PLC在液压机控制系统中的应用-技术指导-自动化应用案例

PLC在液压机控制系统中的应用

发布日期：2012-04-23 作者：中国矿业大学信息与电气工程学院韦耀杰浏览次数：53717

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【摘　要】：本文提出了液压机压力闭环控制的电气系统，实现了液压机压力的精确控制。该系在原有开环控制基础上进行了改进探讨，目的在于解决传统的开关量控制存在的精度低、靠性不高、性能不稳定等问题。该系统是一个实用的控制系统，目前，已经得到广泛应用。

1引言

在传统的液压机PLC电气控制系统中，由于受PLC扫描周期等条件的限制，只是进行简单的顺序控制，即各种工作旋钮、按钮、行程开关、时间继电器等都把输入信号传递给PLC，PLC根据已编制好的程序运行并执行其结果，从而去控制各种输出元件，如电磁阀、时间继电器等，完成液压机各工艺动作。这只是简单的开关量控制。

为了提高液压机的精确性、稳定性和可靠性，PLC就不仅仅要对开关量进行控制，还需要对模拟量进行处理，达到闭环控制的功能。高速、大容量CPU的发展使这种功能得以实现。本文运用PLC的PID功能实现对液压机的压力控制。

2系统介绍

液压机的压力控制系统构成图如图1所示，它包括可编程序控制器(PLC)、压力传感器、比例放大器、比例溢流阀等。

图1 液压机的压力控制系统构成图

压力传感器用于检测液压机主缸中的压力，同时将其转变为4~20mA变化的电流信号并作为反馈值，系统正常工作时的压力作为给定值为25MPa。

PLC接收了实测的主缸压力反馈信号后，与给定值比较后得到给定值与实测值之差。如实测值小于给定值，说明主缸压力低于理想压力，要加大比例溢流阀的开口，增大压力；如实测值大于给定值，则主缸压力高于理想压力，要减小比例溢流阀的开口，减小压力。为了实现控制的快速性与系统的稳定性，采用PID调节，输出模拟信号，以驱动比例溢流阀^[1]。其控制原理方框图如图2所示。

图2 控制原理方框图

液压机的自动控制系统要求能实现手动及半自动两种工作方式。液压机正常使用时，一般选择半自动工作方式。本机在半自动工作方式时的工艺流程循环图如图3所示。

图3 液压机的工艺流程循环图

3系统设计

3.1PLC配置

本系统的输入信号有电机启动开关、电机停止开关、移台移入、移台移出、接近开关、手动、半自动、压力传感器等。输出信号控制的对象有电磁阀、时间继电器、指示灯等。采用日本三菱公司的FX_2N系列PLC进行控制。

PLC的普通输入/输出端口为开关量端口，为了使PLC能完成模拟量的处理，采用PLC基本单元加配模拟量扩展模块。从上面的分析可知，系统共需22个开关量输入、12个开关量输出，以及1点模拟量输入和1点模拟量输出，故实际应用中可选用 FX_2N-48MR PLC 一台、2点模拟量输入模块FX_2N-2AD一台和2点模拟量输出模块FX_2N-2DA一台。PLC整体系统的组成如图4所示。

图4 PLC整体系统的组成图

FX_2N-2AD和FX_2N-2DA缓冲寄存器(BFM)说明^[2]：

(1)输入通道选择：在BMF#0中写入十六进制4位数字H××××进行A/D模块通道的初始化，最低位数字控制CH1，最高位数字控制CH4，数字的意义如下：

×=0：设定输入范围为-10~10V；

×=1：设定输入范围为4~20mA；

×=2：设定输入范围为-20~20mA；

×=3：关闭该通道。

(2)输出模式选择：在BMF#0中写入十六进制4位数字H××××进行D/A模块通道的初始化，最低位数字控制CH1，最高位数字控制CH4，数字的意义如下：

×=0：设置电压输出模式(-10~+10V)；

×=1：设置电流输出模式(+4~+20mA)；

×=2：设置电流输出模式(0~+20mA)。

3.2PLC I/O电路接线图

PLC I/O电路接线图如图5所示。在输入部分，SA1为旋钮，当SA1接通X0时为手动控制状态；当SA1接通X1时为半自动控制状态。手动运行时，此时按压按钮，得到相应动作，抬手后，完成一个工作行程停止；半自动运行时，系统在PLC程序控制下运行，按下“压制”按钮，则自动完成一个规定工作循环，即送一根料，将料打完后自动停止。当“静止”按钮被按下，则PLC程序中断运行，所有输出置零。在输出部分，当滤油器堵塞指示灯亮时，应及时停机检查，清洗滤油器中的滤油网。

图5 PLC I/O电路接线图

4编程设计

4.1PID闭环控制

在硬件连接确定之后，系统的控制功能主要通过软件实现。根据控制原理图2，压力设定值经FX_2N-2AD的CH1通道和压力传感器的压力反馈信号经A/D转换后作差值运算，并取绝对值，然后乘比例系数，由FX_2N-2DA的CH1通道输出。将给定量与反馈量作差值运算，通过PID调节，抑制输入波动，达到控制要求^[2]。

液压机压力控制主要是PID运算程序的设计，达到采样时间的PID指令在其后扫描时进行PID运算^[5]。其指令(FNC88)格式如下^[2,4,5]：

[S1]设定目标值(SV)；

[S2]设定测定现在值(PV)；

[S3]—[S3]+6设定控制参数；

[D]存放运算输出结果(MV)。

4.2程序流程

当设定好压力后，液压机开始工作。压力传感器检测主缸压力并与设定值进行比较，若检测压力值小于设定值，则采用PID调节加压；若检测压力值大于设定值，则采用PID调节减压。通过调节比例溢流阀的开口改变压力的大小，使主缸实际压力跟随设定值。因此，根据系统要求，结合PID控制，可以确定系统的软件设计流程图，如图6所示。