基于PLC的比例阀控气缸伺服控制系统.pdf

179自动化与控制基于 PLC 的比例阀控气缸伺服控制系统郝欣妮1 朱 勇2 杨益洲1 周中升1 卫玉芬1（1.扬州市职业大学 机械工程学院，扬州 225009；2.扬州大学广陵学院，扬州 225000）摘 要：传统的气动伺服系统控制策略复杂，价格昂贵，使用条件苛刻，一般的工业场合难以满足要求，实用性受到严重限制。设计一种基于可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）和比例控制阀的低成本气动伺服定位控制系统，搭建实验平台，利用气动伺服定位比例-积分-微分（Proportion Integral Differential，PID）增益算法，调节不同的比例、积分和微分系数，编写自适应控制程序，以满足设备的智能化自动控制要求。关键词：可编程逻辑控制器（PLC）；比例阀控气缸；伺服控制系统；轨迹跟踪Servo Control System for Proportional Valve-Controlled Pneumatic Cylinders Based on PLCHAO Xinni1,ZHU Yong2,YANG Yizhou1,ZHOU Zhongsheng1,WEI Yufen1(1.School of Mechanical Engineering,Yangzhou Polytechnic College,Yangzhou 225009;2.Guangling College of Yangzhou University,Yangzhou 225000)Abstract:The traditional pneumatic servo system control strategy is complex,expensive,harsh conditions of use,general industrial occasions difficult to meet the requirements,practicability is severely limited.A low-cost pneumatic servo positioning control system based on Programmable Logic Controller(PLC)and proportional control valve is designed,and the experimental platform is built.The proportional Integral Differential(PID)gain algorithm is used to adjust different proportional,integral and differential coefficients,and write adaptive control programs to meet the requirements of intelligent automatic control of equipment.Keywords:Programmable Logic Controller(PLC);proportional valve control cylinder;servo control system;trajectory tracking气压传动技术凭借清洁无污染、成本低廉、工作效率高等优势，在工业自动化、食品包装、交通运输、医疗器械等领域得到了广泛应用1-2。但是，受到气体的可压缩性、摩擦力的非线性等因素影响，气动伺服系统的气缸运行不平稳，位置控制精度难以达到理想效果。传统的气动伺服系统控制策略复杂、价格昂贵、使用条件苛刻，一般工业场合难以满足要求，使得其在工业等领域的应用受到限制。为此，设计一种基于传统可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）控制器和气动比例阀的气缸伺服控制系统，并搭建实验平台，进行气缸的定点位置控制和轨迹跟踪控制实验。实验结果表明，设计的系统伺服控制简单可行，控制性能优越，实时性强，价格适中，具有工程实用性。1 伺服系统工作原理该气动伺服系统有手动和自动两种模式。手动模式可以实现气缸的手动快/慢伸出、退回和停止3。自动模式可以实现快速且准确定位到某个点位（点位控制）、在两个可变点位之间快速移动（方波控制）、平稳准确跟踪移动到某个点位（正弦波或者三角波轨迹跟踪）。该气动伺服系统采用 PLC 控制技术、气动比例控制技术以及网络通信技术等。气动伺服系统原理框图，如图 1 所示。系统通过以太网通信实现各设备间的交互。PLC根据接收到的目标位置和位移传感器反馈的数据，经过比例-积分-微分（Proportion Integral Differential，PID）整定给出数据，再通过数模转换（Digital to Analog，D/A）模块将信号传输给比例阀，驱动气缸位移。位移传感器把气缸所在位置反馈给 PLC 形成一个闭环控制系统，使气动伺服控制系统按要求稳定运行，且平稳到达目标位置，并保证相应的位置精度4。基金项目：2022 年江苏省科技副总项目（FZ20221363）；扬州市职业大学教改课题（2023XJJG01）。目标位置触摸屏PLCPLC 计算出的压力比例阀两腔产生压力差气缸气缸活塞杆伸出的距离位移传感器杆伸出距离输出到 PLC用电压信号将气缸活塞图 1 气动伺服系统原理框图现 代 制 造 技 术 与 装 备1802023 年第 10 期总第 323 期2 元器件选型及硬件电路设计本研究基于 PLC 的比例阀控气缸伺服控制系统主要由 PLC、触摸屏、比例阀、气缸和位移传感器组成。为了对该系统中的气缸进行位置控制实验研究，搭建系统实验平台，如图 2 所示。比例阀控气缸位置控制原理图，如图 3 所示。位移传感器气缸比例阀电源PLC触摸屏图 2 实验台实物图2.1 PLCPLC 是系统的控制核心，经过程序的运算处理（PID 运算），把数值量传送给 D/A 模块转换成物理信号，气动比例阀调整开口大小驱动气缸位移。PLC 再次将位移传感器反馈的物理信号通过模数转换（Analog to Digital，A/D）模块转变成数字量进行比较运算，判断得出所需数据后再传给比例阀，形成闭环控制5。系统采用西门子 S7-200Smart PLC，中央处理器（Central Processing Unit，CPU）为 ST20，模拟量模块型号为 EM AM06-4AI2AQ。PLC 接线图如图 4 所示。2.2 触摸屏为了更直观显示气缸位置伺服控制的情况，系统配备 SIMATIC HMI SMART 700 IE V3 触摸屏，以太网接口为 RJ-45。通过触摸屏实时采集与监控现场数据，利用 WinCC Flexible Smart 软件进行后续处理。2.3 比例阀气缸的位移是通过 2 个比例阀调节两腔的压力形成压力差完成驱动。采用 2 个比例阀可以提高控制自由度与响应速度6。比例阀接收到 D/A 模块传来的数据后，调节开口大小，促使压力驱动气缸调整至目标位置。本系统选用 SMC VY1 系列的电气比例阀，电压信号为 1 5 V。位移传感器气缸气动比例阀气动比例阀控制器A/DD/A二位三通换向阀气源气动三联件图 3 比例阀控气缸位置控制原理图181自动化与控制 手动模式按钮 自动模式按钮 急停按钮手动慢速伸出按钮手动慢速退回按钮手动快速停出按钮手动快速退回按钮 手动停止按钮 点位控制按钮 方波控制按钮 正弦波控制按钮 三角波控制按钮 三角波控制按钮 DC 24 V DC 24 V+-1M I1.3 I1.2 I1.1 I1.0 I0.7 I0.6 I0.5 I0.4 I0.3 I0.2 I0.1 I0.0 M M Q0.0二位三通阀200Samrt ST20L+L+图 4 PLC 外部接线图2.4 位移传感器系统对于气缸位移的检测采用电阻式位移传感器。位移传感器将气缸所在位置以电压信号的形式反馈给A/D 模块，转化成数字量后传至 PID 和触摸屏，实时显示气缸所在位置。2.5 气缸选用 SMC 气缸，型号为 CDM2B20-75 的自润滑双作用小型气缸，缸径为 20 mm，行程为 75 mm。另外，气缸活塞杆与位移传感器同步机械连接。因为比例阀可以调节的压强范围为0.050.88 MPa，二位三通阀支持的压强范围为 0.15 0.80 MPa，所以实验台气动系统的上限压强为 0.80 MPa，下限压强为 0.15 MPa。为保证气动系统正常运行，气源压强需要大于 0.80 MPa，三联件中的减压阀压强调定在 0.80 MPa。3 软件程序设计3.1 PLC 程序设计通过 STEP 7 MicroWIN SMART 软件对 PLC 进行组态和编程。创建项目，组态 PLC ST20 和模拟量模块 EM AM06，模拟量输入和输出均为电压信号，通过以太网通信测试组态是否存在问题。针对系统控制要求建立程序，下载并调试。3.2 PID 的调节通过 PID 向导进行 PID 参数的初步设置，按照实际情况调试设定输入值和输出值，编写控制程序调节比例阀驱动气缸位移。为了使气动伺服控制系统运行平稳且无冲击，减小跟踪误差，使其不超过目标值。PID 整定主要采用比例-微分（Proportion Differential，PD）控制。PD 控制可以抑制输入响应的超调，缩短到达稳定输出的时间，而且不会影响系统的固有频率。通过手动模式测试程序是否存在问题，在自动模式中通过PID 控制面板调节比例增益、积分时间和微分时间，调试最佳值使气缸的位移准确，减小轨迹跟踪误差7。3.3 触摸屏界面设计利用西门子触摸屏视窗控制中心（Windows Control Center，WinCC）软件进行组态和界面设计。触摸屏设计分为主页、手动模式、自动模式、点位控制、方波控制、正弦波控制以及三角波控制等界面，部分界面如图 5 所示。（a）手动模式界面 （b）点位控制界面图 5 触摸屏部分界面4 调试与运行第一，检查软件测试比例阀与位移传感器是否接线正确，能否正常工作。模拟量位移与电压的对应关系如图 6 所示。y=10.417x02040608010012014002468101214位移传感器伸出长度/mm位移传感器输出电压/V图 6 位移与电压的对应关系图第二，采用 STEP 7 MicroWIN SMART 软件中的PID 调试面板调试 PID。第三，将程序下载到 PLC，用外部实体开关测试程序是否存在问题，调试程序。第四，切换触摸屏界面，依次测试系统连接是否现 代 制 造 技 术 与 装 备1822023 年第 10 期总第 323 期存在问题。第五，反复调整 PID 参数，使伺服系统能够准确定位，满足精度要求，总结整理测试结果。由测试结果可知，该气动伺服控制系统能够实现准确定位控制，系统无冲击，运动精度较高，平稳可靠，满足控制要求，适用于设备的智能化自动控制。5 结语为了准确控制气动伺服控制系统，进行 PLC、触摸屏、气动比例阀等元器件的选型和硬件电路设计，搭建实验平台，并分别对 PLC 和触摸屏进行软件程序设计。利用气动伺服定位 PID 增益算法，调节不同的比例、积分、微分系数，编写自适应控制程序。设计的系统能够实现精准定位，满足设备的自动化控制要求，建议推广应用。参考文献1 赵彦楠，曾亿山，耿豪杰.气动位置控制系统分数阶控制器的设计与仿真 J.液压与气动，2019（7）：134-141.2 郝欣妮，高艳，MOHAMMED A E A，等.面向多规格螺母的自动拧紧机系统 J.制造技术与机床，2022（4）：88-93.3 王涛，王波，王绍宁，等.气动伺服焊枪的研究进展及展望 J.液压与气动，2017（10）：1-9.4 林文城.基于 PLC 的电磁比例阀控制设计研究 J.船电技术，2018（12）：33-35.5 陶国良，毛文杰，王宣银.气动伺服系统机理建模的实验研究 J.液压气动与密封，1999（5）：26-31.6 鞠鹏程，姚恩涛，李铭伦.基于 STM32 的气动机械手位置伺服控制器的设计 J.电子测量技术，2020（16）：22-27.7 魏琼，陆浩，刘伟恒，等.双阀气动伺服系统的 LuGre摩擦模型补偿研究 J.机械科学与技术，2023（10）：1609-1616.刚度不对称。而在转子实际转速达到临界转速时，会呈现出以 2 振动为主的振动模式。具体特征如图 3 所示。转子裂痕故障特征频率特征时域特征升速特征1频率为主含2和高频振幅上升动平衡后仍慢速增加临界转速降低平衡结果与预期不符转子热弯曲低速时振动大过临界转速时振动大过临界转速时共振图 3转子裂纹特征对于转子裂纹的处理，应根据裂纹的不同情况采用不同的措施。对于转子外表面发生的微小裂纹，可以采用打磨处理。当裂纹深度小于 0.5 mm 时，可以直接用砂布打磨；当裂纹深度为 0.5 3.0 mm 时，可用砂布打磨后再用抛光机抛光。对于较大的裂纹，可以采用补焊的方法进行处理。补焊时应采用与转子材料相同的焊条，并按照相应的焊接工艺进行操作。补焊后应进行热处理，以消除焊接应力。如果转子裂纹比较严重无法采用补焊的方法进行处理，可以考虑更换转子。更换转子时需要注意新转子的材料、尺寸和精度等参数与原转子相同。4结语汽轮机异常故障振动存在较大危害，所以必须了解其异常振动的原因，以便采取有效的诊断和解决措施。随着自动化控制技术的发展，该技术为汽轮机的异常振动诊断带来了新的思路。火电厂要进一步加大对汽轮机异常振动诊断研究的投入，缩短异常处理时间，避免二次故障。为了提高振动诊断的正确率，企业要加强技术人员培训，升级检测设备。参考文献1 陈常锋，裴石磊.汽轮机异常振动原因分析及解决方法 J.内燃机与配件，2019（18）：179-180.2 禹海斌.汽轮机运行振动危害与解决措施 J.设备管理与维修，2021（11）：83-85.3 曹乐康，李欣欣.汽轮机异常振动原因及处理措施 J.电动工具，2023（4）：23-24.4 崔宇杰.电厂汽轮机振动原因与对策分析 J.集成电路应用，2021（10）：122-123.5 吴健，吴仕奎.汽轮机高负荷振动异常分析及处理 J.内燃机与配件，2020（9）：160-161.（上接第 174 页）