摘 要：主要闡述了以YB32- 500 型四柱式液壓機(jī)的機(jī)械及液壓裝置為基礎(chǔ), 配以可編程控制器, 根據(jù)液壓機(jī)的工作過程, 按照生產(chǎn)工藝要求進(jìn)行自動(dòng)控制。利用PLC 最具優(yōu)勢的開關(guān)量控制與自身具備的PTO 控制及PID 控制功能緊密結(jié)合, 對液壓機(jī)的運(yùn)行速度及液壓油溫進(jìn)行控制。
關(guān)鍵詞：液壓機(jī)；可編程控制器；PTO； 控制PID ；控制
1 引言
PLC 作為開關(guān)量控制的順序控制器在液壓設(shè)備上的應(yīng)用已很普遍。液壓油的參數(shù)對液壓設(shè)備能否正常運(yùn)轉(zhuǎn)起著舉足輕重的作用, 利用PLC 對液壓油溫進(jìn)行過程控制是本文研究的一個(gè)方面。四柱式液壓機(jī)主要適用小批或成批生產(chǎn)的金屬壓力加工工藝。本文引入現(xiàn)代控制理論及方法對其控制實(shí)施邏輯判斷, 根據(jù)生產(chǎn)工藝要求如何在PLC 一機(jī)上將順序控制與過程控制有機(jī)結(jié)合, 實(shí)現(xiàn)這種復(fù)合控制。機(jī)床根據(jù)編制好的程序自動(dòng)運(yùn)行, 這樣就簡化了工人的操作, 降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度, 提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率。在編制程序過程中把設(shè)備所有可能出現(xiàn)的情況考慮進(jìn)去, 確保液壓設(shè)備本身及操作使用人員的安全; 同時(shí)可大大提高設(shè)備的整體性能及壓力設(shè)備的高技術(shù)含量; 為我國的裝備制造業(yè)的發(fā)展方向提供經(jīng)驗(yàn)。
2 四柱式液壓機(jī)對自動(dòng)控制系統(tǒng)的控制要求
2.1 液壓機(jī)的基本工作過程
液壓機(jī)的工作流程由滑塊快速下行、慢下加壓、壓制、保壓延時(shí)、卸壓回程、頂出缸頂出、頂出缸退回7 個(gè)過程組成。在現(xiàn)使用的YB32- 500 型液壓機(jī)中, 這7 個(gè)過程是在半自動(dòng)及手動(dòng)控制下實(shí)現(xiàn)的。而在自動(dòng)控制的液壓機(jī)中, 這7 個(gè)過程可做到全自動(dòng)依次運(yùn)行, 只有人工按停止按紐或急停按紐干預(yù)方能停車。
2.2 設(shè)備控制要求
液壓機(jī)的自動(dòng)控制系統(tǒng)要求能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)及手動(dòng)兩種控制方式。液壓機(jī)在正常工作時(shí)選擇自動(dòng)控制方式。
2.2.1 液壓機(jī)自動(dòng)工作狀態(tài): 將轉(zhuǎn)換開關(guān)打到自動(dòng)工作狀態(tài), 按下自動(dòng)啟動(dòng)按鈕
（ 1） 液壓機(jī)滑塊靠自重快速下行。
（ 2） 液壓機(jī)滑塊慢下加壓。
（ 3） 接觸工件進(jìn)行壓制。
（ 4） 達(dá)到設(shè)定壓力開始保壓。
（ 5） 保壓延時(shí)到卸壓回程。
（ 6） 回程到位后, 延時(shí)一定的時(shí)間頂出缸頂出。
（ 7） 頂出到位后, 延時(shí)一定的時(shí)間頂出缸退回。
（ 8） 延時(shí)一定的時(shí)間進(jìn)行下一個(gè)工作循環(huán)。
2.2.2 液壓機(jī)手動(dòng)工作狀態(tài): 將轉(zhuǎn)換開關(guān)打到手動(dòng)工作狀態(tài)
（ 1） 按“壓制、回程”按鈕, 液壓機(jī)滑塊動(dòng)作, 抬手停止。
（ 2） 按“頂出、退回”按鈕, 頂出缸動(dòng)作, 抬手停止。
2.2.3 工作過程的控制
（ 1）對液壓機(jī)滑塊的速度, 根據(jù)產(chǎn)品工藝的要求進(jìn)行設(shè)定。其速度由變量泵的流量來控制, 利用步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)變量頭改變泵的斜盤角度來實(shí)現(xiàn)其控制功能。速度等級分高、中、低三擋。
（ 2） 對油溫進(jìn)行控制, 使其保持在15℃～55℃的最佳工作狀態(tài)。
（ 3） 為了設(shè)備及人身安全設(shè)置急停按鈕及光欄保護(hù)開關(guān)。
3 液壓機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)的PLC 選型、參數(shù)設(shè)定
3.1 控制系統(tǒng)構(gòu)成圖
根據(jù)設(shè)備控制及工作過程要求, 其PLC控制系統(tǒng)構(gòu)成圖見圖1。
3.2 PLC 的選型及參數(shù)設(shè)定
四柱式液壓機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)采用西門子公司的S7-200 系列整體式PLC。根據(jù)控制系統(tǒng)圖選用CPU 型號(hào)為CPU226 DC/DC/DC 24 輸入/16 晶體管輸出的PLC。利用PLC 的CPU 具有的高速脈沖輸出（ PTO） 功能對變量泵的步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行開環(huán)控制。由于又要求對油溫進(jìn)行控制, 其控制方式采用模擬量入/開關(guān)量出的形式, 因此需增加一擴(kuò)展溫度測量模塊, 其型號(hào)為EM231RTD。
3.2.1 電源預(yù)算
所有的S7- 200 CPU 都有內(nèi)部電源, 可為CPU 自身、擴(kuò)展模塊和其它用電設(shè)備提供5V、24V 直流電源。擴(kuò)展模塊通過與CPU 連接的總線連接電纜取得5V直流電源。
CPU 還向外提供一個(gè)24V 直流電源, 從電源輸出點(diǎn)（L+,M） 引出。此電源可為CPU和擴(kuò)展模塊上的I/0 點(diǎn)供電,也為一些特殊或智能模塊提供電源。電源預(yù)算值見表1。由表1 中數(shù)據(jù)可知: 電源容量完全滿足要求, 無須增加外接電源。
3.2.2 參數(shù)的脈沖化
控制油泵斜盤的拉桿直徑為120mm, 斜盤角度的調(diào)整范圍為: 0°～20°, 根據(jù)計(jì)算所對應(yīng)的直線距離為:0～41mm。步進(jìn)電機(jī)選用三相雙拍式, 由計(jì)算公式（ 1） :
式中: α— 每輸入一個(gè)脈沖步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)過的角度;
m— 步進(jìn)電機(jī)相數(shù);
k — 步進(jìn)電機(jī)工作方式系數(shù), 單拍取1, 雙拍取2;
z— 步進(jìn)電機(jī)齒數(shù)。
由此計(jì)算知電機(jī)轉(zhuǎn)一圈需要240 個(gè)脈沖, 按照拉桿移動(dòng)1mm 需40 個(gè)脈沖計(jì)算, 斜盤從零位調(diào)到20°時(shí)需要1642 個(gè)脈沖, 電機(jī)需轉(zhuǎn)動(dòng)6.8 圈。
（ 1） 選擇高速時(shí)脈沖數(shù)
快速下行時(shí): 斜盤從零位調(diào)到20°電機(jī)正轉(zhuǎn), 需要1642 個(gè)脈沖。
快轉(zhuǎn)慢時(shí): 電機(jī)反轉(zhuǎn)4°, 需要334 個(gè)脈沖。
卸壓回程時(shí): 電機(jī)正轉(zhuǎn)4°, 需要334 個(gè)脈沖。
（ 2） 選擇中速時(shí)脈沖數(shù)
快速下行時(shí): 斜盤從零位調(diào)到16°電機(jī)正轉(zhuǎn), 需要1323 個(gè)脈沖。
快轉(zhuǎn)慢時(shí): 電機(jī)反轉(zhuǎn)4°, 需要334 個(gè)脈沖。
卸壓回程時(shí): 電機(jī)正轉(zhuǎn)4°, 需要334 個(gè)脈沖。
（ 3） 選擇低速時(shí)脈沖數(shù)
快速下行時(shí): 斜盤從零位調(diào)到12°電機(jī)正轉(zhuǎn), 需要998 個(gè)脈沖。
快轉(zhuǎn)慢時(shí): 電機(jī)反轉(zhuǎn)4°, 需要334 個(gè)脈沖。卸壓回程時(shí): 電機(jī)正轉(zhuǎn)4°, 需要334 個(gè)脈沖。
3.2.3 PID 參數(shù)設(shè)置
由于可編程控制器運(yùn)行速度的提高, 運(yùn)算能力的增強(qiáng), 因此PLC 都可用于數(shù)字PID 控制。本設(shè)計(jì)對液壓油溫進(jìn)行過程控制, 使其保持在15℃～55℃的最佳工作狀態(tài)。S7- 200 型PLC 的CPU226 自身具有數(shù)字PID 控制指令, 只需填寫一張PID 控制參數(shù)表（ Table） 后, 執(zhí)行指令PID Table,LOOP 即可。
當(dāng)被調(diào)量為溫度時(shí), 根據(jù)PID 參數(shù)的經(jīng)驗(yàn)選擇范圍:
K 的選擇范圍: 1.6～5
Ti 的選擇范圍: 3～10m
Td 的選擇范圍: 0.5～3m
增大比例系數(shù)K, 一般將加快系統(tǒng)的響應(yīng), 在有靜差的情況下有利于減小靜差。但過大的比例系數(shù)會(huì)使系統(tǒng)有較大的超調(diào), 并產(chǎn)生振蕩, 使穩(wěn)定性變壞。增大積分時(shí)間Ti, 有利于減小超調(diào), 減小振蕩, 使系統(tǒng)更加穩(wěn)定, 但系統(tǒng)靜差的消除將隨之減慢, 溫度有較大滯后, Ti 需選的大一些。增大微分時(shí)間Td, 亦有利于加快系統(tǒng)響應(yīng), 使超調(diào)量減小, 穩(wěn)定性增加, 但系統(tǒng)對擾動(dòng)的抑制能力減弱, 對擾動(dòng)有較敏感的響應(yīng)。由此選擇參數(shù)如下:
K=2 Ti=6m Td=1.5m
3.2.4 溫度測量模塊EM231RTD 的參數(shù)設(shè)置
為了保持液壓油溫保持在15℃～55℃的最佳工作狀態(tài), 增加一EM231RTD 型溫度測量模塊。其控制方式采用模擬量入/開關(guān)量出的形式, 利用EM231RTD 的2 輸入通道, 當(dāng)油溫超過55℃時(shí), 打開油溫冷卻電磁閥通循環(huán)冷卻水降低油溫, 當(dāng)油溫低于35℃關(guān)閉電磁閥停止通冷卻水; 當(dāng)油溫低于15℃時(shí), 啟動(dòng)油箱內(nèi)的加熱元件（ 加熱元件選用SRY 型管狀件, 電壓: AC 220V 功率2KW） , 當(dāng)油溫高于35℃停止加熱。熱電阻選用Pt100Ω, DIP 開關(guān)設(shè)置SW1～SW8 全為OFF 狀態(tài)即: 00000000
4 四柱式液壓機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)和調(diào)試
4.1 程序設(shè)計(jì)
4.1.1 編程軟件
編程軟件采用西門子公司為其生產(chǎn)的PLC 機(jī)而設(shè)計(jì)的編程軟件STEP7-Micro/Win32。
4.1.2 PLC 程序運(yùn)行流程圖
程序運(yùn)行流程圖是PLC 程序編制的基礎(chǔ)和依據(jù), 見圖2。
4.1.3 程序的下載、安裝和調(diào)試
將各個(gè)輸入/輸出端子和按照實(shí)際模擬的控制按鈕、開關(guān)、電位器、燈泡等部件正確連接, 將PC/PPI 電纜上RS- 232 的一端連在編程設(shè)備的串行口上, 四柱式液壓機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)程序是有STEP7-Micro/Win32 軟件的指令完成, 正常工作程序存放在存儲(chǔ)器中, 若要修改程序, 先將PLC 設(shè)定在STOP 狀態(tài)下, 運(yùn)行STEP7-Micro/Win32編程軟件, 打開其程序, 即可在線調(diào)試, 也可用編程器進(jìn)行調(diào)試。
4.2 PLC 程序說明
4.2.1 程序組成: 有1 個(gè)主程序、12 個(gè)子程序組成。
4.2.2 程序說明
（ 1） 主程序是有0# 初始化子程序及1# 自動(dòng)、2# 手動(dòng)子程序組成。
（ 2） 0# 初始化子程序是對程序編制過程中所用到的內(nèi)部繼電器及順序控制繼電器進(jìn)行初始化。
（ 3） 1# 自動(dòng)、2# 手動(dòng)子程序是用來控制液壓機(jī)的整個(gè)工作過程。
（ 4） 3# 子程序是自動(dòng)控制程序的子程序, 主要用來復(fù)位自動(dòng)控制運(yùn)行的條件。其中包括11#、12# 對溫控模量控制的子程序。
（ 5） 4#、5#、6# 子程序是1# 自動(dòng)控制程序中控制液機(jī)運(yùn)行高、中、低速度選擇的子程序。
（ 6） 7#、8#、9#、10#、子程序分別是4#、5#、6# 子程序中的嵌套子程序。
5 結(jié)語
此次選用西門子公司的S7- 200 系列的整體式PLC機(jī), 利用編程軟件STEP7-Micro/Win32 編制出一套控制程序, 對液壓機(jī)的整個(gè)工作過程及液壓油溫進(jìn)行自動(dòng)控制。對自動(dòng)控制系統(tǒng)的部分功能進(jìn)行了模擬調(diào)試、運(yùn)行,基本實(shí)現(xiàn)了其設(shè)計(jì)功能, 既可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)運(yùn)行也可手動(dòng)運(yùn)行, 此設(shè)計(jì)為提高液壓設(shè)備的自動(dòng)化水平做了一些探討性的工作。
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（轉(zhuǎn)載）
