林文城

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基于PLC的電磁比例閥控制設計研究

林文城

（廈門海洋職業(yè)技術(shù)學院，福建廈門361012）

針對傳統(tǒng)電磁比例閥存在的問題，研究了電磁比例閥控制系統(tǒng)的硬件組成、系統(tǒng)控制原理及軟件的設計。開發(fā)出以西門子s7系列可編程控制器為核心的電磁比例閥控制模式，提升常規(guī)電磁閥比例閥在控制精度、抗干擾能力和響應速度等方面的技術(shù)要求。

電磁比例閥 PLC PWM

0 引言

比例閥具有抗污染能力強和性價比高的特點，在液壓系統(tǒng)中獲得廣泛應用。以電磁式比例閥為例，根據(jù)輸入電信號的大小與能使其產(chǎn)生的電磁力成比例的特點，調(diào)整電信號的數(shù)值來獲得對應的電磁力，來實時控制液壓閥閥芯的位置，進而獲取相應的壓力、方向和流量。在實際應用的過程中，電磁比例閥也顯現(xiàn)出一些不足，比如電磁鐵過熱、滯環(huán)大、存在死區(qū)和控制精度偏低等等?；诖?，設計了以西門子s7系列PLC為控制核心，上位機采用TD200觸摸屏結(jié)合工業(yè)組態(tài)軟件來監(jiān)控電磁比例閥的輸出，另外也完成其運行壓力、方向或流量等技術(shù)參數(shù)的設定、信息存儲和顯示等功能。

1 電磁比例閥控制系統(tǒng)的硬件組成

如圖1所示，電磁比例閥控制系統(tǒng)選擇Siemens PLC 226作為下機位，選擇Siemens EM235作為輸入輸出擴展模塊，壓力傳感器、位移傳感器和流量傳感器等與PLC相連。上位機選擇帶串行通訊口的TD200觸摸屏，利用RS232／485 轉(zhuǎn)換器與PLC通信，實現(xiàn)人機界面，從而實現(xiàn)電磁比例閥運行的控制。

2 系統(tǒng)控制原理

在TD200 觸摸屏上設定電磁比例閥的輸出參數(shù)值，數(shù)模轉(zhuǎn)換后，由PLC控制模塊經(jīng)過PID運算后輸出控制信號，該信號經(jīng)過脈沖輸出指令轉(zhuǎn)換為PWM信號。PWM信號經(jīng)過開關(guān)式放大電路放大，驅(qū)動電磁比例閥的銜鐵運動，改變閥芯的位置，獲得液壓相應的參數(shù)值。利用傳感器采集電磁比例閥的輸出參數(shù)值，并轉(zhuǎn)換為反饋模擬信號傳至轉(zhuǎn)換器EM235，模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，該數(shù)字信號由PLC控制模塊經(jīng)過PID運算后輸出控制信號，調(diào)整PWM輸出數(shù)值，改變閥芯的位置，降低調(diào)節(jié)偏差數(shù)值，提高電磁比例閥控制輸出壓力的精度。

圖1 電磁比例閥控制系統(tǒng)的硬件組成框圖

圖2 電磁比例閥控制流程圖

3 軟件設計

運用編程軟件STEP7和組態(tài)王，分別開發(fā)下位機PLC程序和上位機監(jiān)控界面，實現(xiàn)電磁比例閥的快速輸出和精確控制。

3.1 PLC控制程序的設計

3.1.1 PLC的工作原理

在數(shù)據(jù)采集階段，PLC依次掃描讀取所有輸入狀態(tài)和技術(shù)參數(shù)，并存入I/O映象區(qū)中的對應單元內(nèi)。結(jié)束數(shù)據(jù)采集后，開始運行用戶程序以及輸出數(shù)據(jù)階段。在這期間內(nèi)，輸入狀態(tài)和技術(shù)參數(shù)數(shù)值即使發(fā)生變化，I/O映象區(qū)中對應單元內(nèi)狀態(tài)和數(shù)值也不會隨之改變。例如，為了確保脈沖輸入信號在任何狀態(tài)下能被讀入，則該脈沖信號的寬度需要超過一個掃描周期。按照用戶編寫程序的次序，PLC周期性循環(huán)掃描，從第一條指令開始，逐條執(zhí)行用戶的程序直到結(jié)束，然后循環(huán)開始執(zhí)行第一條指令，不停重復著。PLC掃描工作內(nèi)容除了執(zhí)行用戶程序之外，還需要完成其它工作，如輸入輸出處理、通訊服務和自診斷等。

3.1.2 PLC控制程序開發(fā)

按照電磁比例閥控制系統(tǒng)的特點和要求，設計PLC控制程序，并將程序分解多個子程序模塊，以控制液壓系統(tǒng)壓力為例，設計電磁比例閥的控制流程如圖2所示。

1）數(shù)據(jù)的采集

CPU226擁有光電隔離的16路數(shù)字量輸出和24路數(shù)字量輸入，1路模擬量輸出和4路模擬量輸入，配備2個RS-485串行口，其中一個接人機界面TD200觸摸屏；EM235模塊可選擇4-20 mA電流輸入，并可自行設置模擬量輸入范圍和分辨率，故可搭配比例閥中各類傳感器，PLC采集到的模擬量將按順序放在寄存器內(nèi)；TD200觸摸屏可以顯示文本信息，擁有技術(shù)參數(shù)的顯示和修改、輸入和輸出的設定和強制I／O點診斷功能等。

2）PID運算

如圖3所示，電磁比例閥控制系統(tǒng)依靠Siemens PLC 226，實現(xiàn)液壓系統(tǒng)油壓的PID控制。采集的數(shù)據(jù)中，閥后油壓是PLC實現(xiàn)負反饋控制的最重要數(shù)據(jù)，其測量值()由壓力傳感器獲取并轉(zhuǎn)化為4-20 mA電流數(shù)值，此電流數(shù)值經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換輸出數(shù)字信號。由PID運算得，該測量值()與目標值()兩者的閥后油壓偏差()，根據(jù)偏差數(shù)值結(jié)果，PLC輸出()，利用電流的變化來調(diào)整電磁力的數(shù)值，從而驅(qū)動銜鐵調(diào)節(jié)比例閥的開度，從而控制閥后的油壓，保證液壓系統(tǒng)的油壓()在設定的范圍內(nèi)。

圖3 負反饋系統(tǒng)方框圖

PID輸出()與輸入()的關(guān)系式為：

式(1)中：()=()-()—閥后油壓偏差；(t)—閥后油壓目標值；()—閥后油壓測量值；()—液壓系統(tǒng)油壓值；()—PID回路的輸出值；0—回路輸出的初始值，K—比例控制增益；T—積分時間常數(shù)；T—微分時間常數(shù)。針對電磁比例閥的工作原理和結(jié)構(gòu)特點，確定系統(tǒng)參數(shù)的采集周期T，從而離散化PID輸入輸出關(guān)系公式，最終獲得系統(tǒng)采集第n次數(shù)據(jù)時的輸出公式為：

式(2)中：—數(shù)據(jù)采集周期；—數(shù)據(jù)采集次數(shù)，=1，2，3……；e()—第次數(shù)據(jù)采集時的油壓偏差；()—第n次采樣時刻PID回路輸出。

3）脈寬調(diào)制輸出：

根據(jù)控制系統(tǒng)反饋回來的閥后油壓偏差來調(diào)節(jié)占空比，輸出PWM調(diào)整控制信號，該PWM輸出信號經(jīng)過開關(guān)式放大電路轉(zhuǎn)換成電磁鐵所需的電流信號，這樣就可以連續(xù)地控制通過比例線圈平均電流，從而通過控制比例閥開口大小來控制閥油壓，使自動控制電磁比例閥閥后油壓差在設定的范圍內(nèi)。另一方面，PWM的開關(guān)型電路的控制模式，將使普通電磁閥的發(fā)熱降低至最?。槐３珠y芯的顫振可以提高響應速度和消除污染物；利用反饋裝置減少滯環(huán)；通過電子補償和消除電路來減輕死區(qū)的影響和抗干擾性強。

3.2 上位機監(jiān)控軟件開發(fā)

TD200觸摸屏將按照設定采樣時間間隔，顯示電磁比例閥的實時閥后油壓，另一方面，技術(shù)人員也根據(jù)實際工作要求，臨時調(diào)整相關(guān)技術(shù)參數(shù)的目標值，保證液壓系統(tǒng)安全高效的運轉(zhuǎn)。

4 結(jié)束語

與傳統(tǒng)的電磁比例閥相比，基于PLC的電磁比例閥控制凸顯出明顯的優(yōu)勢，如抗干擾能力強、控制精度高、發(fā)熱量輕、性能可靠、滯環(huán)和死區(qū)影響小等等。同時，采用PLC控制電磁比例閥，軟件編程簡單，且具備通用性，可以考慮在其它比例閥、變量油泵和油馬達等液壓設備上推廣應用。

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Design and Research of Electromagnetic Proportional Valve Control Based on PLC

Lin Wencheng

(Xiamen Ocean Vocational and Technical College, Xiamen 361012, Fujian, China )

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TP21

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1003-4862（2018）12-0033-03

2018-07-13

林文城(1975-12)，男，副教授。研究方向：船舶輔機自動控制和維護管理。E-mail: jyyxyy@126.com