基于PLC 的比例閥控氣缸伺服控制系統(tǒng)

郝欣妮 朱 勇 楊益洲 周中升 衛(wèi)玉芬

（1.揚(yáng)州市職業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，揚(yáng)州 225009；2.揚(yáng)州大學(xué)廣陵學(xué)院，揚(yáng)州 225000）

氣壓傳動(dòng)技術(shù)憑借清潔無污染、成本低廉、工作效率高等優(yōu)勢，在工業(yè)自動(dòng)化、食品包裝、交通運(yùn)輸、醫(yī)療器械等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[1-2]。但是，受到氣體的可壓縮性、摩擦力的非線性等因素影響，氣動(dòng)伺服系統(tǒng)的氣缸運(yùn)行不平穩(wěn)，位置控制精度難以達(dá)到理想效果。傳統(tǒng)的氣動(dòng)伺服系統(tǒng)控制策略復(fù)雜、價(jià)格昂貴、使用條件苛刻，一般工業(yè)場合難以滿足要求，使得其在工業(yè)等領(lǐng)域的應(yīng)用受到限制。為此，設(shè)計(jì)一種基于傳統(tǒng)可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）控制器和氣動(dòng)比例閥的氣缸伺服控制系統(tǒng)，并搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，進(jìn)行氣缸的定點(diǎn)位置控制和軌跡跟蹤控制實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的系統(tǒng)伺服控制簡單可行，控制性能優(yōu)越，實(shí)時(shí)性強(qiáng)，價(jià)格適中，具有工程實(shí)用性。

1 伺服系統(tǒng)工作原理

該氣動(dòng)伺服系統(tǒng)有手動(dòng)和自動(dòng)兩種模式。手動(dòng)模式可以實(shí)現(xiàn)氣缸的手動(dòng)快/慢伸出、退回和停止[3]。自動(dòng)模式可以實(shí)現(xiàn)快速且準(zhǔn)確定位到某個(gè)點(diǎn)位（點(diǎn)位控制）、在兩個(gè)可變點(diǎn)位之間快速移動(dòng)（方波控制）、平穩(wěn)準(zhǔn)確跟蹤移動(dòng)到某個(gè)點(diǎn)位（正弦波或者三角波軌跡跟蹤）。

該氣動(dòng)伺服系統(tǒng)采用PLC 控制技術(shù)、氣動(dòng)比例控制技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)等。氣動(dòng)伺服系統(tǒng)原理框圖，如圖1 所示。

圖1 氣動(dòng)伺服系統(tǒng)原理框圖

系統(tǒng)通過以太網(wǎng)通信實(shí)現(xiàn)各設(shè)備間的交互。PLC根據(jù)接收到的目標(biāo)位置和位移傳感器反饋的數(shù)據(jù)，經(jīng)過比例-積分-微分（Proportion Integral Differential，PID）整定給出數(shù)據(jù)，再通過數(shù)模轉(zhuǎn)換（Digital to Analog，D/A）模塊將信號(hào)傳輸給比例閥，驅(qū)動(dòng)氣缸位移。位移傳感器把氣缸所在位置反饋給PLC 形成一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)，使氣動(dòng)伺服控制系統(tǒng)按要求穩(wěn)定運(yùn)行，且平穩(wěn)到達(dá)目標(biāo)位置，并保證相應(yīng)的位置精度[4]。

2 元器件選型及硬件電路設(shè)計(jì)

本研究基于PLC 的比例閥控氣缸伺服控制系統(tǒng)主要由PLC、觸摸屏、比例閥、氣缸和位移傳感器組成。為了對該系統(tǒng)中的氣缸進(jìn)行位置控制實(shí)驗(yàn)研究，搭建系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，如圖2 所示。比例閥控氣缸位置控制原理圖，如圖3 所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)臺(tái)實(shí)物圖

圖3 比例閥控氣缸位置控制原理圖

2.1 PLC

PLC 是系統(tǒng)的控制核心，經(jīng)過程序的運(yùn)算處理（PID 運(yùn)算），把數(shù)值量傳送給D/A 模塊轉(zhuǎn)換成物理信號(hào)，氣動(dòng)比例閥調(diào)整開口大小驅(qū)動(dòng)氣缸位移。PLC 再次將位移傳感器反饋的物理信號(hào)通過模數(shù)轉(zhuǎn)換（Analog to Digital，A/D）模塊轉(zhuǎn)變成數(shù)字量進(jìn)行比較運(yùn)算，判斷得出所需數(shù)據(jù)后再傳給比例閥，形成閉環(huán)控制[5]。系統(tǒng)采用西門子S7-200Smart PLC，中央處理器（Central Processing Unit，CPU）為ST20，模擬量模塊型號(hào)為EM AM06-4AI2AQ。PLC 接線圖如圖4所示。

圖4 PLC 外部接線圖

2.2 觸摸屏

為了更直觀顯示氣缸位置伺服控制的情況，系統(tǒng)配備SIMATIC HMI SMART 700 IE V3 觸摸屏，以太網(wǎng)接口為RJ-45。通過觸摸屏實(shí)時(shí)采集與監(jiān)控現(xiàn)場數(shù)據(jù)，利用WinCC Flexible Smart 軟件進(jìn)行后續(xù)處理。

2.3 比例閥

氣缸的位移是通過2 個(gè)比例閥調(diào)節(jié)兩腔的壓力形成壓力差完成驅(qū)動(dòng)。采用2 個(gè)比例閥可以提高控制自由度與響應(yīng)速度[6]。比例閥接收到D/A 模塊傳來的數(shù)據(jù)后，調(diào)節(jié)開口大小，促使壓力驅(qū)動(dòng)氣缸調(diào)整至目標(biāo)位置。本系統(tǒng)選用SMC VY1 系列的電氣比例閥，電壓信號(hào)為1 ～5 V。

2.4 位移傳感器

系統(tǒng)對于氣缸位移的檢測采用電阻式位移傳感器。位移傳感器將氣缸所在位置以電壓信號(hào)的形式反饋給A/D 模塊，轉(zhuǎn)化成數(shù)字量后傳至PID 和觸摸屏，實(shí)時(shí)顯示氣缸所在位置。

2.5 氣缸

選用SMC 氣缸，型號(hào)為CDM2B20-75 的自潤滑雙作用小型氣缸，缸徑為20 mm，行程為75 mm。另外，氣缸活塞桿與位移傳感器同步機(jī)械連接。

因?yàn)楸壤y可以調(diào)節(jié)的壓強(qiáng)范圍為0.05～0.88 MPa，二位三通閥支持的壓強(qiáng)范圍為0.15 ～0.80 MPa，所以實(shí)驗(yàn)臺(tái)氣動(dòng)系統(tǒng)的上限壓強(qiáng)為0.80 MPa，下限壓強(qiáng)為0.15 MPa。為保證氣動(dòng)系統(tǒng)正常運(yùn)行，氣源壓強(qiáng)需要大于0.80 MPa，三聯(lián)件中的減壓閥壓強(qiáng)調(diào)定在0.80 MPa。

3 軟件程序設(shè)計(jì)

3.1 PLC 程序設(shè)計(jì)

通過STEP 7 MicroWIN SMART 軟件對PLC 進(jìn)行組態(tài)和編程。創(chuàng)建項(xiàng)目，組態(tài)PLC ST20 和模擬量模塊EM AM06，模擬量輸入和輸出均為電壓信號(hào)，通過以太網(wǎng)通信測試組態(tài)是否存在問題。針對系統(tǒng)控制要求建立程序，下載并調(diào)試。

3.2 PID 的調(diào)節(jié)

通過PID 向?qū)нM(jìn)行PID 參數(shù)的初步設(shè)置，按照實(shí)際情況調(diào)試設(shè)定輸入值和輸出值，編寫控制程序調(diào)節(jié)比例閥驅(qū)動(dòng)氣缸位移。為了使氣動(dòng)伺服控制系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)且無沖擊，減小跟蹤誤差，使其不超過目標(biāo)值。PID 整定主要采用比例-微分（Proportion Differential，PD）控制。PD 控制可以抑制輸入響應(yīng)的超調(diào)，縮短到達(dá)穩(wěn)定輸出的時(shí)間，而且不會(huì)影響系統(tǒng)的固有頻率。通過手動(dòng)模式測試程序是否存在問題，在自動(dòng)模式中通過PID 控制面板調(diào)節(jié)比例增益、積分時(shí)間和微分時(shí)間，調(diào)試最佳值使氣缸的位移準(zhǔn)確，減小軌跡跟蹤誤差[7]。

3.3 觸摸屏界面設(shè)計(jì)

利用西門子觸摸屏視窗控制中心（Windows Control Center，WinCC）軟件進(jìn)行組態(tài)和界面設(shè)計(jì)。觸摸屏設(shè)計(jì)分為主頁、手動(dòng)模式、自動(dòng)模式、點(diǎn)位控制、方波控制、正弦波控制以及三角波控制等界面，部分界面如圖5 所示。

圖5 觸摸屏部分界面

4 調(diào)試與運(yùn)行

第一，檢查軟件測試比例閥與位移傳感器是否接線正確，能否正常工作。模擬量位移與電壓的對應(yīng)關(guān)系如圖6 所示。

圖6 位移與電壓的對應(yīng)關(guān)系圖

第二，采用STEP 7 MicroWIN SMART 軟件中的PID 調(diào)試面板調(diào)試PID。

第三，將程序下載到PLC，用外部實(shí)體開關(guān)測試程序是否存在問題，調(diào)試程序。

第四，切換觸摸屏界面，依次測試系統(tǒng)連接是否存在問題。

第五，反復(fù)調(diào)整PID 參數(shù)，使伺服系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確定位，滿足精度要求，總結(jié)整理測試結(jié)果。

由測試結(jié)果可知，該氣動(dòng)伺服控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)準(zhǔn)確定位控制，系統(tǒng)無沖擊，運(yùn)動(dòng)精度較高，平穩(wěn)可靠，滿足控制要求，適用于設(shè)備的智能化自動(dòng)控制。

5 結(jié)語

為了準(zhǔn)確控制氣動(dòng)伺服控制系統(tǒng)，進(jìn)行PLC、觸摸屏、氣動(dòng)比例閥等元器件的選型和硬件電路設(shè)計(jì)，搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，并分別對PLC 和觸摸屏進(jìn)行軟件程序設(shè)計(jì)。利用氣動(dòng)伺服定位PID 增益算法，調(diào)節(jié)不同的比例、積分、微分系數(shù)，編寫自適應(yīng)控制程序。設(shè)計(jì)的系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)精準(zhǔn)定位，滿足設(shè)備的自動(dòng)化控制要求，建議推廣應(yīng)用。