)的輸出量穩(wěn)態(tài)抗負載干擾能力。

(3) 動態(tài)特性。整個電液比例控制裝置的動態(tài)響應(yīng)特性，用時域特性和頻域特性來描述。時域特性對流量閥和方向閥，主要是記錄輸入電信號和輸出流量關(guān)系和記錄負載壓力和輸出流量的變化關(guān)系，繪制輸入階躍響應(yīng)曲線，求取調(diào)節(jié)時間和超調(diào)量；對壓力閥而言，就是記錄輸入電信號和輸出壓力，負載流量和負載壓力的關(guān)系。頻域特性，就是記錄夫之比和相位差，繪制頻率特性曲線，計算幅頻寬和相頻寬。

3.2 實驗測試保障及原理

電液比例閥性能測試對液壓系統(tǒng)和激勵信號有特定的要求，在進行比例流量閥和方向閥穩(wěn)態(tài)流量測試時，國標(biāo)要求在恒定壓降條件下測試輸出流量和輸入電流的關(guān)系，為此采用壓差反饋控制來保持測試過程的閥壓降恒定[8]，其原理如圖4所示。被測比例法的壓降與給定壓降比較得到誤差信號，此誤差信號經(jīng)過PID控制器后向比例溢流閥輸出信號，控制系統(tǒng)壓力，保持被測閥壓降為設(shè)定值。

圖4 壓差反饋原理圖

常見的PID控制有模擬PID控制和數(shù)字PID控制，由于計算機控制是采樣控制，屬于數(shù)字PID控制，它只能根據(jù)采樣時刻的偏差進行計算，控制作用不連續(xù)，在一個采樣周期中不變化，同時運算和輸出占用時間，效果不佳。因此，采用增量式積分分離PID控制算法[9]，增量式PID控制算法數(shù)字控制器的輸出是控制量的增量，積分分離PID算法的原理是當(dāng)被控量與設(shè)定值偏差較大時，取消或減弱積分作用，當(dāng)被控量接近給定值或偏差較小時，加入積分作用。這樣可以減小積分作用帶來的系統(tǒng)穩(wěn)定性降低、超調(diào)量增大，還可消除靜差，提高控制精度[10]。控制器的表達式如下：

(1)

式(1)為增量式PID控制器數(shù)學(xué)描述，式中，u(k)為第k次采樣控制系統(tǒng)輸出，

(2)

(3)

式(3)為增量式積分分離PID控制器數(shù)學(xué)描述。實際使用時，使用湊試法進行參數(shù)整定。

比例閥動態(tài)特性通常用頻率特性和階躍響應(yīng)特性來表示[11]。頻率響應(yīng)測試采用三角波、方波、正弦波和正弦掃頻波[12]進行測試，系統(tǒng)產(chǎn)生已知變頻率的波形，測量系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)相應(yīng)，輸入輸出信號頻率相同，幅值和相位不同，從而得到相頻特性和幅頻特性。階躍響應(yīng)是一定油壓下，輸出量對輸入節(jié)約電流的跟蹤過程，為此需要系統(tǒng)產(chǎn)生波形信號。

雙缸同步實驗回路同樣采用增量式積分分離PID控制算法來實現(xiàn)，系統(tǒng)采集輸入兩液壓缸的油液流量，將流量差值作為輸入信號，通過PID調(diào)節(jié)后，實驗主從式雙缸同步。

4 測試軟件系統(tǒng)

實驗軟件部分設(shè)計主要分為系統(tǒng)人機界面部分和PLC程序設(shè)計。人機界面的功能是向PLC傳輸控制指令，從而控制實驗液壓回路電磁閥通斷和換向，并向比例閥輸送控制數(shù)據(jù)實現(xiàn)比例閥控制，同時接收PLC采集的傳感器信號加以處理并顯示。人機界面程序工作流程如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)軟件工作流程圖

4.1 人機界面

人機界面設(shè)計運用圖形化編程軟件LabVIEW實現(xiàn)，此軟件具有編程簡單、數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理能力強、人機界面友好等特點，在此平臺上進行數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)設(shè)計可節(jié)省大量的程序開發(fā)時間[13-14]。此人機界面與PLC通過串口實現(xiàn)通信，通過人機界面向PLC傳遞控制信號，同時讀取PLC寄存器的值即傳感器數(shù)據(jù)。LabVIEW與PLC串口通信采用VISA標(biāo)準[15]編程，通過循環(huán)控制實現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀寫操作。串口通信采用ASCII模式[16]，因此LabVIEW傳送的數(shù)據(jù)要轉(zhuǎn)換成PLC能識別的格式，同時LabVIEW接收到的PLC數(shù)據(jù)需要翻譯成方便識別的信號。臺達PLC串口通信數(shù)據(jù)格式如表1所示。

表1 臺達PLC串口通信數(shù)據(jù)格式

校驗碼計算方法：從通迅地址開始至最后一個資料內(nèi)容加總，以字節(jié)為單位，忽略進位，將該值取2的補數(shù)。電磁閥控制信號寫入線圈Y中，比例閥的控制參數(shù)寫入資料寄存器D0～D3中，傳感器信號存入資料寄存器D256～D264中。圖6展示了人機系統(tǒng)界面外觀：

(a) 通信設(shè)置和硬件檢測界面

(b) 測試界面

4.2 PLC程序設(shè)計

PLC程序的功能主要是采集傳感器信號并將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字量信號存儲于資料寄存器中，等待上位機讀取；同時接收串口信號控制電磁閥動作，并且將比例閥的控制信號轉(zhuǎn)化為電壓信號輸出。整個過程工作流程如圖7所示。

設(shè)備原有的臺達SS2系列PLC可以通過專用指令去設(shè)置模擬量端口，并且可以傳送數(shù)據(jù)到相應(yīng)模塊端口經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換輸出相對應(yīng)的電壓值控制比例閥工作，同時模擬量模塊采集的信號經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后存入特設(shè)的數(shù)據(jù)寄存器中，人機界面通過串口讀取數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)PLC主機配置了4通道模擬量輸入模塊、2通道模擬量輸出模塊和6通道輸入輸出混合模塊，相應(yīng)的轉(zhuǎn)換程序如8所示。

圖7 PLC程序工作流程

圖8 PLC模數(shù)/數(shù)模轉(zhuǎn)換程序

5 系統(tǒng)效果

經(jīng)過反復(fù)調(diào)試和功能驗證,該系統(tǒng)可以實現(xiàn)電磁閥和電液比例閥的控制,并且可以采集壓力、流量傳感器的值和比例閥驅(qū)動器反饋電流,再配合液壓回路,可以實現(xiàn)常見電液比例閥靜態(tài)和動態(tài)性能測試，同時可實現(xiàn)雙缸同步控制。系統(tǒng)功能正常，可以滿足比例閥實驗所需。圖9展示了比例閥單位階躍響應(yīng)的特性測試結(jié)果，充分體現(xiàn)了系統(tǒng)工作可靠。

圖9 特性測試結(jié)果

6 結(jié) 語

依托原有的秦川QCS014A液壓實驗臺，在此基礎(chǔ)上增設(shè)相應(yīng)的比例閥和驅(qū)動放大器、傳感器，為PLC增加模擬量模塊，通過虛擬儀器軟件制作人機界面，開發(fā)了比例閥性能測試和典型雙缸同步實驗功能，滿足開展比例閥實驗的需求。人機界面通過串口通信實現(xiàn)與PLC的數(shù)據(jù)傳輸，人機界面設(shè)定控制參數(shù)和實驗項目，將控制信息轉(zhuǎn)化為PLC串口通信標(biāo)準數(shù)據(jù)傳送給PLC，控制電磁閥通斷控制和比例閥輸入電壓。同時，PLC采集傳感器信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號傳送給人機界面，人機界面通過轉(zhuǎn)換實現(xiàn)信號的顯示和數(shù)據(jù)處理。

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Development of Proportional Valve Experiment System Based on QCS014A

HEJun，XIABin

(School of Manufacturing Science and Engineering, Sichuan University, Chengdu 610065, China)

In this paper, the electro hydraulic proportional valve test system was developed based on the original QCS014A experimental platform. The hardware supplement and software development were carried out based on the existing equipment. The LabVIEW software was used to design man-machine interface, the interface and PLC were realized through the serial port. The control parameters were transferred to PLC to control solenoid valve and electro hydraulic proportional valve, then the pressure signal and flow signal were collected by PLC. The signals were fed back to the man-machine interface, and then the experiment waveforms and index were displayed after processing the corresponding. The electro-hydraulic proportional valve, the electro-hydraulic proportional flow valve, the electro hydraulic proportional relief valve could be test based on this proportional valve experiment system. The proportional valve steady control characteristics, the static load curve characteristics, the dynamic characteristics could be measured, also. At the same time, the double cylinder synchronization experiments through the PID control to achieve double cylinder precise synchronization could be carried out in order to deepen the students’ understanding of the use of the electro hydraulic proportional valve. The performance test of proportional valve and the experiment of double cylinder synchronization were been made by this system and good results were achieved also.

electro hydraulic proportional valve; LabVIEW software; serial communication

2016-09-10

何 俊(1984-)，男，四川西昌人，碩士，工程師，主要從事數(shù)控技術(shù)、液壓傳動等方面的教學(xué)及研究工作。

Tel.：13808049945；E-mail: hejun0201102@126.com

TH 137

A

1006-7167(2017)06-0151-05