解甜，許軍，彭天好

(安徽理工大學機械工程學院，安徽淮南232001)

隨著流體力學、自動控制、計算機等技術的不斷發(fā)展，液壓傳動技術已經(jīng)發(fā)展成為包括傳動、控制、檢測技術、機電一體化的一門完整的自動化技術，并且在工業(yè)生產(chǎn)、設備控制等各個方面都得到了廣泛應用。傳統(tǒng)的節(jié)流調速回路存在較大的溢流損失和節(jié)流損失，液壓系統(tǒng)的功率效率很低，一般只用于小功率的液壓系統(tǒng)中。將電動機變轉速技術應用于液壓系統(tǒng)，構成變轉速液壓驅動系統(tǒng)，可以簡化液壓回路，減少液壓系統(tǒng)的能量損失，提高系統(tǒng)效率，降低噪聲等［1-2］。

變轉速液壓調速系統(tǒng)以變頻電機驅動液壓泵為動力源，加載泵模擬實際的工作負載，利用電信號對壓力、轉速等參量進行控制。它具有良好的調速性能、機械特性、高調速比和高可靠性，控制器變轉速液壓調速系統(tǒng)以組態(tài)和PLC為主，具有編程簡單、更符合人性化的人機界面、維護方便、穩(wěn)定性好等優(yōu)點，且可以同時控制多個參量，順應了泵控馬達變轉速液壓技術的發(fā)展趨勢。

1 變轉速實驗系統(tǒng)介紹

控制系統(tǒng)是變轉速液壓調速系統(tǒng)的核心，其設計水平?jīng)Q定著整個系統(tǒng)完成任務的效率和質量。為了提高變轉速液壓調速系統(tǒng)的穩(wěn)定性，利用可編程控制器對變轉速液壓調速系統(tǒng)進行控制，能夠實現(xiàn)各個工作模式的狀態(tài)靈活轉換、各種工作狀況的實時監(jiān)控、系統(tǒng)在異常情況下的及時報警、各種系統(tǒng)的參數(shù)和報警事件的保存打印等功能。該測控系統(tǒng)根據(jù)各參數(shù)的變化，對變頻器、比例方向閥和比例溢流閥進行控制，實現(xiàn)控制的目的。

在該實驗系統(tǒng)中構建基于組態(tài)和PLC的監(jiān)控系統(tǒng)，能夠實現(xiàn)對變轉速液壓調速系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)采集，實時決策和實時控制。

1.1 實驗裝置原理

泵控馬達變轉速調速系統(tǒng)是變轉速液壓調速系統(tǒng)的一種基本傳動系統(tǒng)，主要由變頻器、電動機、馬達、流量控制閥和泵組合而成［3］。

實驗系統(tǒng)原理如圖1所示。工頻三相電源接入配電柜，由配電柜接入變頻器1的輸入側，變頻器1將工頻三相電 (380 V/50 Hz)轉換成電壓信號提供給三相異步電機2，控制異步電機拖動定量泵3旋轉，輸出一定流量的液壓油;液壓油經(jīng)過單向閥4和截止閥5到達比例方向閥7，由比例方向閥7開度確定有多少流量的液壓油流向馬達8，從而使馬達8作回轉運動，馬達8出油口的低壓油經(jīng)過比例方向閥回油箱;同時馬達輸出軸通過內(nèi)齒形彈性聯(lián)軸器與慣量軸相連，在慣量軸上裝有慣性輪9，慣量軸通過皮帶和旋轉編碼器10連接，慣量軸的另一端用內(nèi)齒形彈性聯(lián)軸器與加載泵11的輸出軸相連。柱塞泵11進油口是低壓油，出油口是高壓油，通過調節(jié)比例溢流閥15的閥口開度大小，來改變負載壓力的大小，同時電機14拖動補油泵13向模擬負載系統(tǒng)補油 (補油作用，防止柱塞泵11吸空，引起負載系統(tǒng)振蕩)。旋轉編碼器10的輸出脈沖信號通過航空接頭接入調制電路，調制電路把旋轉編碼器差動信號輸出轉換成集電極輸出，調制電路輸出的信號接入PLC20的高速計數(shù)端，經(jīng)過PLC處理后送給計算機17，計算對這些信號進行采集、顯示和相關處理。

圖1 實驗裝置原理圖

1.2 電控系統(tǒng)硬件設計

該電控系統(tǒng)的硬件主要由配電柜、交流接觸器、空氣開關、變壓器、電纜、插頭、插座、PLC，穩(wěn)壓器、PC機等組成。根據(jù)變轉速液壓調速系統(tǒng)的要求選用ABB公司型號ACS800-01-0070-3+P901的變頻器、KELLER型的壓阻式壓力、三菱FX1N-60MR型的 PLC、BOSCH 公 司 型 號 為 DBEE 10-51/3 50YG24NK31M的比例溢流閥、BOSCH公司型號4WRE10E25-2X/G24K31/A1V的比例方向閥。

泵控馬達變轉速調速系統(tǒng)的信號源主要有液壓系統(tǒng)的主油泵出口壓力傳感器信號、馬達的進口壓力傳感器信號、負載泵的進出口壓力傳感器信號和馬達的轉速信號。在工作期間，變轉速液壓調速系統(tǒng)按照設定的控制程序進行。其硬件組成圖如圖2。

圖2 泵控馬達變轉速系統(tǒng)組成

1.3 電控系統(tǒng)的軟件設計

基于世紀星和PLC泵控馬達變轉速調速系統(tǒng)的軟件包括PLC實時監(jiān)控系統(tǒng)和工控機遠程監(jiān)控軟件，前者主要是實時監(jiān)測現(xiàn)場的壓力及轉速數(shù)據(jù)，利用一定算法實時控制變頻器的輸出頻率，改變主液壓泵轉速，同時控制比例方向閥的開度和比例溢流閥的工作壓力，后者主要實現(xiàn)對現(xiàn)場壓力和電動機及變頻器運轉等的遠程監(jiān)控［4］。

該系統(tǒng)的編程軟件采用三菱公司的GX Developer 8.8 6版本，主要完成系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、采樣、控制及保護等功能的程序。根據(jù)系統(tǒng)控制要求將系統(tǒng)的控制過程分解為主液壓泵啟動、補油泵啟動、比例方向閥、比例溢流閥和系統(tǒng)報警等工作狀態(tài)。依照各狀態(tài)的控制順序與要求，編寫各狀態(tài)的功能、轉移條件和轉移方向，如圖3所示。

圖3 PLC控制程序流程

2 工控機遠程監(jiān)控軟件

組態(tài)軟件指一些數(shù)據(jù)采集與過程控制的專用軟件，它們是在自動控制系統(tǒng)監(jiān)控層一級的軟件平臺和開發(fā)環(huán)境，能以靈活多樣的組態(tài)方式提供良好的用戶開發(fā)界面和簡捷的使用方法［5］。系統(tǒng)主要實現(xiàn)對泵控馬達變轉速調速系統(tǒng)的在線監(jiān)測。對于選定的監(jiān)測對象進行數(shù)據(jù)的采集、制作出便于觀察的實時趨勢曲線、歷史趨勢曲線、實時報警、歷史報警、實時報表和歷史報表以及數(shù)據(jù)的保存。系統(tǒng)組態(tài)仿真程序設計如圖4所示。

圖4 組態(tài)仿真程序設計

2.1 定義I/O設備

如圖5所示，在泵控馬達變轉速調速系統(tǒng)組態(tài)畫面下，設備驅動菜單下選擇設備驅動管理→新建→PLC→三菱→FX系列→串口，點擊下一步直到完成。然后再點擊設備驅動→多串口參數(shù)設定→COM1，然后選擇波特率9 600數(shù)據(jù)位7位，停止位2位，奇偶校驗選擇偶校驗，通信方式為RS485。根據(jù)變轉速液壓調速系統(tǒng)原理，在變量字典中新建所需要的變量，選擇要連接的設備，要訪問的寄存器的名稱和類型，設置變量大小、靈敏度、報警信息等一些參數(shù)。

圖5 驅動設備設置

2.2 世紀星畫面繪制

變轉速液壓調速系統(tǒng)主監(jiān)控界面，如圖6所示，上位機管理及監(jiān)控系統(tǒng)用世紀星組態(tài)軟件編程實現(xiàn)?？蓪崟r監(jiān)控所有泵、馬達、比例方向閥、比例溢流閥等各種變量的變化。主界面主要包括以下幾個功能區(qū):動態(tài)顯示區(qū)由圖形控件、文本等構成，動態(tài)顯示區(qū)動態(tài)顯示泵控馬達變轉速調速系統(tǒng)運行狀態(tài);控制區(qū)由按鈕、文本、滑動桿構成，控制區(qū)控制系統(tǒng)的各個參數(shù)，根據(jù)系統(tǒng)運行狀況和控制目的的需要，由控制區(qū)的控件向PLC發(fā)送指令來控制電機、比例方向閥、比例溢流閥、變頻器等的運行狀態(tài);顯示和報警區(qū)由儀器控件、實時曲線、報警曲線等曲線，顯示參數(shù)變化、參數(shù)報警，電機、比例方向閥、比例溢流閥、變頻器、傳感器等運行狀況，顯示消息、狀態(tài)和過程值;功能轉換區(qū)能夠方便的轉換各個界面。

圖6 監(jiān)控系統(tǒng)主界面

2.3 創(chuàng)建實時數(shù)據(jù)庫

世紀星提供了一個變量實時數(shù)據(jù)庫。為了實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)運算與處理、歷史數(shù)據(jù)存儲、統(tǒng)計數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)服務請求處理、報警處理等操作，設計了組態(tài)數(shù)據(jù)庫，具體設置如下:

(1)首先新建3個與數(shù)據(jù)庫有關的整數(shù)變量:連接句柄、語句句柄、錯誤標志。

(2)然后在 Access中建立數(shù)據(jù)庫，并命名為“變轉速液壓監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫”，將其保存為:G:變轉速液壓監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫.mdb，并在世紀星開發(fā)系統(tǒng)中建立一個表格模板，在字段名稱處分別鍵入“馬達進口壓力”，“馬達出口壓力”，“馬達轉速”，字段類型設為“浮點型”，保存該表。

(3)同時建立記錄列表，并將字段名稱與相應變量對應起來，然后打開數(shù)據(jù)源ODBC，添加Microsoft Access Driver為驅動程序，取名為“變轉速液壓監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)源”，將其與此數(shù)據(jù)庫建立連接。

3 結束語

系統(tǒng)以PLC為控制核心，以組態(tài)作為監(jiān)控軟件對泵控馬達變轉速調速系統(tǒng)進行監(jiān)控，從而實現(xiàn)各個工作模式的狀態(tài)靈活轉換、各種工作狀況的實時監(jiān)控、系統(tǒng)在異常情況下的及時報警、各種系統(tǒng)的參數(shù)和報警事件的保存打印等功能。該監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)各參數(shù)的變化，對變頻器、比例方向閥和比例溢流閥進行控制，實現(xiàn)控制的目的。

實驗表明，組態(tài)與PLC構建的泵控馬達變轉速液壓調速系統(tǒng)具有控制方便、反應快速、可靠性好，實現(xiàn)數(shù)據(jù)動態(tài)顯示和實時傳輸，可以在PC機上對現(xiàn)場系統(tǒng)進行控制，具有良好的人機界面。為下一步優(yōu)化泵控馬達變轉速調速系統(tǒng)的實驗研究奠定了基礎，同時對其工程應用領域有一定的借鑒意義。

【1】彭天好，楊華勇，徐兵.變頻回轉液壓系統(tǒng)的動態(tài)特性仿真［J］.機床與液壓，2001(3):7-9.

【2】彭天好，楊華勇，徐兵.變頻液壓技術發(fā)展及研究綜述［J］.浙江大學學報:工學版，2004，38(2):215-221.

【3】胡佑蘭，彭天好，朱劉英.MATLAB和LabVIEW混合編程及在控制系統(tǒng)中的應用［J］.機床與液壓，2009，37 (10):209-212.

【4】蘇靜明，洪炎.基于PLC和組態(tài)王的節(jié)能控制站遠程監(jiān)控系統(tǒng)研究［J］.工礦自動化，2011，37(2):22-23.

【5】陳德妙，張桂香.力控組態(tài)軟件在基于CAN總線的液壓系統(tǒng)中的應用［J］.科學技術與工程，2004，4(12): 1046-1049.