一種電氣比例閥的壓力調(diào)控方法

張素枝，尹逍淵

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二研究所，山西太原030024)

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一種電氣比例閥的壓力調(diào)控方法

張素枝，尹逍淵

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二研究所，山西太原030024)

摘要：為了實(shí)現(xiàn)絲印機(jī)絲印壓力連續(xù)穩(wěn)定可調(diào)，并獲得較高的壓力控制精度，使用SMC高速開關(guān)電磁閥型電氣比例閥以及松下FP2系列PLC、模擬量輸入模塊、模擬量輸出模塊來控制壓力。設(shè)計(jì)了一種預(yù)先計(jì)算電氣比例閥二次側(cè)最大輸出壓力的方法，利用電氣比例閥自身的線性特性，進(jìn)行絲印機(jī)絲印刮刀壓力的調(diào)控，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)所需的精度要求。

關(guān)鍵詞：電氣比例閥；模擬量；調(diào)控；壓力

壓力是現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過程中最常用的過程控制參數(shù),如何對(duì)壓力進(jìn)行精確控制直接關(guān)系到能否提高工業(yè)生產(chǎn)質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本等關(guān)鍵技術(shù)問題[1]。隨著電子、材料、控制理論及傳感器等科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，氣動(dòng)比例／伺服控制技術(shù)得到了快速提高。以比例／伺服控制閥為核心組成的氣動(dòng)比例／伺服控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)壓力、流量連續(xù)變化的高精度控制，能夠滿足自動(dòng)化設(shè)備的柔性生產(chǎn)要求[2]。利用氣動(dòng)比例閥構(gòu)成壓力控制系統(tǒng)，具有精度高、響應(yīng)快，成本低的優(yōu)點(diǎn)。

1　電氣比例閥

氣動(dòng)比例控制閥能夠通過控制輸入信號(hào)(電壓或電流)，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出信號(hào)(壓力或流量)的連續(xù)成比例控制。氣動(dòng)比例閥的控制信號(hào)均為電信號(hào)，故又稱電氣比例閥（如圖1所示）。電氣比例閥是一種氣壓隨輸入電壓或電流的變化呈線性比例輸出的減壓閥。它屬于線性連續(xù)控制，其特點(diǎn)是輸出量隨輸入量的變化而線性變化。比例控制有開環(huán)控制和閉環(huán)控制之分，閉環(huán)控制系統(tǒng)當(dāng)系統(tǒng)輸出量的實(shí)際值偏離希望值時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行糾正，使輸出量向著接近希望值的方向變化，從而保持輸出量與輸入量的一定比例關(guān)系[3]。

圖1　電氣比例閥

電氣比例閥作為傳統(tǒng)的氣壓和流量控制部件，可分伺服閥、比例閥和高速開關(guān)電磁閥三類，這些閥門應(yīng)用于壓力和流量的控制具有不同的特性，壓力控制精度和控制穩(wěn)定性也不相同[4]。而開關(guān)電磁閥型電氣比例閥由于使用了高速開關(guān)電磁閥，控制上使用了PWM脈沖調(diào)制，使其能夠達(dá)到很高的控制精度，在印刷行業(yè)具有廣泛的應(yīng)用。

開關(guān)電磁閥型電氣比例閥原理如圖2所示。其電控調(diào)壓裝置由進(jìn)、排氣高速開關(guān)電磁閥、壓力檢測(cè)傳感器和控制電路構(gòu)成。當(dāng)有輸入信號(hào)時(shí)，進(jìn)氣電磁閥打開，排氣電磁閥關(guān)閉，主閥向先導(dǎo)腔供氣，主閥芯下移，輸出二次壓力。同時(shí)二次壓力值由壓力傳感器檢測(cè)，并反饋到控制電路?？刂齐娐芬暂斎胄盘?hào)與輸出二次壓的偏差為基礎(chǔ)，用PWM控制方式驅(qū)動(dòng)進(jìn)、排氣電磁閥，實(shí)現(xiàn)對(duì)先導(dǎo)腔壓力的調(diào)節(jié)，直到偏差為零，進(jìn)、排氣電磁閥均關(guān)閉，主閥芯在新的位置上達(dá)到平衡，從而得到一個(gè)與輸入信號(hào)成比例的輸出壓力[5]。

圖2　開關(guān)電磁閥型電氣比例閥原理

2　系統(tǒng)組成

絲印機(jī)壓力調(diào)控系統(tǒng)由電氣比例閥、絲印刮刀控制氣缸、絲印刮刀、松下FP2模擬量輸入模塊、模擬量輸出模塊、維綸觸摸屏組成，如圖3所示。工作原理：在觸摸屏上設(shè)定絲印刮刀的工作壓力,由PLC計(jì)算并轉(zhuǎn)換為模擬量輸出模塊所需的數(shù)字量，由模擬量輸出模塊輸出一定的電壓值到電氣比例閥，電氣比例閥根據(jù)給定的電壓信號(hào)進(jìn)行二次壓力輸出，由內(nèi)置的壓力傳感器檢測(cè)到達(dá)設(shè)定壓力值，即完成一次壓力調(diào)節(jié)。

圖3　絲印機(jī)壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)組成

絲印刮刀采用兩個(gè)外徑10 mm，內(nèi)徑5 mm的氣缸驅(qū)動(dòng)，氣體壓力作用面積為：

系統(tǒng)要求壓力范圍為10～200 N，故氣壓控制系統(tǒng)能夠達(dá)到的最大氣壓為：

并且要求氣壓控制精度達(dá)到，控制精度要求高，所以選用控制精度較高的開關(guān)電磁閥型電氣比例閥，同時(shí)由于要求電氣比例閥的最大壓力輸出大于0.42 MPa，故選用SMC公司型號(hào)為ITV1050-312CN3-Q的電氣比例閥，最大壓力輸出可以設(shè)定為0. 9 MPa。加壓控制的精度不僅取決于電氣比例閥的精度，氣缸的摩擦阻力特性影響也很大。標(biāo)準(zhǔn)氣缸的摩擦阻力要隨著工作壓力、運(yùn)動(dòng)速度等因素變化，難于實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)加壓控制，所以選用低速、恒摩擦阻力氣缸。

3　壓力調(diào)控方法

SMC公司型號(hào)為ITV1050-312CN3-Q的電氣比例閥，輸入信號(hào)為電壓0～10 V，內(nèi)置壓力檢測(cè)傳感器，壓力傳感器輸出信號(hào)為1～5 V，最大壓力輸出可以設(shè)定為0.9 MPa。

相應(yīng)的選用松下模擬量輸入模塊FP2-AD8VI，通過范圍設(shè)定開關(guān)，設(shè)定其輸入范圍為1～5 V；其模擬量輸出模塊FP2-DA4，選定其為電壓輸出-10～+10 V。模擬量模塊的輸入輸出特性如表1、表2，圖4、圖5所示。

表1　模擬量輸入（范圍1～5 V）

表2　模擬量輸出（范圍-10～+10 V）

圖4　模擬量輸入特性（1～5 V）

圖5　模擬量輸出特性

由于此款電氣比例閥可以設(shè)定的最大值為0.9 MPa，模擬量輸入對(duì)應(yīng)的數(shù)字量范圍為0～13107，故壓力值與模擬量輸入數(shù)字量存在固定的比例關(guān)系，即1 MPa的數(shù)字量為K0=13107/0.9=14563；

但是對(duì)于不同的F2（電氣比例閥二次側(cè)輸出的最大壓力值），給定相同的模擬量輸出值，壓力傳感器檢測(cè)返回的氣壓值是不同的（見圖6），因此在進(jìn)行壓力控制之前，必須事先知道F2的值。由于F2是在電氣比例閥面板上設(shè)定的值，并沒有通過通信或其他方式發(fā)送給PLC，因此，F(xiàn)2也是一個(gè)變量，需要在每次運(yùn)算前進(jìn)行計(jì)算。

圖6　控制量與檢測(cè)值的關(guān)系

F2計(jì)算出來之后，再根據(jù)設(shè)定的壓力值計(jì)算出模擬量輸出值，實(shí)現(xiàn)精確的壓力控制。因此制定了絲印機(jī)壓力調(diào)控算法步驟：

(1)計(jì)算F2；

計(jì)算的思路則是給定已知輸出Ky，其對(duì)應(yīng)的氣壓值為Py，則它們之間滿足：而采集回來的模擬量輸入值Kx與Py滿足：

聯(lián)立式(1)、(2)，可以解得：

(2)根據(jù)設(shè)定的千克M1，計(jì)算期望的壓力值P1（單位：MPa）：

(3)根據(jù)期望壓力值P1計(jì)算模擬量輸出控制值Kout以及期望的檢測(cè)值Kext；

F2對(duì)應(yīng)模擬量輸出的最大值2 047，故有：

將式(3)、(4)代入可得

（4）再對(duì)Kout進(jìn)行輸出后，采集壓力傳感器給出的氣壓值Kin；并由此計(jì)算壓力調(diào)控系統(tǒng)的誤差。壓力調(diào)控系統(tǒng)的誤差計(jì)算公式：

一組誤差分析如表3所示，能夠滿足系統(tǒng)精度要求。

表中，Ky、Kx、Kout、Kext、Kin均為無量綱數(shù)字。

表3　誤差分析

4　結(jié)　論

本文采用高速開關(guān)型電氣比例閥作為執(zhí)行元件，與PLC和模擬量輸入輸出模塊構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)。通過預(yù)先計(jì)算電氣比例閥二次側(cè)的最大輸出壓力，利用電氣比例閥自身的線性輸出，就能很好地實(shí)現(xiàn)絲印機(jī)刮刀壓力的調(diào)節(jié)與控制。具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、控制精度高等特點(diǎn)，可以應(yīng)用于類似其他需要壓力連續(xù)穩(wěn)定調(diào)節(jié)、精度要求高的設(shè)備，具有一定的推廣應(yīng)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[1]孟繼梅，韓曉明.基于閉環(huán)控制的壓力控制系統(tǒng)研究[J].液壓與氣動(dòng)，2009，(9)：31-33.

[2]沈月忠，姜澄宇，王仲奇.一種比例閥壓力控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立[J].現(xiàn)代制造工程，2006，(11)：94-96.

[3]肖秦梁，李更生，喬宇，等.電氣比例閥在液壓夾具中的應(yīng)用研究[J].機(jī)床與液壓，2014，(42)1：31-33.

[4]趙建梅，謝有寶.電氣比例閥氣壓控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立及研究[J].科技信息，2008，(2)：82-83.

[5]蔡茂林.氣動(dòng)伺服控制[J].液壓氣動(dòng)與密封. 2008，(3)：60-63.

張素枝（1983-），女，山西省太原市人，工程師，在職碩士，主要從事電氣硬件設(shè)計(jì)與PLC軟件設(shè)計(jì)工作。

Method for Pressure Control of an Electric Proportional Valve

ZHANG Suzhi, YIN Xiaoyuan
(The 2ndResearch Institute of CETC，Taiyuan 030024，China)

Abstract:In order to achieve continuous and stable adjustment of screen printing pressure, and to obtain high pressure control accuracy in the screen printing machine, used SMC electrical proportional valve of which is high speed switching solenoid, employed Panasonic FP2 series PLC, and analog input module, and analog output module to control the pressure. Designed a pre calculated method of electric proportional valve secondary side of maximum output pressure, token advantage of linear characteristics of electric proportional valve to control the scraper pressure of screen printing machine . The result turned out that the required accuracy of the system is achieved.

Keywords:Electric proportional valve；Analog value；Regulate and control；Pressure

作者簡(jiǎn)介：

收稿日期：2016-02-29

中圖分類號(hào)：TN605

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1004-4507(2016)04-0056-04