基于PLC與電液伺服的編環(huán)機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

宋世哲，鄧志良

（1.江蘇科技大學(xué) 江蘇 鎮(zhèn)江212003；2.常州信息技術(shù)職業(yè)學(xué)院江蘇 常州213164）

基于PLC與電液伺服的編環(huán)機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

宋世哲1，鄧志良2

（1.江蘇科技大學(xué) 江蘇 鎮(zhèn)江212003；2.常州信息技術(shù)職業(yè)學(xué)院江蘇 常州213164）

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)大規(guī)格鏈條節(jié)距一致性和環(huán)長要固定的需求，采用了一種基于PLC與電液伺服相結(jié)合的編環(huán)機(jī)設(shè)計(jì)方案，完成了自動(dòng)編環(huán)工藝的改進(jìn)和伺服放大電路的設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)主要通過PLC完成自動(dòng)編環(huán)，針對(duì)環(huán)的寬度和長度，通過電液伺服控制系統(tǒng)進(jìn)行精確控制，大大提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性、精確度和生產(chǎn)效率。

大規(guī)格鏈條；編環(huán)機(jī)；PLC；電液伺服控制；伺服放大電路

根據(jù)我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需求，煤炭仍然是我國不可或缺的主要資源，提高煤炭的生產(chǎn)的能力，不僅能夠保障國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，而且也是國家能源安全的戰(zhàn)略選擇，因此我國煤炭生產(chǎn)企業(yè)對(duì)重型、超重型刮板輸送機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)有非常巨大的需求。而大規(guī)格礦用鏈條作為刮板輸送機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)上的傳動(dòng)鏈，是設(shè)備的關(guān)鍵件和易損件[1-3]。它需要很多負(fù)載又矛盾的機(jī)械性能，例如高韌性和強(qiáng)度，既要耐磨損還要耐腐蝕等等。大規(guī)格礦用鏈的設(shè)計(jì)制造是我國煤炭生產(chǎn)的迫切需求，從某種意義上說，我國落后的大規(guī)格礦用鏈生產(chǎn)技術(shù)，制約了我國煤礦生產(chǎn)更進(jìn)一步的需求。而提高煤炭產(chǎn)量就要提高刮板輸送機(jī)的承重能力，大規(guī)格礦用鏈作為刮板輸送機(jī)上的關(guān)鍵件，它的質(zhì)量和性能優(yōu)劣將直接影響設(shè)備的工作效率和煤礦的煤炭產(chǎn)量[4]。

由于國內(nèi)有些國內(nèi)有些制鏈企業(yè)落后的設(shè)備和生產(chǎn)技術(shù)，再加上大規(guī)格礦用鏈本身就需要很高的要求，導(dǎo)致大部分企業(yè)的產(chǎn)品質(zhì)量都無法保證，特別是高端市場方面，幾乎被外國企業(yè)壟斷，所以迫切需要核心的技術(shù)和工藝[5-6]。例如：國內(nèi)一些制鏈企業(yè)甚至用機(jī)床手工編結(jié)鏈條，而這些技術(shù)和設(shè)備條件根本無法保證大規(guī)格礦用鏈條的質(zhì)量。因此，要加快設(shè)備的更新?lián)Q代，在專用設(shè)備上發(fā)明創(chuàng)造，提高制造工藝水平。所以本題意在設(shè)計(jì)一種自動(dòng)編環(huán)機(jī)伺服控制系統(tǒng)來解決國內(nèi)缺乏制鏈技術(shù)的難題。

根據(jù)一些專家的預(yù)測(cè)，近些年國內(nèi)企業(yè)對(duì)大規(guī)格礦用鏈條的需求量可能達(dá)到十幾億元，而且其推廣和實(shí)際意義更大[7]。

1　編環(huán)工藝過程

編環(huán)機(jī)的動(dòng)作過程都要靠液壓機(jī)構(gòu)來進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，然后通過電磁閥實(shí)現(xiàn)所有功能。工作方式主要分為兩種：手動(dòng)和自動(dòng)。手動(dòng)方式主要用于維修時(shí)的設(shè)備調(diào)試，自動(dòng)方式主要用于平時(shí)生產(chǎn)時(shí)，并且通過轉(zhuǎn)換開關(guān)來實(shí)現(xiàn)手自動(dòng)的切換，設(shè)備緊停按鈕可以保障在發(fā)生故障時(shí)設(shè)備緊急停機(jī)。工作過程如下：第一步：開始，鉗III回程，鉗I夾緊送到彎環(huán)位置，感應(yīng)開關(guān)定位后，鉗I松開，返回起始位置，如圖1（a）至圖1（b）所示；第二步：中心推桿前進(jìn)，到達(dá)位置后，左右加緊臂同時(shí)夾緊后放松，中心推桿返回原位，第一個(gè)半環(huán)折彎動(dòng)作完成；第三步：鉗II和鉗III運(yùn)動(dòng)到位，分別將半圓環(huán)夾住，之后鉗II松開，圍繞中心推桿向左旋轉(zhuǎn)，到達(dá)指定位置后，鉗III松開，鉗II將圓環(huán)夾緊后，向右移動(dòng)，由鉗II的感應(yīng)開關(guān)定位于第二位預(yù)備彎折的中心推桿處，如圖1（c）至圖1（e）；第四步：中心推桿前進(jìn)，左右加緊臂夾緊，重復(fù)第二步的動(dòng)作；第五步：恢復(fù)到初始位置，為下一循環(huán)做準(zhǔn)備，如圖1（g）。過程圖如下：

2　PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

三菱FX2N系列是一種小型高性能PLC，具有功能強(qiáng)、速度快的特點(diǎn)，應(yīng)用于工廠自動(dòng)化的各個(gè)領(lǐng)域，而且能夠添加各種各樣的擴(kuò)展設(shè)備，其控制規(guī)模高達(dá)256個(gè)點(diǎn)，其中8K的 RAM儲(chǔ)存器可以擴(kuò)展為16K，可以連接輸入輸出擴(kuò)展模塊，CPU處理速度極快[8]。

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際工藝的要求，本系統(tǒng)I/O點(diǎn)一共是56個(gè)，其中輸入是29個(gè)點(diǎn)，輸出是17個(gè)點(diǎn)。因?yàn)榭紤]到現(xiàn)場的實(shí)際情況，所以部分輸入輸出點(diǎn)數(shù)都有備用冗余，選用 FX2N型可編程控制器加輸入擴(kuò)展FX2N及輸入、輸出電路構(gòu)成。根據(jù)編環(huán)機(jī)控制要求，輸入信號(hào)包括感應(yīng)開關(guān)、腳踏開關(guān)、按鈕等；輸出電路主要電器元件是電磁閥和電液伺服閥。為了滿足礦用鏈對(duì)環(huán)形、節(jié)距一致性以及環(huán)長要固定的要求，本題采用電液伺服閥控制左夾緊臂、右夾緊臂和鉗II。

根據(jù)編環(huán)機(jī)系統(tǒng)的功能分析，設(shè)計(jì)出PLC的部分輸入/輸出點(diǎn)分配及功能對(duì)照表，如表1和表2所示。

主程序流程圖如圖2所示。

圖1　編環(huán)機(jī)動(dòng)作過程

表1　輸入地址分配表

3　電液伺服控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

文中選用滑閥位置反饋電液伺服閥[9-10]，通過控制流向各液壓缸和液壓馬達(dá)的流量，實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓缸的位移的控制，進(jìn)而控制環(huán)的節(jié)距和環(huán)長。電液伺服閥是電信號(hào)和液壓信號(hào)的橋梁，其作用是：將電氣和液壓兩種傳動(dòng)連接起來，將輸入到系統(tǒng)的小功率電信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殚y的運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而控制流向液壓執(zhí)行元件的流量與壓力，實(shí)現(xiàn)電液信號(hào)的轉(zhuǎn)換與放大以及對(duì)液壓執(zhí)行元件的控制[11-13]。閥控位置伺服系統(tǒng)的原理框圖如圖3所示。

伺服放大器的傳遞函數(shù)為：

其中，K為放大器與線圈電路增益；ω為線圈轉(zhuǎn)折頻率。

因?yàn)檫@里通常把伺服閥比作是電磁鐵線圈，所以其起主導(dǎo)作用的是二階振蕩環(huán)節(jié)。其傳遞函數(shù)為[14]：

式中：Kv為比例增益；ωv為固有頻率；ξv為阻尼比。

當(dāng)動(dòng)力機(jī)構(gòu)固有頻率低于50 Hz時(shí)，電液伺服閥的傳遞函數(shù)為：

式中：Kv為比例增益；ωv為固有頻率；ξv為阻尼比；Tv伺服閥的時(shí)間常數(shù)。

液壓缸的位移傳遞函數(shù)為[15]：

表2　輸出地址分配表

圖2　主程序流程圖

圖3　伺服控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

式中：A為液壓缸的有效工作面積；ωH為固有頻率；ξH為阻尼比。

傳遞函數(shù)的確定為液壓系統(tǒng)元件的選型及整個(gè)回路的仿真分析奠定了理論基礎(chǔ)。將系統(tǒng)各元件參數(shù)代入傳遞函數(shù)，就可以進(jìn)行系統(tǒng)分析，為系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行驗(yàn)和優(yōu)化。這里就不再進(jìn)行計(jì)算和分析。

4　伺服放大器電路原理圖

伺服放大器作用是將輸入信號(hào)（電壓）同反饋信號(hào)（電壓）進(jìn)行放大、比較和運(yùn)算后，輸出一個(gè)與設(shè)定值成比例的控制電流給伺服閥力矩馬達(dá)，從而控制伺服閥閥芯開度大小，進(jìn)而控制液壓流量，并在一定程度上能起限幅保護(hù)作用。

參數(shù)要求：1）輸入電壓在10 V以內(nèi)，方便計(jì)算機(jī)和可編程控制器等指令元件實(shí)現(xiàn)控制；2）伺服放大器線性度誤差小于3%Fs；3）具有反饋接入端，以便構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)；4）為適應(yīng)伺服系統(tǒng)高頻響應(yīng)的特性，伺服放大器頻寬大于1 200 Hz；5）可限制伺服閥最大流量以及防止線路短接而導(dǎo)致故障。

此編環(huán)機(jī)系統(tǒng)中伺服放大器電路的主要功能是將PLC進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換，將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，進(jìn)而通過指令信號(hào)與閥位反饋信號(hào)的比較放，達(dá)到控制環(huán)的長度和寬度的目的。例如：0～10 V對(duì)應(yīng)的就是0～100 mm。電路原理圖如圖4所示。

圖4　伺服放大器電路原理

圖中R1=120 kΩ，R2=120 kΩ，R3=220 kΩ，R4=100 kΩ，R5= 100 kΩ，R6=15 kΩ，R7=6.8 kΩ，R8=1 kΩ，R9=470 kΩ，R11=15 kΩ，R12=270 kΩ，R13=1.5 kΩ，R14=10 kΩ，R15=56 kΩ，R16=270 Ω，R17=68 Ω（功率為1 W），R18=68 Ω（功率為1 W），R19=33 Ω，R20=470 kΩ，R40=470 kΩ，R41=75 kΩ，R42=120 kΩ，R43=10 kΩ，R44=18 kΩ，R45=22 kΩ，R46=1 kΩ，R47=120 kΩ，R48=10 kΩ，R49=1 kΩ。C1= 0.1 μF，C2=100 pF，C3=0.22 μF，C5=0.1 μF，C6=4 700 pF，C7=0.1 μF，C8=0.1 μF，C9=0.1 μF，C19=0.1 μF，C23=0.1 μF，電容的電壓要控制在50 V。W1=100 kΩ，W1=100 Ω，W1=10 kΩ。20接地，8接位移傳感器，7接輸入，22接輸出。

5　結(jié)　論

該編環(huán)機(jī)控制系統(tǒng)針對(duì)大規(guī)格鏈條節(jié)距要一致和環(huán)長要固定的要求，采用PLC[16-17]與伺服控制相結(jié)合的方式，改進(jìn)了舊式編環(huán)機(jī)粗糙的加工工藝，設(shè)計(jì)了一種針對(duì)實(shí)際應(yīng)用的伺服放大器。自現(xiàn)場運(yùn)行以來，精度完全能夠控制在1 mm，大大提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，生產(chǎn)效率大副提高。

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Design of control system for chain bending machine on PLC and electro-hydraulic servo

SONG Shi-zhe1，DENG Zhi-liang2
（1.Jiangsu University of Science and Technology，Zhenjiang 212003，China；2.Changzhou College of Information Technology，Changzhou 213164，China）

In order to satisfy the requirement of the pitch and length consistency of the large size chain，a chainbending machine control system based on PLC and Electro-hydraulic servo is designed in thispaper.This system use PLC to complete atomatic bending process.In connect with the pitch and length consistency of the chain，this system also use Electro-hydraulic servo to improve accuracy and stability and productivity.

large size chain；chain bending machine；PLC；electro-hydraulic servo；servo amplifier

TN05

B

1674－6236（2016）21-0143-04

2015-11-10稿件編號(hào)：201511093

宋世哲（1990—），男，江蘇邳州人，碩士。研究方向：控制理論與控制工程。