基于PLC的移動(dòng)液壓油源控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

牛 英，童 亮，王連新

（北京信息科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，北京 100192）

0 引言

10MPa移動(dòng)液壓油源作為某輪式車輛動(dòng)力單元試驗(yàn)臺(tái)的供油系統(tǒng)，可以分別或同時(shí)提供4路壓力供油，最高壓力為10MPa，最大流量為200L／min，系統(tǒng)出口油溫最高為120℃。由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，具有高溫高壓大流量控制回路及其他分系統(tǒng)控制，因此構(gòu)建安全、穩(wěn)定的電氣控制系統(tǒng)十分重要。本文結(jié)合計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、電液比例技術(shù)以及PLC變頻技術(shù)構(gòu)建其電氣控制系統(tǒng)［1］。

1 移動(dòng)液壓油源供油系統(tǒng)的組成

該液壓系統(tǒng)由主油路&回油路、小流量路、中壓路、高壓路、低壓路以及冷卻系統(tǒng)和油箱組成，包含主油泵1、潤滑油泵2和回油泵3三個(gè)泵。其中主油路&回油路通過比例溢流閥4調(diào)節(jié)，小流量路通過減壓閥5、調(diào)速閥6調(diào)節(jié)控制其壓力流量，中壓路由電動(dòng)球閥7、比例減壓閥8調(diào)節(jié)控制，高壓路由電動(dòng)調(diào)節(jié)球閥9、低壓路由電動(dòng)球閥10和電動(dòng)調(diào)節(jié)球閥11分別實(shí)現(xiàn)其壓力和流量的控制。油箱通過加熱器12實(shí)現(xiàn)其溫度升高，冷卻系統(tǒng)通過控制冷卻水閥13的開度控制冷卻水流量改變換熱效率。10MPa移動(dòng)液壓油源供油系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

圖1 10MPa移動(dòng)液壓油源供油系統(tǒng)

2 電氣控制方案設(shè)計(jì)

本液壓油源供油系統(tǒng)以PLC控制器為核心，實(shí)現(xiàn)對(duì)被測信號(hào)的調(diào)理、數(shù)據(jù)采集、驅(qū)動(dòng)單元和液壓系統(tǒng)元件的控制［2］?？刂葡到y(tǒng)總體方案如圖2所示，包括PLC控制系統(tǒng)、轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)、超限報(bào)警系統(tǒng)、液壓加載系統(tǒng)、油溫控制系統(tǒng)、壓力和流量測量系統(tǒng)等。

液壓系統(tǒng)控制壓力和流量范圍如下：主油路&回油路P主=0MPa～10MPa；小流量路P小=0MPa～2.5MPa，Q小=0L／min～15L／min；低壓路P低=0MPa～1MPa，Q低=0L／min～200L／min；中壓路P中=0MPa～4MPa，Q中=0L／min～200L／min；高壓路P高=0MPa～10MPa，Q高=0L／min～100L／min。液壓系統(tǒng)控制測量精度如下：溫度測量誤差≤2%；PID調(diào)整至穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)間≤20s；壓力測量誤差≤2%；壓力控制誤差≤±5%；流量測量誤差≤±2%；流量控制誤差≤±5%；油箱油溫要求的范圍為常溫至+120℃，油溫控制精度為±5℃。

2.1 轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)

主油泵選用定量軸向柱塞泵，主油泵電機(jī)通過PLC控制變頻器實(shí)現(xiàn)變轉(zhuǎn)速，從而改變主油路中油液的流量。在組態(tài)的人機(jī)界面上啟動(dòng)變頻器和風(fēng)機(jī)，設(shè)定主軸轉(zhuǎn)速，在PLC程序中對(duì)設(shè)定的主軸轉(zhuǎn)速進(jìn)行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成變頻器的狀態(tài)字輸出，從而調(diào)節(jié)變頻器輸出頻率，驅(qū)動(dòng)油泵電機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)油液流量的控制，這就構(gòu)成了轉(zhuǎn)速控制的開環(huán)系統(tǒng)［3］。

2.2 超限報(bào)警系統(tǒng)

當(dāng)液壓系統(tǒng)在運(yùn)行過程中遇到以下問題時(shí)系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)停止運(yùn)行：①油箱溫度超上限；②低壓路入口、出口過濾器堵塞；③高壓路入口、出口過濾器堵塞；④小流量路流量超上限10%；⑤低壓路流量、壓力超上限10%；⑥中壓路流量、壓力超上限10%；⑦高壓路流量、壓力超上限10%。由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，控制系統(tǒng)應(yīng)具有報(bào)警顯示功能，這樣有利于系統(tǒng)故障查找及維護(hù)［4］。

圖2 控制系統(tǒng)總體方案

2.3 油液溫度控制系統(tǒng)

為了配合輪式車輛動(dòng)力單元高溫液壓試驗(yàn)臺(tái)的準(zhǔn)確、穩(wěn)定、高效運(yùn)行，10MPa移動(dòng)液壓油源供油系統(tǒng)需提供溫度恒定的液壓油。在試驗(yàn)開始階段，油箱里的油溫需盡快達(dá)到設(shè)定的溫度。液壓系統(tǒng)最大流量為200L／min，經(jīng)計(jì)算采用的油箱體積為600L，所需加熱器的功率較大，基于控制精度和項(xiàng)目經(jīng)費(fèi)等多方面因素綜合考慮，設(shè)計(jì)時(shí)使用多個(gè)加熱器組合加熱的方式，共使用3組電加熱器，每組功率為13.5kW，總功率為40.5kW。通過組合不同功率的電加熱器和導(dǎo)通時(shí)間，可對(duì)加熱功率進(jìn)行實(shí)時(shí)閉環(huán)控制［5］。

3 系統(tǒng)硬件選型

電氣控制箱是以PLC控制為核心，根據(jù)設(shè)備要求，選用西門子S7-300系列PLC。PLC的選型主要考慮兩方面的問題：①I／O點(diǎn)數(shù)的選擇；②存儲(chǔ)容量的選擇。存儲(chǔ)容量一般由下式確定：

存儲(chǔ)容量（字節(jié)）=開關(guān)量I／O點(diǎn)數(shù)×10+

模擬量I／O通道數(shù)×100.

最終確定的10MPa移動(dòng)液壓油源控制系統(tǒng)PLC的模塊配置如圖3所示。

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，結(jié)合變頻器選型原則，配合PLC的選擇，最終確定選用西門子電氣傳動(dòng)有限公司的6SE64系列通用型交流變頻器MICROMASTER430，型號(hào)為6SE6430-2UD37-5FBO。它具有很高的運(yùn)行可靠性和功能多樣性，其脈沖寬度調(diào)制的開關(guān)頻率可選，因此降低了電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的噪聲，具有全面而完善的保護(hù)功能。

圖3 PLC模塊配置圖

4 控制程序及監(jiān)控界面設(shè)計(jì)

液壓系統(tǒng)控制功能分為現(xiàn)場觸摸屏控制和遠(yuǎn)程PC控制，邏輯功能實(shí)現(xiàn)由PLC可編程邏輯控制器完成，因此軟件涉及到下位機(jī)PLC的程序設(shè)計(jì)、上位機(jī)HMI人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)，其軟件設(shè)計(jì)方案如圖4所示。

4.1 下位機(jī)PLC程序設(shè)計(jì)

S7-300PLC采用STEP7軟件進(jìn)行硬件組態(tài)和軟件編程，最后將編好的程序通過PC／PPI電纜下載至PLC。系統(tǒng)利用Profibus總線連接PLC、前端的流量計(jì)、壓力變送器和溫度傳感器，此時(shí)PLC作為1類主站，負(fù)責(zé)接收壓力、流量和溫度信息，并將此模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，與上位機(jī)設(shè)定值進(jìn)行比較，利用PID控制單元將運(yùn)算結(jié)果轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，輸出到變頻器的信號(hào)給定端、電磁閥或者控制加熱器的晶閘管智能模塊的輸入端。

圖4 液壓系統(tǒng)檢測與控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

STEP7程序設(shè)計(jì)采用了模塊化的編程思想，即把程序分為若干個(gè)程序塊，每個(gè)程序塊含有一些設(shè)備和任務(wù)的邏輯指令，這些塊相當(dāng)于主循環(huán)程序的子程序。模塊化編程降低程序復(fù)雜度，使程序設(shè)計(jì)、調(diào)試和維護(hù)等操作簡單化。

在軟件設(shè)計(jì)中，油箱油溫的控制由于其具有大慣性、純滯后和參數(shù)時(shí)變的特點(diǎn)，采用傳統(tǒng)的PID控制難以達(dá)到理想的控制效果，經(jīng)研究采用參數(shù)自整定模糊PID控制算法進(jìn)行油液溫度控制，取得了良好的控制效果。由于模糊推理計(jì)算量比較大，在PLC上進(jìn)行在線計(jì)算不合適，因此通過離線計(jì)算將模糊推理規(guī)則構(gòu)造為模糊推理表，在實(shí)際的控制過程中通過查表的方式實(shí)現(xiàn)快速的模糊推理［6］。

PLC控制主程序流程如圖5所示。

圖5 PLC控制主程序流程圖

4.2 上位機(jī)HMI人機(jī)界面設(shè)計(jì)

本移動(dòng)液壓油源人機(jī)界面分為現(xiàn)場觸摸屏控制和遠(yuǎn)程PC控制兩部分?，F(xiàn)場控制通過柜體上的西門子MP377觸摸屏實(shí)現(xiàn)，由WinCC Flexible組態(tài)軟件組態(tài)界面［7］。界面包括主界面、低壓路分屏、中壓路分屏、高壓路分屏、小流量路分屏、參數(shù)設(shè)置和報(bào)警界面。觸摸屏主界面如圖6所示。

遠(yuǎn)程控制通過PC工控機(jī)實(shí)現(xiàn)，工控機(jī)作為監(jiān)控系統(tǒng)，通過RS-485串口通信與PLC連接，利用WinCC組態(tài)軟件建立驅(qū)動(dòng)，構(gòu)造變量，繪制畫面，動(dòng)態(tài)顯示壓力、流量、油箱溫度值以及各路電磁比例控制閥的開度等信息，完成對(duì)現(xiàn)場液壓系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測與控制。組態(tài)界面主要由電機(jī)系統(tǒng)、主油路&回油路、低壓路、中壓路、高壓路、小流量路、油箱、冷卻系統(tǒng)和報(bào)警信息部分組成。界面的設(shè)計(jì)還要考慮手動(dòng)調(diào)節(jié)與自動(dòng)控制的切換以及調(diào)節(jié)控制的精度。

圖6 觸摸屏主界面

此外，WinCC組態(tài)界面還可以繪制實(shí)時(shí)趨勢(shì)曲線、歷史趨勢(shì)曲線和打印報(bào)表等，為操作者提供直觀的數(shù)據(jù)變化和觀測畫面，為進(jìn)一步提高控制系統(tǒng)的性能提供借鑒。

5 結(jié)論

本文采用S7-300PLC控制技術(shù)，針對(duì)10MPa液壓油源供油系統(tǒng)構(gòu)建了由PLC作為下位機(jī)控制現(xiàn)場設(shè)備、PC作為上位機(jī)在線監(jiān)控的電氣控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了機(jī)、電、液、計(jì)算機(jī)技術(shù)的結(jié)合，滿足了系統(tǒng)的控制要求。

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