S7300在變頻調(diào)速恒壓源液壓系統(tǒng)的應(yīng)用

蔡廣飛

（江蘇商貿(mào)職業(yè)學(xué)院，江蘇 南通 226011）

恒壓源液壓系統(tǒng)是一種節(jié)能的壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)。傳統(tǒng)的恒壓源液壓系統(tǒng)是通過恒壓變量泵負(fù)載流量的調(diào)節(jié)來控制系統(tǒng)的壓力,使系統(tǒng)壓力近似恒定。傳統(tǒng)恒壓源液壓系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度和反應(yīng)速度受到恒壓變量泵變量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)性能的影響。在模擬量控制系統(tǒng)中，是將模擬量與電信號(hào)，通過正比例換算實(shí)現(xiàn)控制。通過改變電信號(hào)的大小，去實(shí)現(xiàn)被控量的變化。在程序的處理上工程師則會(huì)將這些電信號(hào)直接給變頻器，去改變被控量的大小。這樣的處理方法對(duì)于后期的調(diào)試人員帶來了一定的工作量，不利于現(xiàn)場(chǎng)快速的修改。本文結(jié)合變頻調(diào)速技術(shù)和恒壓變量泵的調(diào)節(jié)原理,構(gòu)建一種新型的恒壓源液壓系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)液壓動(dòng)力源的恒壓輸出和系統(tǒng)節(jié)能。

一、利用PLC在恒壓源液壓系統(tǒng)中的調(diào)節(jié)過程

（一）PLC在恒壓源液壓系統(tǒng)中的壓力調(diào)節(jié)過程

變頻控制功率適應(yīng)性液壓系統(tǒng)屬閉環(huán)系統(tǒng)。采用PLC與變頻器調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速使定量泵的輸出流量發(fā)生改變,由于負(fù)載的阻尼作用,進(jìn)而改變了泵的輸出壓力。系統(tǒng)工作時(shí),根據(jù)負(fù)載的壓力要求,調(diào)節(jié)PLC中的設(shè)定值。當(dāng)負(fù)載壓力增大,泵的輸出壓力p隨之增大,壓力傳感器采集變化后的泵的輸出壓力信號(hào),并將采集的信號(hào)輸入到變頻器中。通過A/D轉(zhuǎn)換并與變頻器中的設(shè)定值進(jìn)行比較、運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，該模擬量信號(hào)作為變頻器的控制信號(hào)調(diào)節(jié)變頻器的頻率設(shè)定值,調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速。

（二）PLC在恒壓源液壓系統(tǒng)中的位置調(diào)節(jié)過程

使用位移傳感器對(duì)液壓缸負(fù)載進(jìn)行位置采集，采集的信號(hào)存儲(chǔ)在PLC的16位存儲(chǔ)器中，在程序中會(huì)在定位的位置上設(shè)置一個(gè)定位窗口，用來作為位置的一個(gè)反饋信號(hào)（注：液壓缸存在一定的不穩(wěn)定性，不能采用固定的接近開關(guān)進(jìn)行信號(hào)反饋），得到的位置信號(hào)用來切換電磁換向閥，實(shí)現(xiàn)液壓缸的正反向運(yùn)動(dòng)。

二、硬件設(shè)計(jì)

變頻器選擇使用西門子公司的6se70/6se71系列FV矢量變頻器11KW三相FVCA01.1-11K0-3P4-MNA-LP；位移傳感器選擇BTL5-E10-M0200-P-S32巴魯夫傳感器，其特性為位移傳感器的磁鐵透過型材壁作用到量元件上，測(cè)量范圍200mm，模擬輸出端模擬電流4-20mA，分辨率≤0.2uA；PLC選擇西門子故障安全型CPU 319F-3 PN/DP，具有口令保護(hù)：用戶程序使用密碼保護(hù)，可防止非法訪問。診斷緩沖：最后100個(gè)故障和中斷事件保存在該緩沖區(qū)中，供診斷使用，免維護(hù)的數(shù)據(jù)后備：當(dāng)電源發(fā)生故障時(shí)，CPU將自動(dòng)保存全部數(shù)據(jù) (最多700KB)，當(dāng)電源恢復(fù)后，這些數(shù)據(jù)將保持不變等特性?？刂葡到y(tǒng)模塊使用西門子ET200S分布式I/O，包括了電源模塊、數(shù)字或模擬輸入和輸出模塊、技術(shù)模塊、一個(gè) IO-Link主站以及電機(jī)起動(dòng)器、變頻器和一個(gè)啟動(dòng)接口。

三、STEP7軟件設(shè)計(jì)

（一）模擬量處理窗口設(shè)計(jì)流程

第一步：確定輸入量。在模擬量窗口創(chuàng)建之前要確定哪些數(shù)據(jù)是自己需要的。如切換位置、切換壓力、流量、停止位置等；

第二步：確定輸出量。如確定最終輸出給變頻器有哪些信號(hào)？如何創(chuàng)建位置信號(hào)作為有效的反饋信號(hào)等；

第三步：如何將我們輸入的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為變頻器能夠讀懂的信號(hào)?如何定位、怎樣設(shè)置到位信號(hào)、壓力切換。

（二）輸入/輸出模擬量

模擬量輸入在PLC中作為一個(gè)字的信息，這個(gè)字的存取使用以下指令：

每一個(gè)模擬量（“信道”）都分配了一個(gè)外圍的輸入輸出字。格式是整數(shù)的INT型。

絕對(duì)地址 PIW130作為位移傳感器的輸入地址用來存儲(chǔ)位置信息

絕對(duì)地址 PQW134作為流量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)器輸出給變頻器使用

絕對(duì)地址 PQW136作為壓力數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)器輸出給變頻器使用

（三）輸入/輸出規(guī)格化

在STEP 7的程序中，規(guī)格化在數(shù)學(xué)操作中進(jìn)行。所以數(shù)學(xué)操作應(yīng)該盡可能的精確。將要規(guī)格化的值必須轉(zhuǎn)化成REAL的數(shù)據(jù)類型，這樣舍入誤差的影響可以最小。

（四）壓力、流量、位置柔性控制功能塊

1.柔性控制功能塊變量申明表（部分）如表1所示。

表1 柔性控制功能塊變量申明表

IN_HY_POS1 Int 20 Hydraulikzylinder Position 1 OUT_SOL_VR EF_TM Real 54 Kontrolle VREF IN_QKPOS1 Bool 26 Kontrolle Hydraulikzylinder Position 1 OUT_SOL_PRE F_TM Real 58 Kontrolle PREF IN_VREF DInt 28 Hydraulikpumpe VREF OUT 0 IN_QKPOS_PREF DInt 32 Hydraulikpumpe PREF For Kontrolle Position OUT_HY_POS1 Bool 52 Hydraulikzylinder Position 1 IN_Vorfalzen Bool 36 Kontrolle Vorfalzen OUT_SOL_VR EF_TM Real 54 Kontrolle VREF falzen_PREF DInt 38 Vorfalzen PREF OUT_SOL_PRE F_TM Real 58 Kontrolle PREF IN_Vor－IN_Vorfalzen_Vor－PREF_POS Int 42 Vorfalzen VorPREF Position TEMP 0 IN_Falzen Bool 44 Kontrolle Falzen FM_HY_POS1a Int 0 IN_Falzen_PR EF DInt 46 Falzen PREF RETURN 0 IN_Falzen_Vor PREF_POS Int 50 Falzen VorPREF Position RET_VAL 92

2.定位區(qū)間的構(gòu)建

圖3-1 定位區(qū)間構(gòu)建程序

定位區(qū)間構(gòu)建程序如圖1所示。液壓缸定位具有一定的不穩(wěn)定性，它不能像伺服電機(jī)一樣安裝抱閘裝置。在工作狀態(tài)時(shí)，當(dāng)PLC發(fā)送停止命令時(shí)即關(guān)閉電磁閥，停止對(duì)變頻器流量、壓力的輸出由于力的大小等等所帶來的不可規(guī)避的因素使得液壓缸會(huì)存在一定的慣性量（慣性量約為140=1mm），會(huì)超過我們輸入的停止位。所以在沒有任何機(jī)械限位的情況下，PLC實(shí)際發(fā)送的停止的位置要將液壓缸運(yùn)動(dòng)的慣性量考慮進(jìn)去，而且最終液壓缸的停止位置要在PLC的監(jiān)控范圍內(nèi)，對(duì)于PLC來說液壓缸最終的停止位必須要有一個(gè)穩(wěn)定的反饋信號(hào)，在無機(jī)械限位的情況下液壓缸只要是在工作位置時(shí)它的位置都是可變的。所以，位置定位的區(qū)間必須要合理分配。

以慣性量140為基準(zhǔn)，輸入的位置減去140作為PLC檢測(cè)位置區(qū)間的下限，以輸入的位置為基準(zhǔn)加上60-150（視情況而定）作為檢測(cè)位置區(qū)間的上限。在此區(qū)間內(nèi)讀取位置，在以讀取到的位置信號(hào)作為反饋信號(hào)去停止。

位置的設(shè)置：

第一步：要根據(jù)實(shí)際的位置測(cè)量，變化的長度×140+初始位置編碼值。

第二步：動(dòng)作一次檢驗(yàn)是否滿足要求，視實(shí)際位置可適當(dāng)提高或減少位置的大小。

3.流量的數(shù)據(jù)運(yùn)算

40r/min 2400r/min 2360r/min 0V 10V

圖2 流量處理程序

在引腳IN_high_rpm、IN_low_rpm輸入電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速與最低轉(zhuǎn)速經(jīng)過Network5的計(jì)算得到1R/min所需的電壓值存在臨時(shí)變量FM_Result中，在將需要變化的轉(zhuǎn)速大小乘上FM_Result中的數(shù)值得到變頻器所需電壓。這兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)架可實(shí)現(xiàn)流量的柔性控制，在集成的控制窗口中就可方便的輸入所需轉(zhuǎn)速達(dá)到控制要求,如圖2所示。

4.壓力的數(shù)據(jù)運(yùn)算及工作壓力的變換

圖3 壓力處理程序

圖4 壓力切換程序

壓力的控制與流量算法理念完全相同，區(qū)別就是不同位置的壓力不同，每一個(gè)位置的都有獨(dú)立的壓力值，不同位置的壓力換算值會(huì)保存在與之對(duì)應(yīng)的臨時(shí)變量中，如圖3所示。

當(dāng)液壓泵上下運(yùn)動(dòng)時(shí)流量、壓力都是共用的，但不同位置的壓力不同，工作壓力往往很大要與運(yùn)動(dòng)壓力區(qū)分開來以節(jié)約資源。圖4所示程序段就為實(shí)現(xiàn)壓力的切換而設(shè)計(jì)。壓力的切換采用位置作為信號(hào)，此位置可以稱之為加壓位置，利用實(shí)時(shí)位置與設(shè)定的加壓位置作實(shí)時(shí)對(duì)比，符合條件則改變對(duì)變頻器電壓輸出即改變壓力。

不同的位置要給一個(gè)同圖4相同的網(wǎng)絡(luò)程序，用不同位置的的響應(yīng)信號(hào)來進(jìn)行驅(qū)動(dòng)IN_QKPOS2輸入管腳就是一個(gè)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的輸入端如圖4所示。

5.壓力、流量信號(hào)向變頻器的傳遞

由#OUT_SOL_VREF_TM、#OUT_SOL_PREF_TM管腳輸出的壓力、流量數(shù)據(jù)保存在#FM_SOL_VREF_TM、#FM_SOL_PREF_TM 這兩個(gè)臨時(shí)變量中，再調(diào)用STEP7標(biāo)準(zhǔn)庫中的FC106（模擬輸入模塊），，將輸入的數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換為整型，并經(jīng)運(yùn)算最終輸出給PAW，輸入范圍應(yīng)在0-10V，“VKE=0”為常0信號(hào)表示輸入值為單極性。

四、性能結(jié)果及應(yīng)用方向

經(jīng)實(shí)際檢驗(yàn)，壓力、流量的控制情況能夠達(dá)到預(yù)期結(jié)果，在可控范圍內(nèi)能夠方便的更改壓力流量。位置的定位基本能夠滿足工藝要求，在調(diào)試中，能夠較精準(zhǔn)的達(dá)到預(yù)期位置。實(shí)際位置能夠穩(wěn)定的控制在定位窗口中間，位置反饋比較穩(wěn)定。

經(jīng)實(shí)踐檢驗(yàn)此模擬量控制系統(tǒng)可應(yīng)用于汽車行業(yè)中的折邊工位中，具體的使用要結(jié)合不同工位的工位要求做出相應(yīng)的調(diào)整。對(duì)于兩個(gè)工藝步驟：預(yù)折邊45度、終折0度，這兩個(gè)位置的控制要區(qū)分定位、壓合的狀態(tài)設(shè)置不同的停止方式，區(qū)分定位、壓合的狀態(tài)。

五、結(jié)語

不同的設(shè)備會(huì)有不同的特性，即不同液壓泵的慣性量各有差異，在控制程序的建立上還需要將慣性特性柔性的設(shè)計(jì)進(jìn)去。PLC設(shè)計(jì)永遠(yuǎn)是面向?qū)嶋H的生產(chǎn)，所以人性化的設(shè)計(jì)是必要的，面向一線調(diào)試人員它必須更加的方便、更加的簡單。下一步的工作就是把更改參數(shù)功能組進(jìn)人機(jī)界面，在不需要專業(yè)人員的情況下，只要在人機(jī)界面上修改參數(shù)，便可改變內(nèi)部程序設(shè)置，簡單、快捷、方便的實(shí)現(xiàn)所需狀態(tài)。

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