PLC控制混合機液壓系統的設計與實(shí)現

1、液壓控制系統的功能要求
混合機液壓系統的升降和旋轉要求動(dòng)作平滑、控制平穩、精度在±2r/min。系統實(shí)現的功能如下:
a．調節旋轉方向和無(wú)級調速。
b．要求能夠實(shí)現遠程控制(以下簡(jiǎn)稱(chēng)遠控)和就地控制(以下簡(jiǎn)稱(chēng)近控)兩種功能。遠控在控制大廳的控制臺計算機上進(jìn)行操作，近控在主機現場(chǎng)操作。
c．手動(dòng)和自動(dòng)兩種控制方式。手動(dòng)工況下，按照需求實(shí)現升降、旋轉等單步動(dòng)作; 自動(dòng)工況下，在溫度、真空度等其他條件達到后，實(shí)現主機和混合槳自動(dòng)按設定位置、設定升降、設定時(shí)間、設定工段、設定轉向和設定速度進(jìn)行升降、旋轉等全工藝過(guò)程動(dòng)作。
2、硬件部分
混合機液壓控制系統的硬件設計以PLC系統和計算機系統為核心，計算機與PLC的CPU之間通過(guò)通信電纜實(shí)現雙向數字通信。
PLC是一種專(zhuān)為在工業(yè)環(huán)境中應用而設計的具有計算機功能的電子裝置?？蓤绦羞壿嬤\算、順序運算、定時(shí)、計數及算術(shù)運算等操作指令，通過(guò)數字式、模擬式的輸入輸出使外圍設備與工業(yè)控制系統形成一個(gè)整體，實(shí)現對各類(lèi)機械或生產(chǎn)過(guò)程的控制。PLC機型選擇的基本原則應該是在滿(mǎn)足功能要求的情況下，主要考慮結構、功能、統一性及在線(xiàn)編程要求等。本系統采用三菱FX3U，包括CPU模塊、AD模塊和DA模塊。PLC收集行程開(kāi)關(guān)、按鈕等開(kāi)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、數學(xué)運算等程序處理，發(fā)出指令驅動(dòng)液壓系統的升降油泵、旋轉油泵、升降閥及旋轉閥等按程序完成動(dòng)作。
輸入輸出單元是PLC與外界連接的接口。輸入單元接收來(lái)自用戶(hù)的各種控制信號，通過(guò)連接電路將這些信號轉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，然后將處理結果輸送到輸出單元，輸出單元控制設備的執行元件。
混合機液壓控制系統的硬件配置如圖1所示。根據系統的工藝要求、控制功能和I/O點(diǎn)數選擇的三菱FX3U，其CPU模塊為FX3U-128，包含128點(diǎn)DI(開(kāi)關(guān)量輸入模塊) 、DO(開(kāi)關(guān)量輸出模塊)，擴展模塊為兩塊3U-4AD(4通道模擬量/數字量轉換模塊)和一塊3U-4DA(4通道數字量/模擬量轉換模塊)。行程開(kāi)關(guān)、按鈕、旋鈕及超溫超壓超速報警信號等作為開(kāi)關(guān)量輸入至CPU模塊，CPU模塊輸出開(kāi)關(guān)量控制信號至油泵、真空泵及空壓機等接觸器和中間繼電器，上升閥/下降閥/正轉閥/反轉閥等，位置、升降、旋轉等狀態(tài)指示燈。4AD模塊用于油溫、料溫、夾套溫度、真空、轉速及油壓等傳感器模擬量的運算處理。4DA模塊用于轉速比例放大。

圖1 混合機液壓控制系統的硬件配置框圖
利用電液比例控制技術(shù)實(shí)現液體壓力和流量連續且按比例地跟隨控制信號而變化。電液比例閥的優(yōu)點(diǎn)有: 方便地實(shí)現自動(dòng)控制、遠程控制和程序控制; 把電的快速性、靈活性等與液壓傳動(dòng)功率大等優(yōu)點(diǎn)結合起來(lái); 連續且按比例地控制執行元件的力、速度和方向，并防止壓力或速度變化時(shí)的沖擊現象。組成電液比例控制系統的基本元件包括:
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，以便達到電－ 機械轉換裝置的控制要求;
d．比例閥，電、機械轉換器和液壓放大元件。
混合機的旋轉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。通過(guò)電信號大小控制比例閥的換向與開(kāi)度，從而控制混合機的旋轉換向和速度控制。本系統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，設有整流、濾波、穩壓、過(guò)載保護、信號輸入、斜坡升降調節、前置放大及功率放大等有關(guān)電路。
轉速比例放大原理框圖如圖2所示?？刂妻D速有手動(dòng)、自動(dòng)兩種模式。手動(dòng)方式由人工調節電位器，輸入信號至比例放大器，比例放大器相應輸出0～680mA信號至比例電磁鐵，驅動(dòng)比例線(xiàn)圈，實(shí)現油口切換和不同開(kāi)度的目的，達到混合槳旋轉方向和不同速度的要求; 自動(dòng)方式從計算機上設置轉速，PLC程序進(jìn)行轉速顯示、控制、運算和信號處理，得到轉速控制信號，轉速控制信號通過(guò)4DA模塊將數字信號轉換為模擬量信號1～5V(DC)，該信號輸入至比例放大器，比例放大器相應輸出0～680mA信號至比例電磁鐵，驅動(dòng)比例線(xiàn)圈。

圖2 轉速比例放大原理框圖
3、軟件部分
3.1轉速自動(dòng)控制程序
計算機操作軟件采用組態(tài)王6.55軟件，實(shí)現全工藝過(guò)程的顯示與操作，包括參數顯示、狀態(tài)指示、工藝設定及主機操作等。
混合機液壓控制系統的轉速自動(dòng)控制程序由PLC實(shí)現，開(kāi)發(fā)平臺為三菱GX Developer。轉速自動(dòng)控制流程如圖3所示。
檢查DA模塊是否正常，與機架號比較，若出現錯誤則進(jìn)行報警處理。然后定義DA模塊量程，即4個(gè)通道都為-10～10V(DC)輸入，相應為-10000～10000個(gè)字。當執行自動(dòng)程序時(shí)，首
先判斷是否滿(mǎn)足自動(dòng)條件，即是否有液壓油堵、超溫、超壓和主機位置不到位。如果有，則進(jìn)入報警程序處理; 如因意外情況導致轉速超速，則進(jìn)入限速和報警處理程序。實(shí)際轉速與設定轉速比較，設置判斷帶寬，如果實(shí)際轉速小于設定值帶，則增加DA模塊的輸出量，直至等于設定值為止。如果實(shí)際轉速大于設定值帶，則減小DA模塊的輸出量，直至等于設定值。帶寬不能過(guò)大，否則轉速控制不平穩，精度不夠; 帶寬也不能過(guò)小，否則執行機構頻繁動(dòng)作，影響性能。經(jīng)多次調試，比例放大系統和轉速自動(dòng)控制系統的各個(gè)參數都達到了要求，系統動(dòng)作平穩，控制精度優(yōu)于工藝要求。

圖3 轉速自動(dòng)控制流程
3.2轉速測量參數及其調試
轉速傳感器輸出脈沖信號至控制系統，轉速V 的計算公式如下:

式中f ———頻率輸入值，Hz;
KK1———輸入增益;
KK2———傳感器每轉發(fā)生的脈沖個(gè)數;
KK4———標度增益;
PB1———輸入零點(diǎn);
PB4———標度零點(diǎn);
SL0———轉速時(shí)間，min。
計算由CPU完成，SL0、KK2、KK4和PB4用于標度轉換，KK1和PB1用于精度調整。在本系統中，液壓馬達每轉一圈，傳感器感應10個(gè)脈沖。
經(jīng)多次調試后確定了相關(guān)參數，測試結果表明其測量線(xiàn)性度好，測量精度優(yōu)于工藝要求。本系統中轉速V與頻率f的關(guān)系曲線(xiàn)如圖4所示。

圖4 轉速與頻率的關(guān)系曲線(xiàn)
3.3安全設計
由于混合機混合的原材料屬危險品，屬危險作業(yè)，因此，為保證生產(chǎn)過(guò)程、設備和操作人員的安全，安全系統設計非常重要。
3.3.1轉速安全保護
轉速安全保護設置兩級轉速保護，由PLC程序實(shí)現。其中，二級為設定轉速的110% ，一級為圖4轉速與頻率的關(guān)系曲線(xiàn)設定轉速的120%。
在正常情況下，當轉速達到設定轉速時(shí)，PLC會(huì )自動(dòng)停止增速。當有意外發(fā)生，如果沒(méi)有停止增速，且轉速升高到二級指標時(shí)，PLC發(fā)出控制信號實(shí)施速度鉗位，并發(fā)出聲光報警。如果轉速失控，仍然升高，當轉速升高到一級指標時(shí)，PLC發(fā)出控制信號，立即停止轉動(dòng)，并開(kāi)始卸真空和主機下降，直到達到下限位，同時(shí)發(fā)出聲光報警。
3.3.2安全聯(lián)鎖
為實(shí)現安全聯(lián)鎖，設計遠控系統用于在控制大廳進(jìn)行遠程隔離操作，從操作上保證了安全。
PLC程序中設計的安全聯(lián)鎖有:
a．遠控/近控聯(lián)鎖，處于遠控狀態(tài)時(shí)，近控所有操作無(wú)效; 反之，處于近控狀態(tài)時(shí)，遠控所有操作無(wú)效。
b．正轉/反轉聯(lián)鎖，處于正轉狀態(tài)時(shí)，反轉操作無(wú)效; 反之，處于反轉狀態(tài)時(shí)，正轉操作無(wú)效。
c．門(mén)機聯(lián)鎖，設備處于運行狀態(tài)時(shí)，啟動(dòng)開(kāi)門(mén)無(wú)效; 如果沒(méi)有關(guān)好門(mén)，啟動(dòng)設備無(wú)效。
d．手動(dòng)/自動(dòng)聯(lián)鎖，處于手動(dòng)狀態(tài)時(shí)，自動(dòng)操作無(wú)效; 反之，處于自動(dòng)狀態(tài)時(shí)，手動(dòng)操作無(wú)效。
3.3.3超限處理與報警
超限處理與報警由PLC 程序實(shí)現，觸發(fā)源與報警處理詳見(jiàn)表1。
 

表1 超限處理與報警項目
3.3.4急停
當有意外情況發(fā)生時(shí)，按下“急停”按鈕，停止油泵、升降、旋轉、加熱及抽真空等全部的動(dòng)力動(dòng)作，以保證工作人員、生產(chǎn)和設備的安全。
4、結束語(yǔ)