林文城

基于PLC的變量泵控制設計研究

林文城

(廈門海洋職業(yè)技術學院，福建廈門 361012)

針對傳統(tǒng)液壓伺服式變量泵存在的問題，開發(fā)出基于PLC的變量泵控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過采集變量泵的排量和PID計算，輸出PWM信號，來控制步進電機的步距角，并驅(qū)動泵的變量機構，最終確保變量泵的排量維持在某一設定值上。本文介紹變量泵系統(tǒng)控制原理、組成和軟件設計。該控制系統(tǒng)可提高變量泵流量的控制精度和抗干擾能力等，與傳統(tǒng)的變量泵相比,在2 min測試時間內(nèi)泵的平均出口流量波動率下降了78.8%，過渡時間減少62.3%。可以考慮在液壓系統(tǒng)其它設備元件上推廣應用。

變量泵 PLC PWM

0 引言

在液壓系統(tǒng)中，作為動力元件的雙向變量泵，向執(zhí)行元件提供高壓油，控制執(zhí)行元件的運動方向和速度。液壓泵的常見控制參量方式，有壓力、功率和排量等。為了調(diào)節(jié)執(zhí)行元件的運動速度，需要去控制執(zhí)行元件的液壓油流量，而改變液壓泵的流量有兩種常見方式，分別是變頻和變排量。以國產(chǎn)公稱壓力為31.5 MPa的CY14-1B系列斜盤式軸向柱塞變量泵為例，借助液壓伺服式變量機構來調(diào)節(jié)控制桿的位移，從而控制斜盤的傾斜角度，調(diào)整變量泵柱塞的有效行程，來獲得相應的排量，最終控制執(zhí)行元件的運動速度。雖然這種控制方式結構簡單、成本低，但是存在控制偏差大，動作遲緩和調(diào)節(jié)過度等不足。

為了解決以上問題，特設計基于PLC的變量泵控制系統(tǒng)，具體是利用PLC驅(qū)動步進電動機的控制模式，來代替直接采用控制桿控制變量泵的傳統(tǒng)控制方式。運用這一控制系統(tǒng)，將提高變量泵排量的控制精度，對油質(zhì)不敏感，抗干擾能力增強，響應動作快等。

1 控制系統(tǒng)的硬件組成

執(zhí)行控制CY14-1B系列斜盤式軸向柱塞變量泵流量的，分別是步進電動機、液壓伺服變量機構和變量泵斜盤。基于PLC的控制系統(tǒng)，是用來控制步進電動機的位移量，從而控制變量泵的排量。如圖1所示，該控制系統(tǒng)的下機位和下位機分別采用臺達DVP14ES00R2 PLC和Eview MT 506L觸摸屏，通過輸入輸出擴展模塊，位移傳感器、流量傳感器和壓力傳感器等模擬信號傳送給PLC，經(jīng)過PID運算后輸出信號控制液壓變量機構的動作，同時借助觸摸屏與下位機的通信，建立人機界面，實時精確控制變量泵的排量。

圖1 變量泵控制系統(tǒng)硬件簡圖

2 系統(tǒng)控制原理

根據(jù)液壓系統(tǒng)執(zhí)行元件的運行速度要求，來確定變量泵的排量值，這樣就可以在上位機上設定對應的參數(shù)值，經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換后，由下位機運算輸出數(shù)字脈沖信號。該數(shù)字脈沖信號與步進電機的步距角成正比，用來控制步進電機的轉(zhuǎn)動角度和位移量。而接受脈沖信號后，步進電機將旋轉(zhuǎn)對應的角度，驅(qū)動伺服液壓機構中的隨動活塞運動，從而通過軸銷驅(qū)動變量泵的斜盤轉(zhuǎn)動并獲得相應的傾斜角。這樣，在轉(zhuǎn)速不變的前提下，改變了變量泵柱塞的有效行程，實現(xiàn)液壓系統(tǒng)變量泵流量和執(zhí)行元件運動速度的控制。同時，利用傳感器實時采集變量泵流量和執(zhí)行元件速度的數(shù)值，經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后，經(jīng)過PID重新運算后輸出PWM，來實時修正變量泵斜盤的傾斜角度，降低泵排量的調(diào)節(jié)偏差，提高控制液壓系統(tǒng)執(zhí)行元件速度的穩(wěn)定性。

3 軟件設計

依據(jù)下位機設計思路和上位機控制內(nèi)容的總體要求，選擇相應的編程軟件來實現(xiàn)程序的開發(fā)。

3.1 PLC控制程序的設計

利用傳感器的數(shù)據(jù)檢測，PLC讀取變量泵的技術參數(shù)，執(zhí)行用戶指令并進行PID計算，輸出PWM信號驅(qū)動變量機構，調(diào)整變量泵的參數(shù)，并將調(diào)整后的數(shù)據(jù)反饋回控制器，實現(xiàn)閉環(huán)控制。以控制變量泵的排量為例，將PWM信號轉(zhuǎn)換為步進電機的步距角，控制液壓變量機構來調(diào)整斜盤，實現(xiàn)變量泵流量的改變，最終滿足液壓系統(tǒng)執(zhí)行元件的速度要求，控制流程圖如圖2所示。

圖2 變量泵控制流程圖

1）數(shù)據(jù)的采集

根據(jù)設計思路，間斷采集液壓系統(tǒng)中變量泵的模擬信號和開關量，例如變量泵的實時排量、油壓、油溫和功率等數(shù)值，經(jīng)過傳感器轉(zhuǎn)換電信號，模數(shù)變換后成為數(shù)字信號送往下位機。同時依據(jù)液壓系統(tǒng)的工作需要，在觸摸屏上輸入相應技術參數(shù)數(shù)值，也傳輸至下位機進行處理。

2）安全保護

排油壓力過大、超負荷、吸油壓力過低、油液溫度過高、長時間處于零排量和斜盤傾角過大等非正常運行狀況，將直接造成泵結構的損傷，甚至直接無法運轉(zhuǎn)，縮短變量泵的使用壽命。因此，液壓系統(tǒng)運行中，變量泵的控制系統(tǒng)應考慮設置油壓壓力異常保護、過電流保護、高溫保護和傾角保護等。

3）PID運算

在變量泵控制系統(tǒng)的PID運算中，采集泵排量這一技術參數(shù)的數(shù)值，是PLC實現(xiàn)閉環(huán)控制的前提，如圖3所示。由流量傳感器檢測的變量泵排量輸出值()，數(shù)模信號轉(zhuǎn)換后獲得測量值()，傳送至PLC進行PID運算，計算出測量值()和設定值()的排量偏差()。為了在穩(wěn)態(tài)和動態(tài)下排量偏差()都接近于零，PLC輸出()，從而控制步進電機的步距角來調(diào)整變量泵斜盤傾角的度數(shù)，改變柱塞的有效行程，從而控制變量泵的實際排量() 穩(wěn)定在某一設定值上，避免液壓系統(tǒng)執(zhí)行元件運動速度大幅度波動。

圖3 負反饋系統(tǒng)方框圖

PID輸出()與排量偏差()的關系式為：

式(1)中：()=()-()—排量偏差；(t)—變量泵排量設定值；()—排量測量值；()—變量泵排量輸出值；()—PID輸出值；0—PID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)。根據(jù)液壓系統(tǒng)的技術要求和變量泵的結構特點，選擇技術參數(shù)的采集頻率，從而離散化PID輸入輸出關系公式，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)采集時的排量偏差；()—第n次采樣時PID輸出。

4) PWM輸出

在變量泵控制系統(tǒng)中，根據(jù)變量泵排量偏差值，產(chǎn)生PWM輸出信號。利用電磁作用原理，脈沖信號轉(zhuǎn)換為步進電機的角位移，每輸入一個脈沖，電機輸出軸獲得一個相應的步距角，實現(xiàn)步進運動。PWM輸出信號的脈沖數(shù)和頻率，決定了步進電機的步距角和響應速度，而步進電機驅(qū)動液壓變量機構中隨動活塞的運動位移，帶動變量泵的斜盤轉(zhuǎn)動到對應角度，來改變了泵的實際排量。當變量泵的實際流量與設定值相符時，PWM輸出信號趨于為0，確保變量泵的排量維持在某一設定值上。

3.2 上位機監(jiān)控軟件開發(fā)

為開發(fā)變量泵控制系統(tǒng)的人機界面，采用組態(tài)軟件來控制MT506L觸摸屏。該觸摸屏可以動態(tài)顯示變量泵的運行狀況，而且可以根據(jù)液壓系統(tǒng)的工作需要，實時方便實現(xiàn)變量泵技術參數(shù)和系統(tǒng)數(shù)據(jù)掃描周期等的調(diào)整。

4 結論

與傳統(tǒng)的變量泵相比，基于PLC控制的變量泵，在運行過程中可以精確地完成技術參數(shù)的調(diào)整和控制，在2 min測試時間內(nèi)泵的平均出口流量波動率下降了78.8%。此外該控制系統(tǒng)響應快，過渡時間減少62.3%，而且可靠性和抗干擾能力強、有利于軟起動和輸出合理的負載功率，同時保持設備處于理想狀態(tài)，提高操控性能，節(jié)能減排在10%～15%范圍內(nèi)。同時借助方便地實現(xiàn)與其他電子控制器通信的特點，可以進一步開發(fā)該控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡化功能和故障診斷資源。

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Design of Variable Pump Control System Based on PLC

Lin Wencheng

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

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TQ51

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1003-4862（2021）11-0024-03

2021-03-15

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