馮 梅 范玉德 李 鑫 孫良勤

(中國工程物理研究院化工材料研究所，四川 綿陽 621900)

混合機(jī)液壓PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

馮 梅 范玉德 李 鑫 孫良勤

(中國工程物理研究院化工材料研究所，四川 綿陽 621900)

針對混合機(jī)液壓系統(tǒng)的工藝特點(diǎn)和控制要求，提出以計(jì)算機(jī)和PLC為核心的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。著重介紹電液比例放大系統(tǒng)、軟件流程、轉(zhuǎn)速安全保護(hù)設(shè)計(jì)及其實(shí)現(xiàn)。實(shí)際運(yùn)行表明：該系統(tǒng)可靠性高、安全性高、穩(wěn)定性好且操作方便。

PLC 混合機(jī) 液壓 比例放大 軟件流程 轉(zhuǎn)速安全保護(hù)

混合機(jī)是中國工程物理研究院化工材料研究所的重要設(shè)備，主要用于一定溫度和一定真空度下幾種物料的混合。設(shè)備主要包括主機(jī)、液壓系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、氣動系統(tǒng)、熱水系統(tǒng)及控制系統(tǒng)等部分，是典型的機(jī)電液自動化設(shè)備。其中，液壓系統(tǒng)是設(shè)備的最重要組成部分，液壓系統(tǒng)是主機(jī)升降和混合槳旋轉(zhuǎn)的動力源。該設(shè)備購置于20世紀(jì)90年代末，由于液壓、控制系統(tǒng)的技術(shù)局限和元器件老化，造成設(shè)備性能下降、精度下降等問題，近期出現(xiàn)升降和旋轉(zhuǎn)動作異常現(xiàn)象。針對以上問題和現(xiàn)象，需重新設(shè)計(jì)液壓控制系統(tǒng)，而主機(jī)、氣動和熱水系統(tǒng)利舊，達(dá)到既能保證科研生產(chǎn)的需要又節(jié)約成本，最大限度地利用設(shè)備的目的。

1 液壓控制系統(tǒng)的功能要求①

混合機(jī)液壓系統(tǒng)的升降和旋轉(zhuǎn)要求動作平滑、控制平穩(wěn)、精度在±2r/min。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能如下：

a. 調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)方向和無級調(diào)速。

b. 要求能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程控制(以下簡稱遠(yuǎn)控)和就地控制(以下簡稱近控)兩種功能。遠(yuǎn)控在控制大廳的控制臺計(jì)算機(jī)上進(jìn)行操作，近控在主機(jī)現(xiàn)場操作。

c. 手動和自動兩種控制方式。手動工況下，按照需求實(shí)現(xiàn)升降、旋轉(zhuǎn)等單步動作；自動工況下，在溫度、真空度等其他條件達(dá)到后，實(shí)現(xiàn)主機(jī)和混合槳自動按設(shè)定位置、設(shè)定升降、設(shè)定時(shí)間、設(shè)定工段、設(shè)定轉(zhuǎn)向和設(shè)定速度進(jìn)行升降、旋轉(zhuǎn)等全工藝過程動作。

2 硬件部分

混合機(jī)液壓控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)以PLC系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)為核心，計(jì)算機(jī)與PLC的CPU之間通過通信電纜實(shí)現(xiàn)雙向數(shù)字通信。

PLC是一種專為在工業(yè)環(huán)境中應(yīng)用而設(shè)計(jì)的具有計(jì)算機(jī)功能的電子裝置?？蓤?zhí)行邏輯運(yùn)算、順序運(yùn)算、定時(shí)、計(jì)數(shù)及算術(shù)運(yùn)算等操作指令，通過數(shù)字式、模擬式的輸入輸出使外圍設(shè)備與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個(gè)整體，實(shí)現(xiàn)對各類機(jī)械或生產(chǎn)過程的控制[1]。PLC機(jī)型選擇的基本原則應(yīng)該是在滿足功能要求的情況下，主要考慮結(jié)構(gòu)、功能、統(tǒng)一性及在線編程要求等[2]。本系統(tǒng)采用三菱FX3U，包括CPU模塊、AD模塊和DA模塊。PLC收集行程開關(guān)、按鈕等開關(guān)量信號，溫度、壓力等傳感器模擬量信號；CPU進(jìn)行信號處理、數(shù)學(xué)運(yùn)算等程序處理，發(fā)出指令驅(qū)動液壓系統(tǒng)的升降油泵、旋轉(zhuǎn)油泵、升降閥及旋轉(zhuǎn)閥等按程序完成動作。

輸入輸出單元是PLC與外界連接的接口。輸入單元接收來自用戶的各種控制信號，通過連接電路將這些信號轉(zhuǎn)換成中央處理器能夠識別和處理的信號。CPU讀取輸入信號并進(jìn)行處理，然后將處理結(jié)果輸送到輸出單元，輸出單元控制設(shè)備的執(zhí)行元件[3]。

混合機(jī)液壓控制系統(tǒng)的硬件配置如圖1所示。根據(jù)系統(tǒng)的工藝要求、控制功能和I/O點(diǎn)數(shù)選擇的三菱FX3U，其CPU模塊為FX3U-128，包含128點(diǎn)DI(開關(guān)量輸入模塊)、DO(開關(guān)量輸出模塊)，擴(kuò)展模塊為兩塊3U-4AD(4通道模擬量/數(shù)字量轉(zhuǎn)換模塊)和一塊3U-4DA(4通道數(shù)字量/模擬量轉(zhuǎn)換模塊)。行程開關(guān)、按鈕、旋鈕及超溫超壓超速報(bào)警信號等作為開關(guān)量輸入至CPU模塊，CPU模塊輸出開關(guān)量控制信號至油泵、真空泵及空壓機(jī)等接觸器和中間繼電器，上升閥/下降閥/正轉(zhuǎn)閥/反轉(zhuǎn)閥等，位置、升降、旋轉(zhuǎn)等狀態(tài)指示燈。4AD模塊用于油溫、料溫、夾套溫度、真空、轉(zhuǎn)速及油壓等傳感器模擬量的運(yùn)算處理。4DA模塊用于轉(zhuǎn)速比例放大。

圖1 混合機(jī)液壓控制系統(tǒng)的硬件配置框圖

利用電液比例控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)液體壓力和流量連續(xù)且按比例地跟隨控制信號而變化[4]。電液比例閥的優(yōu)點(diǎn)有：方便地實(shí)現(xiàn)自動控制、遠(yuǎn)程控制和程序控制；把電的快速性、靈活性等與液壓傳動功率大等優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來；連續(xù)且按比例地控制執(zhí)行元件的力、速度和方向，并防止壓力或速度變化時(shí)的沖擊現(xiàn)象[5]。組成電液比例控制系統(tǒng)的基本元件包括：

a. 指令元件，產(chǎn)生并輸入給定控制信號；

b. 比較元件，把給定輸入與反饋信號進(jìn)行比較，得到的偏差信號作為電控器的輸入；

c. 電控器，對輸入信號進(jìn)行加工、整形和放大，以便達(dá)到電-機(jī)械轉(zhuǎn)換裝置的控制要求；

d. 比例閥，電、機(jī)械轉(zhuǎn)換器和液壓放大元件[6]。

混合機(jī)的旋轉(zhuǎn)控制采用了比例放大技術(shù)，由比例閥和比例放大器實(shí)現(xiàn)。通過電信號大小控制比例閥的換向與開度，從而控制混合機(jī)的旋轉(zhuǎn)換向和速度控制。本系統(tǒng)采用的比例放大器包括電源、信號源輸入、信號處理及比例放大板等，它與比例閥配套使用，設(shè)有整流、濾波、穩(wěn)壓、過載保護(hù)、信號輸入、斜坡升降調(diào)節(jié)、前置放大及功率放大等有關(guān)電路。

轉(zhuǎn)速比例放大原理框圖如圖2所示?？刂妻D(zhuǎn)速有手動、自動兩種模式。手動方式由人工調(diào)節(jié)電位器，輸入信號至比例放大器，比例放大器相應(yīng)輸出0～680mA信號至比例電磁鐵，驅(qū)動比例線圈，實(shí)現(xiàn)油口切換和不同開度的目的，達(dá)到混合槳旋轉(zhuǎn)方向和不同速度的要求；自動方式從計(jì)算機(jī)上設(shè)置轉(zhuǎn)速，PLC程序進(jìn)行轉(zhuǎn)速顯示、控制、運(yùn)算和信號處理，得到轉(zhuǎn)速控制信號，轉(zhuǎn)速控制信號通過4DA模塊將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬量信號1～5V(DC)，該信號輸入至比例放大器，比例放大器相應(yīng)輸出0～680mA信號至比例電磁鐵，驅(qū)動比例線圈。

圖2 轉(zhuǎn)速比例放大原理框圖

3 軟件部分

3.1轉(zhuǎn)速自動控制程序

計(jì)算機(jī)操作軟件采用組態(tài)王6.55軟件，實(shí)現(xiàn)全工藝過程的顯示與操作，包括參數(shù)顯示、狀態(tài)指示、工藝設(shè)定及主機(jī)操作等。

混合機(jī)液壓控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速自動控制程序由PLC實(shí)現(xiàn)，開發(fā)平臺為三菱GX Developer。轉(zhuǎn)速自動控制流程如圖3所示。

檢查DA模塊是否正常，與機(jī)架號比較，若出現(xiàn)錯(cuò)誤則進(jìn)行報(bào)警處理。然后定義DA模塊量程，即4個(gè)通道都為-10～10V(DC)輸入，相應(yīng)為-10 000～10 000個(gè)字。當(dāng)執(zhí)行自動程序時(shí)，首先判斷是否滿足自動條件，即是否有液壓油堵、超溫、超壓和主機(jī)位置不到位。如果有，則進(jìn)入報(bào)警程序處理；如因意外情況導(dǎo)致轉(zhuǎn)速超速，則進(jìn)入限速和報(bào)警處理程序。實(shí)際轉(zhuǎn)速與設(shè)定轉(zhuǎn)速比較，設(shè)置判斷帶寬，如果實(shí)際轉(zhuǎn)速小于設(shè)定值帶，則增加DA模塊的輸出量，直至等于設(shè)定值為止。如果實(shí)際轉(zhuǎn)速大于設(shè)定值帶，則減小DA模塊的輸出量，直至等于設(shè)定值。帶寬不能過大，否則轉(zhuǎn)速控制不平穩(wěn)，精度不夠；帶寬也不能過小，否則執(zhí)行機(jī)構(gòu)頻繁動作，影響性能。

經(jīng)多次調(diào)試，比例放大系統(tǒng)和轉(zhuǎn)速自動控制系統(tǒng)的各個(gè)參數(shù)都達(dá)到了要求，系統(tǒng)動作平穩(wěn)，控制精度優(yōu)于工藝要求。

圖3 轉(zhuǎn)速自動控制流程

3.2轉(zhuǎn)速測量參數(shù)及其調(diào)試

轉(zhuǎn)速傳感器輸出脈沖信號至控制系統(tǒng)，轉(zhuǎn)速V的計(jì)算公式如下：

式中f——頻率輸入值，Hz；

KK1——輸入增益；

KK2——傳感器每轉(zhuǎn)發(fā)生的脈沖個(gè)數(shù)；

KK4——標(biāo)度增益；

PB1——輸入零點(diǎn)；

PB4——標(biāo)度零點(diǎn)；

SL0——轉(zhuǎn)速時(shí)間，min。

計(jì)算由CPU完成，SL0、KK2、KK4和PB4用于標(biāo)度轉(zhuǎn)換，KK1和PB1用于精度調(diào)整。在本系統(tǒng)中，液壓馬達(dá)每轉(zhuǎn)一圈，傳感器感應(yīng)10個(gè)脈沖。經(jīng)多次調(diào)試后確定了相關(guān)參數(shù)，測試結(jié)果表明其測量線性度好，測量精度優(yōu)于工藝要求。本系統(tǒng)中轉(zhuǎn)速V與頻率f的關(guān)系曲線如圖4所示。

3.3安全設(shè)計(jì)

由于混合機(jī)混合的原材料屬危險(xiǎn)品，屬危險(xiǎn)作業(yè)，因此，為保證生產(chǎn)過程、設(shè)備和操作人員的安全，安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)非常重要。

3.3.1轉(zhuǎn)速安全保護(hù)

轉(zhuǎn)速安全保護(hù)設(shè)置兩級轉(zhuǎn)速保護(hù)，由PLC程序?qū)崿F(xiàn)。其中，二級為設(shè)定轉(zhuǎn)速的110%，一級為設(shè)定轉(zhuǎn)速的120%。

圖4 轉(zhuǎn)速與頻率的關(guān)系曲線

在正常情況下，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到設(shè)定轉(zhuǎn)速時(shí)，PLC會自動停止增速。當(dāng)有意外發(fā)生，如果沒有停止增速，且轉(zhuǎn)速升高到二級指標(biāo)時(shí)，PLC發(fā)出控制信號實(shí)施速度鉗位，并發(fā)出聲光報(bào)警。如果轉(zhuǎn)速失控，仍然升高，當(dāng)轉(zhuǎn)速升高到一級指標(biāo)時(shí)，PLC發(fā)出控制信號，立即停止轉(zhuǎn)動，并開始卸真空和主機(jī)下降，直到達(dá)到下限位，同時(shí)發(fā)出聲光報(bào)警。

3.3.2安全聯(lián)鎖

為實(shí)現(xiàn)安全聯(lián)鎖，設(shè)計(jì)遠(yuǎn)控系統(tǒng)用于在控制大廳進(jìn)行遠(yuǎn)程隔離操作，從操作上保證了安全。PLC程序中設(shè)計(jì)的安全聯(lián)鎖有：

a. 遠(yuǎn)控/近控聯(lián)鎖，處于遠(yuǎn)控狀態(tài)時(shí)，近控所有操作無效；反之，處于近控狀態(tài)時(shí)，遠(yuǎn)控所有操作無效。

b. 正轉(zhuǎn)/反轉(zhuǎn)聯(lián)鎖，處于正轉(zhuǎn)狀態(tài)時(shí)，反轉(zhuǎn)操作無效；反之，處于反轉(zhuǎn)狀態(tài)時(shí)，正轉(zhuǎn)操作無效。

c. 門機(jī)聯(lián)鎖，設(shè)備處于運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，啟動開門無效；如果沒有關(guān)好門，啟動設(shè)備無效。

d. 手動/自動聯(lián)鎖，處于手動狀態(tài)時(shí)，自動操作無效；反之，處于自動狀態(tài)時(shí)，手動操作無效。

3.3.3超限處理與報(bào)警

超限處理與報(bào)警由PLC程序?qū)崿F(xiàn)，觸發(fā)源與報(bào)警處理詳見表1。

表1 超限處理與報(bào)警項(xiàng)目

3.3.4急停

當(dāng)有意外情況發(fā)生時(shí)，按下“急?！卑粹o，停止油泵、升降、旋轉(zhuǎn)、加熱及抽真空等全部的動力動作，以保證工作人員、生產(chǎn)和設(shè)備的安全。

4 結(jié)束語

混合機(jī)液壓控制系統(tǒng)采用PLC、電液比例放大控制等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)液壓系統(tǒng)的主機(jī)升降和旋轉(zhuǎn)的各項(xiàng)功能。采用了安全保護(hù)、安全聯(lián)鎖等設(shè)計(jì)，保證生產(chǎn)過程和工作人員的安全。實(shí)際運(yùn)行表明：該控制系統(tǒng)具有功能完善、性能可靠、操作方便、易于網(wǎng)絡(luò)化管理及易于設(shè)備擴(kuò)充等特點(diǎn)，具有一定的先進(jìn)性和推廣性。

[1] 胡曉林.電氣控制與PLC應(yīng)用技術(shù)[M].北京:北京理工大學(xué)出版社,2014:25.

[2] 陳建明.電氣控制與PLC應(yīng)用[M].北京:電子工業(yè)出版社,2013:180.

[3] 何獻(xiàn)忠.電氣控制與PLC應(yīng)用技術(shù)(西門子S7-200系列)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2014:52～53.

[4] 劉軍營.電液傳動系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用實(shí)例解析[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2011:140.

[5] 李壯云.液壓元件與系統(tǒng)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2011:256.

[6] 劉忠.液壓傳動與控制實(shí)用技術(shù)[M].北京:北京大學(xué)出版社,2009:223～224.

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2016-08-29(修改稿)