基于PLC與組態(tài)技術(shù)的變轉(zhuǎn)速液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

解甜，許軍，彭天好

(安徽理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，安徽淮南232001)

隨著流體力學(xué)、自動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)等技術(shù)的不斷發(fā)展，液壓傳動(dòng)技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成為包括傳動(dòng)、控制、檢測技術(shù)、機(jī)電一體化的一門完整的自動(dòng)化技術(shù)，并且在工業(yè)生產(chǎn)、設(shè)備控制等各個(gè)方面都得到了廣泛應(yīng)用。傳統(tǒng)的節(jié)流調(diào)速回路存在較大的溢流損失和節(jié)流損失，液壓系統(tǒng)的功率效率很低，一般只用于小功率的液壓系統(tǒng)中。將電動(dòng)機(jī)變轉(zhuǎn)速技術(shù)應(yīng)用于液壓系統(tǒng)，構(gòu)成變轉(zhuǎn)速液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，可以簡化液壓回路，減少液壓系統(tǒng)的能量損失，提高系統(tǒng)效率，降低噪聲等［1-2］。

變轉(zhuǎn)速液壓調(diào)速系統(tǒng)以變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)液壓泵為動(dòng)力源，加載泵模擬實(shí)際的工作負(fù)載，利用電信號(hào)對壓力、轉(zhuǎn)速等參量進(jìn)行控制。它具有良好的調(diào)速性能、機(jī)械特性、高調(diào)速比和高可靠性，控制器變轉(zhuǎn)速液壓調(diào)速系統(tǒng)以組態(tài)和PLC為主，具有編程簡單、更符合人性化的人機(jī)界面、維護(hù)方便、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，且可以同時(shí)控制多個(gè)參量，順應(yīng)了泵控馬達(dá)變轉(zhuǎn)速液壓技術(shù)的發(fā)展趨勢。

1 變轉(zhuǎn)速實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)介紹

控制系統(tǒng)是變轉(zhuǎn)速液壓調(diào)速系統(tǒng)的核心，其設(shè)計(jì)水平?jīng)Q定著整個(gè)系統(tǒng)完成任務(wù)的效率和質(zhì)量。為了提高變轉(zhuǎn)速液壓調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)定性，利用可編程控制器對變轉(zhuǎn)速液壓調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行控制，能夠?qū)崿F(xiàn)各個(gè)工作模式的狀態(tài)靈活轉(zhuǎn)換、各種工作狀況的實(shí)時(shí)監(jiān)控、系統(tǒng)在異常情況下的及時(shí)報(bào)警、各種系統(tǒng)的參數(shù)和報(bào)警事件的保存打印等功能。該測控系統(tǒng)根據(jù)各參數(shù)的變化，對變頻器、比例方向閥和比例溢流閥進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)控制的目的。

在該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中構(gòu)建基于組態(tài)和PLC的監(jiān)控系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)對變轉(zhuǎn)速液壓調(diào)速系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，實(shí)時(shí)決策和實(shí)時(shí)控制。

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置原理

泵控馬達(dá)變轉(zhuǎn)速調(diào)速系統(tǒng)是變轉(zhuǎn)速液壓調(diào)速系統(tǒng)的一種基本傳動(dòng)系統(tǒng)，主要由變頻器、電動(dòng)機(jī)、馬達(dá)、流量控制閥和泵組合而成［3］。

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理如圖1所示。工頻三相電源接入配電柜，由配電柜接入變頻器1的輸入側(cè)，變頻器1將工頻三相電 (380 V/50 Hz)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)提供給三相異步電機(jī)2，控制異步電機(jī)拖動(dòng)定量泵3旋轉(zhuǎn)，輸出一定流量的液壓油;液壓油經(jīng)過單向閥4和截止閥5到達(dá)比例方向閥7，由比例方向閥7開度確定有多少流量的液壓油流向馬達(dá)8，從而使馬達(dá)8作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，馬達(dá)8出油口的低壓油經(jīng)過比例方向閥回油箱;同時(shí)馬達(dá)輸出軸通過內(nèi)齒形彈性聯(lián)軸器與慣量軸相連，在慣量軸上裝有慣性輪9，慣量軸通過皮帶和旋轉(zhuǎn)編碼器10連接，慣量軸的另一端用內(nèi)齒形彈性聯(lián)軸器與加載泵11的輸出軸相連。柱塞泵11進(jìn)油口是低壓油，出油口是高壓油，通過調(diào)節(jié)比例溢流閥15的閥口開度大小，來改變負(fù)載壓力的大小，同時(shí)電機(jī)14拖動(dòng)補(bǔ)油泵13向模擬負(fù)載系統(tǒng)補(bǔ)油 (補(bǔ)油作用，防止柱塞泵11吸空，引起負(fù)載系統(tǒng)振蕩)。旋轉(zhuǎn)編碼器10的輸出脈沖信號(hào)通過航空接頭接入調(diào)制電路，調(diào)制電路把旋轉(zhuǎn)編碼器差動(dòng)信號(hào)輸出轉(zhuǎn)換成集電極輸出，調(diào)制電路輸出的信號(hào)接入PLC20的高速計(jì)數(shù)端，經(jīng)過PLC處理后送給計(jì)算機(jī)17，計(jì)算對這些信號(hào)進(jìn)行采集、顯示和相關(guān)處理。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置原理圖

1.2 電控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

該電控系統(tǒng)的硬件主要由配電柜、交流接觸器、空氣開關(guān)、變壓器、電纜、插頭、插座、PLC，穩(wěn)壓器、PC機(jī)等組成。根據(jù)變轉(zhuǎn)速液壓調(diào)速系統(tǒng)的要求選用ABB公司型號(hào)ACS800-01-0070-3+P901的變頻器、KELLER型的壓阻式壓力、三菱FX1N-60MR型的 PLC、BOSCH 公 司 型 號(hào) 為 DBEE 10-51/3 50YG24NK31M的比例溢流閥、BOSCH公司型號(hào)4WRE10E25-2X/G24K31/A1V的比例方向閥。

泵控馬達(dá)變轉(zhuǎn)速調(diào)速系統(tǒng)的信號(hào)源主要有液壓系統(tǒng)的主油泵出口壓力傳感器信號(hào)、馬達(dá)的進(jìn)口壓力傳感器信號(hào)、負(fù)載泵的進(jìn)出口壓力傳感器信號(hào)和馬達(dá)的轉(zhuǎn)速信號(hào)。在工作期間，變轉(zhuǎn)速液壓調(diào)速系統(tǒng)按照設(shè)定的控制程序進(jìn)行。其硬件組成圖如圖2。

圖2 泵控馬達(dá)變轉(zhuǎn)速系統(tǒng)組成

1.3 電控系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

基于世紀(jì)星和PLC泵控馬達(dá)變轉(zhuǎn)速調(diào)速系統(tǒng)的軟件包括PLC實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)和工控機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件，前者主要是實(shí)時(shí)監(jiān)測現(xiàn)場的壓力及轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)，利用一定算法實(shí)時(shí)控制變頻器的輸出頻率，改變主液壓泵轉(zhuǎn)速，同時(shí)控制比例方向閥的開度和比例溢流閥的工作壓力，后者主要實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場壓力和電動(dòng)機(jī)及變頻器運(yùn)轉(zhuǎn)等的遠(yuǎn)程監(jiān)控［4］。

該系統(tǒng)的編程軟件采用三菱公司的GX Developer 8.8 6版本，主要完成系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、采樣、控制及保護(hù)等功能的程序。根據(jù)系統(tǒng)控制要求將系統(tǒng)的控制過程分解為主液壓泵啟動(dòng)、補(bǔ)油泵啟動(dòng)、比例方向閥、比例溢流閥和系統(tǒng)報(bào)警等工作狀態(tài)。依照各狀態(tài)的控制順序與要求，編寫各狀態(tài)的功能、轉(zhuǎn)移條件和轉(zhuǎn)移方向，如圖3所示。

圖3 PLC控制程序流程

2 工控機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件

組態(tài)軟件指一些數(shù)據(jù)采集與過程控制的專用軟件，它們是在自動(dòng)控制系統(tǒng)監(jiān)控層一級(jí)的軟件平臺(tái)和開發(fā)環(huán)境，能以靈活多樣的組態(tài)方式提供良好的用戶開發(fā)界面和簡捷的使用方法［5］。系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)對泵控馬達(dá)變轉(zhuǎn)速調(diào)速系統(tǒng)的在線監(jiān)測。對于選定的監(jiān)測對象進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集、制作出便于觀察的實(shí)時(shí)趨勢曲線、歷史趨勢曲線、實(shí)時(shí)報(bào)警、歷史報(bào)警、實(shí)時(shí)報(bào)表和歷史報(bào)表以及數(shù)據(jù)的保存。系統(tǒng)組態(tài)仿真程序設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 組態(tài)仿真程序設(shè)計(jì)

2.1 定義I/O設(shè)備

如圖5所示，在泵控馬達(dá)變轉(zhuǎn)速調(diào)速系統(tǒng)組態(tài)畫面下，設(shè)備驅(qū)動(dòng)菜單下選擇設(shè)備驅(qū)動(dòng)管理→新建→PLC→三菱→FX系列→串口，點(diǎn)擊下一步直到完成。然后再點(diǎn)擊設(shè)備驅(qū)動(dòng)→多串口參數(shù)設(shè)定→COM1，然后選擇波特率9 600數(shù)據(jù)位7位，停止位2位，奇偶校驗(yàn)選擇偶校驗(yàn)，通信方式為RS485。根據(jù)變轉(zhuǎn)速液壓調(diào)速系統(tǒng)原理，在變量字典中新建所需要的變量，選擇要連接的設(shè)備，要訪問的寄存器的名稱和類型，設(shè)置變量大小、靈敏度、報(bào)警信息等一些參數(shù)。

圖5 驅(qū)動(dòng)設(shè)備設(shè)置

2.2 世紀(jì)星畫面繪制

變轉(zhuǎn)速液壓調(diào)速系統(tǒng)主監(jiān)控界面，如圖6所示，上位機(jī)管理及監(jiān)控系統(tǒng)用世紀(jì)星組態(tài)軟件編程實(shí)現(xiàn)。可實(shí)時(shí)監(jiān)控所有泵、馬達(dá)、比例方向閥、比例溢流閥等各種變量的變化。主界面主要包括以下幾個(gè)功能區(qū):動(dòng)態(tài)顯示區(qū)由圖形控件、文本等構(gòu)成，動(dòng)態(tài)顯示區(qū)動(dòng)態(tài)顯示泵控馬達(dá)變轉(zhuǎn)速調(diào)速系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài);控制區(qū)由按鈕、文本、滑動(dòng)桿構(gòu)成，控制區(qū)控制系統(tǒng)的各個(gè)參數(shù)，根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行狀況和控制目的的需要，由控制區(qū)的控件向PLC發(fā)送指令來控制電機(jī)、比例方向閥、比例溢流閥、變頻器等的運(yùn)行狀態(tài);顯示和報(bào)警區(qū)由儀器控件、實(shí)時(shí)曲線、報(bào)警曲線等曲線，顯示參數(shù)變化、參數(shù)報(bào)警，電機(jī)、比例方向閥、比例溢流閥、變頻器、傳感器等運(yùn)行狀況，顯示消息、狀態(tài)和過程值;功能轉(zhuǎn)換區(qū)能夠方便的轉(zhuǎn)換各個(gè)界面。

圖6 監(jiān)控系統(tǒng)主界面

2.3 創(chuàng)建實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫

世紀(jì)星提供了一個(gè)變量實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫。為了實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)運(yùn)算與處理、歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)服務(wù)請求處理、報(bào)警處理等操作，設(shè)計(jì)了組態(tài)數(shù)據(jù)庫，具體設(shè)置如下:

(1)首先新建3個(gè)與數(shù)據(jù)庫有關(guān)的整數(shù)變量:連接句柄、語句句柄、錯(cuò)誤標(biāo)志。

(2)然后在 Access中建立數(shù)據(jù)庫，并命名為“變轉(zhuǎn)速液壓監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫”，將其保存為:G:變轉(zhuǎn)速液壓監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫.mdb，并在世紀(jì)星開發(fā)系統(tǒng)中建立一個(gè)表格模板，在字段名稱處分別鍵入“馬達(dá)進(jìn)口壓力”，“馬達(dá)出口壓力”，“馬達(dá)轉(zhuǎn)速”，字段類型設(shè)為“浮點(diǎn)型”，保存該表。

(3)同時(shí)建立記錄列表，并將字段名稱與相應(yīng)變量對應(yīng)起來，然后打開數(shù)據(jù)源ODBC，添加Microsoft Access Driver為驅(qū)動(dòng)程序，取名為“變轉(zhuǎn)速液壓監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)源”，將其與此數(shù)據(jù)庫建立連接。

3 結(jié)束語

系統(tǒng)以PLC為控制核心，以組態(tài)作為監(jiān)控軟件對泵控馬達(dá)變轉(zhuǎn)速調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控，從而實(shí)現(xiàn)各個(gè)工作模式的狀態(tài)靈活轉(zhuǎn)換、各種工作狀況的實(shí)時(shí)監(jiān)控、系統(tǒng)在異常情況下的及時(shí)報(bào)警、各種系統(tǒng)的參數(shù)和報(bào)警事件的保存打印等功能。該監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)各參數(shù)的變化，對變頻器、比例方向閥和比例溢流閥進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)控制的目的。

實(shí)驗(yàn)表明，組態(tài)與PLC構(gòu)建的泵控馬達(dá)變轉(zhuǎn)速液壓調(diào)速系統(tǒng)具有控制方便、反應(yīng)快速、可靠性好，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)顯示和實(shí)時(shí)傳輸，可以在PC機(jī)上對現(xiàn)場系統(tǒng)進(jìn)行控制，具有良好的人機(jī)界面。為下一步優(yōu)化泵控馬達(dá)變轉(zhuǎn)速調(diào)速系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究奠定了基礎(chǔ)，同時(shí)對其工程應(yīng)用領(lǐng)域有一定的借鑒意義。

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