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PLC在液压控制系统中的应用

摘要： 液压传动控制系统是用来控制液压动力原件（液压缸、液压马达）按照规定的要求动作。该系统可以采用PLC来代替传统的继电器控制液压控制原件，从而实现对液压动力原件的控制，提高了液压控制系统的自动化成都和可靠性。本文结合并以PLC（Program Logic Controller）在液压动力滑台中的应用，给出具体的实现方法，实践证明该方法可靠易行。

关键词： 液压传动控制系统；PLC；液压动力阀台

引言： 液压传动是研究以液体为传动介质来实现各种机械传动与控制的技术,几乎应用于与机械运动相关的各个领域,已成为自动控制系统中的一个重要组成部分,采用液压技术的程度已成为衡量一个国家工业化水平的重要标志。目前,我国的液压工业已成为影响机械工业和扩大机电产品国际交往的瓶颈产业,迅速改变这种状况,是我国液压技术研究和制造所面临的迫切任务,液压传动系统的控制经历了继电器控制、无触点逻辑控制、微型计算机控制以及现今的PLC(ProgramLogicController)控制等阶段。PLC是以微电子技术为基础发展起来的新一代工业控制设备,是计算机技术与继电器逻辑控制概念有机结合的产物。PLC作为新一代工业控制器,可靠性高、通用性、灵活性和抗干扰性强,能很方便的实现多种复杂的自动工作循环,使用简单,编程方便,还可实现控制的可视化。

1.液压传动系统的特点
液压传动系统一般含有一个或几个基本液压回路,包括控制执行元件运动速度的速度控制回路,控制液压系统全部或局部压力的压力控制回路,用来控制执行元件(液压缸、液压马达)运动方式的换向回路等。功能复杂的液压传动系统由多个不同功能的基本液压回路组成,这些回路组成的传动系统实现了机械设备所需的各种运动及控制功能。通过对液压传动系统的工作过程和特点进行分析,液压传动系统控制的任何一个运动过程几乎都是按顺序步骤进行的。工作部件主要为液压缸、液压马达,它们的工作过程按预定的逻辑关系实现,运动状态的改变靠转换信号。信号主要来源于按扭(启动、停止)开关、行程限位开关、压力控制开关以及温度、压力等参数变化。这些输入的信号可通过PLC逻辑运算转化为控制液压换向阀电磁铁线圈的输出信号。

2. PLC系统

2.1系统硬件设计
PLC系统系统可以用上位机实现对液压系统的控制,主要是控制液压系统完成基本的动作—液压缸的自由进退,从而实现动力滑台的进给运动[1]。总的控制系统的结构是:上位机用力控组态软件做人机界面,实现各种控制的可视化;下位机用PLC实现电磁换向阀的控制,利用组态软件对PLC的监控实现系统的实时控制,如图1：

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从图中可以看出,PLC选择是否合适至关重要。在选择PLC时,首先要分析液压系统运动过程、设计功能以及输入设备(按扭开关、行程开关、压力开关)和输出设备(液压换向阀电磁铁线圈、接触器线圈、指示灯)的作用,明确输入、输出信号的对应关系和数量,选择与之相适应的PLC。
CX-P是计算机上运行、编程软件,计算机和PLC之间的通讯通过适配器完成,该软件的特点是集编程、通信和控制于一体,采用Windows操作界面,有较强的编辑和监控功能,能将PLC程序以文件的形式保存在计算机里,便于程序的修改、比较和打印,并能在梯形图与助记符程序之间转换。

2.2 PLC程序设计
常用的PLC程序设计有经验设计法、功能表图法、分解设计法等。虽然不同方法设计出的程序控制效果是一样的,但仍需根据具体情况分析以选择适合的方法。
经验设计法设计PLC程序:经验设计法是沿用传统继电器电气系统的设计概念,即在一些典型程序的基础上,根据被控对象的实际要求,不断修改、完善程序。有时需多次反复修改后才能得到一个满意的结果,常用于简单的液压实验回路。
功能表图法设计PLC程序:该方法首先是绘制功能表图,然后再将其转化为PLC程序,一个功能表图由工步、转换、用以连接步和转换的外部接线图。将液压系统的工作顺序划分为步(即一个工作状态),并确定各相邻步之间的转换条件(既行程开关、压力开关),当满足进入下一步的转换条件的输入信号出现时即标志这一步结束和下一步的开始。在步内,输出状态保持不变,当本步的转换条件成立时,上一个运行状态结束,下一个运行状态开始。这种方法有章可寻,设计出的程序较规范,但对简单液压实验回路的程序设计显的有些繁琐。一般用于较复杂的液压系统。
分解设计法设计PLC程序:任何复杂的控制系统都可将其拆分成独立的、相对简单的基本回路单元,可先针对独立的基本回路编程,然后分析其运动顺序关系,根据输入信号与执行元件间的逻辑关系,用输入和输出信号将各单独回路连成一个整体。该方法在某种程度上具有经验设计法的性质,对复杂实验项目一般采用功能表图法,也可采用分解设计法,对简单液压回路采用经验设计法。

3. 液压控制系统应用举例
下面以液压动力滑台控制系统[2]的设计为例具体说明PLC在液压控制系统的应用。具体液压动力滑台工作原理如图2所示:
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液压动力滑台以液压泵作为动力源,中间通过管道与各种控制阀相连接,通过换向阀改变液压缸的液压油的供应方向,从而取到工作台的换向作用。
电磁阀与液压缸动作关系如图3所示：

电磁阀功能转换如下表所示：

步骤
指令
YA1
YA2
YA3
快进
SB1
+
-
+
工进
SQ2
+
-
-
快退
SQ3
-
+
-
原位停止
SQ4
-
-
-
YA1、YA3控制阀台快进；YA1控制阀台工进；YA3控制阀台快退

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3.1 硬件设计
按钮和行程开关可以直接与PLC的输入端相连,继电器线圈与输出端子相连,可知PLC所需的输入、输出点数共计10点,考虑到今后扩大功能留有余地,选定PLC型号为F1-40MR。输入、输出点分配如下所示:

I SB1—X00 1SB2—X002
SQ1—M100 SQ2—M101
SQ3—M102
O YA1—Y430 YA2—Y431
YA3—Y432

具体系统PLC的外部接线图如图4所示：

3.2 程序设计
本系统的功能完成主要靠PLC内的程序来实现,有些控制可以由上位机来干预。由于PLC有着极好的稳定性,所以设备的大部分控制功能都由PLC来实现,程序的整体结构如下:
LD M100 MC M110 MCR M110
ANI X00 LD M103 LD M102
LDI M105 AND M101 OR X002
AND M103 OR M104 OR M105
ORB OUT M104 ANI M100
OR X001 LD M103 OUT M105
OUT M103 OUT Y430 OUT M105
LDI M105 ANI M104 OUT Y431
OUT M110 OUT Y432

由此可得PLC梯形图如图6所示：

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3.3 工作原理

3.3.1动力滑台快进
动力滑台上的挡铁压下SQ2、M100常开触点闭合,按下启动按钮SB1,X001常开触点闭合,M103线圈通电,M103常开触点闭合,使电磁铁线圈Y430,Y432同时通电,此时,图1中的换向阀2和换向阀4的左位进入系统,活塞杆快速右移,带动动力滑台快速进给。

3.3.2动力滑台快速工进
当挡铁下压行程开关SQ2时,M101常开触点闭合,M104线圈得电动作,使电磁线圈Y432失电。此时图1中换向阀2的左位和换向阀4的常态位进入系统,从而使活塞杆右移速度减慢,带动动力滑台工作进给。

3.3.3动力滑台快退
当动力滑台工作进给到终点,挡铁压下行程开关SQ3时,M102常开触点闭合,使电磁铁线圈Y430,Y432同时失电,使Y431线圈得电。此时,图1中的换向阀2(右位),换向阀4(常态位)进入系统使活塞杆快速左移,带动动力滑台快退。

3.3.4动力滑台原位停止
当动力滑台快退到原位,挡铁压下行程开关SQ1,M100常开触点断开,使电磁铁Y431失电,此时图1换向阀2、4都是常态位进入系统液压缸内无液压油流入,活塞杆不动,动力滑台原位停止。
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3.4 人机界面设计
人机界面采用力控组态软件作为开发平台,力控组态软件具有非常强大的现场组态和流程图的绘制,通过组态软件的PLC驱动,实现图形与PLC内寄存器的动画连接,从而可实时监控系统的运行状态。

4.结语
液压动力滑台工作循环是自动化程度较高的部件,其控制系统具有一定的复杂性。通过上位机中进行组态和编辑,下位机(PLC)实现电磁换向阀的控制,可以非常容易的满足工艺要求。使操作人员非常方便、简单的在人机界面上实现各种操作,提高了系统的温度系统的稳定性,降低了故障发生率,工作效率也大大提高。

参考文献:
[1]余雷声，电气控制与PLC应用[M]，北京：机械工业出版社，1997；
[2]曹建东，龚肖新。液压传动与气动技术[M]，北京：北京大学出版社,2005；
[3]王也仿，可编程控制器应用技术[M]，北京：机械工业出版社,2006.
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