一種自動(dòng)卸料機(jī)構(gòu)的電控液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案

周奇才，張慧群，宋世明

（同濟(jì)大學(xué) 機(jī)械與能源工程學(xué)院，上海 201804）

0 引言

一般自動(dòng)卸料機(jī)構(gòu)采用一個(gè)伸縮式液壓缸來控制車身的傾斜程度，進(jìn)而達(dá)到自動(dòng)卸料的目的，但是對(duì)于垃圾箱的卸料如果采用上述方法，會(huì)出現(xiàn)垃圾箱底部的垃圾卸不干凈的現(xiàn)象；本論文中所涉及的自動(dòng)卸料機(jī)構(gòu)，其原理為通過控制多個(gè)雙作用液壓缸的順序及同步動(dòng)作的先后順序，具體工作過程如圖1所示，來達(dá)到自動(dòng)卸料的目的；因此對(duì)于本文中提到的自動(dòng)卸料機(jī)構(gòu)的電控系統(tǒng)不僅需要控制多個(gè)雙作用液壓缸的順序動(dòng)作，也需要控制多個(gè)雙作用液壓缸的同步動(dòng)作，一般對(duì)液壓缸的順序動(dòng)作和同步動(dòng)作分別控制時(shí)，比較簡單；但放在一個(gè)控制系統(tǒng)中時(shí)則很難同時(shí)滿足，本文中采用電磁換向閥和電液比例流量閥結(jié)合的方式，并且采用PLC和PID對(duì)電磁換向閥和電液比例流量閥分別控制，達(dá)到對(duì)液壓缸順序動(dòng)作及同步動(dòng)作先后順序的控制，進(jìn)而達(dá)到對(duì)卸料機(jī)構(gòu)的自動(dòng)控制。

圖1 自動(dòng)卸料系統(tǒng)的四個(gè)工作相位

1 工作原理

電磁換向閥是電磁控制的工業(yè)設(shè)備，屬于執(zhí)行元件，電磁換向閥通過和電路的配合來達(dá)到對(duì)液壓缸運(yùn)動(dòng)方向的配合；電磁換向閥的工作原理為通電時(shí)，電磁線圈產(chǎn)生電磁力把關(guān)閉件從閥座上提起，閥門打開，該油路通，進(jìn)而達(dá)到換向的目的。

電液比例流量閥一般是由電氣—機(jī)械轉(zhuǎn)換器、液壓放大器和檢測反饋機(jī)構(gòu)組成；可接受電信號(hào)指令，連續(xù)地控制液壓系統(tǒng)的流量，使之與輸入電信號(hào)成比例地變化。本液壓控制系統(tǒng)中選擇電液比例閥而不是伺服閥的原因是：與高精度、動(dòng)態(tài)響應(yīng)好的伺服閥相比，比例閥雖然與其在性能上有一定的差別，但其有顯著的優(yōu)點(diǎn)是抗污染能力強(qiáng)，可減少由工作環(huán)境帶來的工作障礙；另一方面比例閥的成本比伺服閥低，結(jié)構(gòu)簡單[1]。

本系統(tǒng)中所采用電控液壓系統(tǒng)總體示意圖如圖2所示，本文通過PLC結(jié)合檢測位移傳感器的情況來控制電磁換向閥的得電順序，以及電磁換向閥和電液比例流量閥的串聯(lián)，兩種方法的結(jié)合來解決同一個(gè)控制系統(tǒng)中對(duì)多個(gè)雙作用液壓缸的同步控制和順序控制的問題。

圖2 電控液壓系統(tǒng)總體示意圖

本液壓控制系統(tǒng)中三個(gè)液壓缸的同步控制原理為通過PID(Proportion Integration Differentiation)控制電液比例閥的開口大小，PID控制變量為三個(gè)液壓缸之間的位移差，即雙作用液壓缸B的位移量由雙作用液壓缸A的位移量與B的位移量的差值進(jìn)行控制，以此類推，雙作用液壓缸C的位移量由雙作用液壓缸B的位移量與C的位移量的差值進(jìn)行控制，雙作用液壓缸A的位移量由雙作用液壓缸C的位移量與A的位移量的差值進(jìn)行控制；因液壓系統(tǒng)中液壓缸運(yùn)動(dòng)的快慢與液壓缸離液壓泵的遠(yuǎn)近有很大關(guān)系，所以在此系統(tǒng)中雙作用液壓缸A運(yùn)動(dòng)最慢，用最慢的液壓缸控制其他兩個(gè)液壓缸的位移量，并且同步起始位置時(shí)，若三個(gè)液壓缸位移量無差別，三個(gè)液壓缸不會(huì)運(yùn)動(dòng)，所以本系統(tǒng)中設(shè)置電液比例閥的起始位置為連通狀態(tài)，進(jìn)而保證了三個(gè)液壓缸的同步運(yùn)動(dòng)[2]。而三個(gè)雙作用液壓缸的順序控制采用PLC控制電磁換向閥的得電情況進(jìn)而達(dá)到對(duì)雙作用液壓缸的順序控制。具體工作原理如下：

1）系統(tǒng)首先會(huì)檢查限位開關(guān)S01、S03、S05的狀態(tài)，當(dāng)全部為閉合狀態(tài)時(shí)，圖1中7三位四通電磁換向閥的左電磁鐵YA1得電，雙作用液壓缸A開始無桿腔進(jìn)油，有桿腔出油，液壓缸A的液壓桿推出，即A缸拉回。

2）如圖1所示，當(dāng)A缸液壓桿運(yùn)動(dòng)到最右端，碰到限位開關(guān)S02時(shí)，圖1中8三位四通電磁換向閥的左電磁鐵YA3得電，B缸開始無桿腔進(jìn)油，有桿腔出油，即B缸拉回。

3）當(dāng)B缸液壓桿運(yùn)動(dòng)到最右端，碰到限位開關(guān)S04時(shí)，圖1中9三位四通電磁換向閥的左電磁鐵YA5得電，C缸開始無桿腔進(jìn)油，有桿腔出油，即C缸拉回，以上為雙作用液壓缸的順序控制。

4）當(dāng)檢測到S02、S04、S06同時(shí)閉合時(shí)，啟動(dòng)延時(shí)，在該程序中設(shè)定延時(shí)1s是為了使物料沉積到料倉底部，便于卸料。

5）1s之后，圖1中7三位四通電磁換向閥的右電磁鐵YA2、8三位四通電磁換向閥的右電磁鐵YA4、9三位四通電磁換向閥的右電磁鐵YA6同時(shí)得電，此時(shí)對(duì)電液比例流量閥的控制采用PID控制，在此過程中需要調(diào)整PID參數(shù)達(dá)到一種平衡狀態(tài)，才能使三個(gè)液壓缸中液壓桿同時(shí)拉回，即三個(gè)液壓缸同時(shí)推出，而PID參數(shù)的調(diào)整采用仿真進(jìn)行。

6）當(dāng)三個(gè)液壓缸同時(shí)運(yùn)動(dòng)到最右端，限位開關(guān)S01、S03、S05同時(shí)閉合時(shí)，進(jìn)入下一個(gè)工作循環(huán)。

2 應(yīng)用舉例

本文中設(shè)計(jì)的系統(tǒng)主要用于生活垃圾箱的自動(dòng)卸料，為了使仿真效果和實(shí)際效果相同，結(jié)合實(shí)際應(yīng)用情況設(shè)定相關(guān)參數(shù)，具體如下，液壓缸的缸徑選用，液壓缸的桿徑選用，液壓缸行程選用，液壓泵流量設(shè)定為，根據(jù)物料的重力以及摩擦參數(shù)計(jì)算出液壓缸的液壓桿拉回所需拉力為，推力為，這里具體的計(jì)算過程就不詳細(xì)列出了，本文的重點(diǎn)是如何選用PLC型號(hào)，以及控制程序的編寫。

在該系統(tǒng)中PLC選用的類型對(duì)控制效果好壞影響比較大，由PLC選型規(guī)則可知，一般可根據(jù)輸入輸出（I/O）點(diǎn)數(shù)、存儲(chǔ)器容量和控制功能的選擇等確定PLC的功能、外部設(shè)備特性等；因本控制系統(tǒng)中控制功能、程序復(fù)雜度等較簡單，PLC的選型主要是根據(jù)輸入和輸出（I/O）的點(diǎn)數(shù)選擇具體的PLC型號(hào)，具體輸入和輸出（I/O）點(diǎn)數(shù)及意義如表1所示。

表1 輸入輸出（I/O）點(diǎn)數(shù)及其含義

本系統(tǒng)的控制要求為閉環(huán)控制，由自動(dòng)卸料工作過程可知，3個(gè)雙作用液壓缸先是根據(jù)位置信息量進(jìn)行順序邏輯控制，然后采用PID(Proportion Integration Differentiation)控制單元來控制3個(gè)電液比例流量閥，進(jìn)而控制三個(gè)雙作用液壓缸的同步，具體PID控制變量設(shè)置如圖3所示。由上述I/O點(diǎn)數(shù)和控制功能的特點(diǎn)本方案選擇西門子S7-300系列[3]，基本滿足對(duì)液壓系統(tǒng)的控制功能，且成本相對(duì)較低。

圖3 PID控制變量的設(shè)置

確定PLC型號(hào)之后，可按表2進(jìn)行PLC的I/O地址分配和圖4進(jìn)行PLC端子接線。按照上述所確定的整體方案和PLC相關(guān)接線圖，利用Automation Studio軟件對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行建模仿真，建模完成后按照前面介紹的工作流程，以及控制要求，在PLC編程器中編制出梯形圖程序，如圖5所示。

圖5 梯形圖

表2 PLC的I/O地址分配表

圖4 PLC的端子接線圖

3 結(jié)果演示

因本方案中需要模擬仿真PLC對(duì)液壓系統(tǒng)的控制作用，而仿真軟件Automation Studio滿足PLC和液壓這兩點(diǎn)要求，所以本系統(tǒng)采用Automation Studio進(jìn)行PLC仿真[4]，根據(jù)編寫的控制程序?qū)θ齻€(gè)雙作用液壓缸的順序和同步控制結(jié)果通過對(duì)位移曲線圖進(jìn)行演示，結(jié)果演示如下。

從圖6三個(gè)液壓缸的位移曲線圖中可以看出：在按下“開始”鍵之前，三個(gè)液壓缸的位移為0cm，當(dāng)按下“開始”鍵之后，A缸位移開始增加，如圖中綠色線所示，表示A缸開始移動(dòng)，方向?yàn)閳D2中所示A缸中液壓桿右移，即液壓缸A開始拉回；當(dāng)A缸中液壓桿碰到限位開關(guān)S02時(shí)，A缸位移量不再增加，保持在最大值20cm，而B缸位移開始增加，如圖中藍(lán)色線所示，表示B缸開始移動(dòng)，方向?yàn)閳D1中所示B缸液壓桿右移，即液壓缸B開始拉回；當(dāng)B缸碰到限位開關(guān)S04時(shí)，B缸位移量不再增加，保持在最大值20cm，而C缸位移量開始增加，如圖中紅色線所示，表示C缸開始移動(dòng)，方向?yàn)閳D1中所示C缸液壓桿右移，即液壓缸C開始拉回；當(dāng)C缸碰到限位開關(guān)S04時(shí)，圖6中三條曲線重合，停止增加，保持不變，持續(xù)時(shí)間為；之后，三條曲線同時(shí)下降，且重合在一起，表示三個(gè)液壓缸同步推出，如圖1中所示，三個(gè)液壓缸中的液壓桿同步后退，即三個(gè)液壓缸同步推出；當(dāng)三個(gè)液壓缸的位移曲線同時(shí)下降為0cm時(shí)，雙作用液壓缸A的位移量開始增加，如圖中第二條綠色線所示，表示已進(jìn)入下一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期，至此完成了三個(gè)液壓缸的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)仿真。

圖6 三個(gè)液壓缸的位移曲線圖

在圖6中位移曲線圖中可以看出，基本實(shí)現(xiàn)了對(duì)三個(gè)雙作用液壓缸的順序控制及同步控制，且同步效果較好，很好的解決了對(duì)同一控制系統(tǒng)中多個(gè)液壓缸的順序動(dòng)作和同步動(dòng)作之間的先后順序的控制；而圖7則表示為在運(yùn)動(dòng)周期內(nèi)，任意位置在按下“停止”按鈕之后，再按下“開始”按鈕，則液壓缸會(huì)按照原來的位置繼續(xù)運(yùn)動(dòng)下去，該功能保證了當(dāng)遇到緊急情況時(shí)，按下“停止”按鈕，液壓缸會(huì)停止運(yùn)動(dòng)，當(dāng)緊急情況解除時(shí)，再按下“開始”按鈕，液壓缸會(huì)繼續(xù)按照原有的控制運(yùn)動(dòng)下去，具體結(jié)果如圖7所示，使整個(gè)電控液壓系統(tǒng)功能更加完善。

圖7 基本控制功能演示曲線圖

4 結(jié)論

本文通過有效設(shè)計(jì)液壓控制回路，并且結(jié)合PLC控制和PID控制達(dá)到對(duì)三個(gè)雙作用液壓缸的同步動(dòng)作和順序動(dòng)作的雙重控制，進(jìn)而達(dá)到對(duì)卸料的自動(dòng)控制。在設(shè)計(jì)過程中如果沒有很好的處理兩者的關(guān)系，則會(huì)出現(xiàn)液壓缸停止不動(dòng)的現(xiàn)象，并且結(jié)合Automation Studio軟件可以有效的仿真PLC對(duì)液壓缸的控制效果，可實(shí)時(shí)觀察液壓缸的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)液壓控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)演示。

[1] 黃志堅(jiān).液壓伺服與比例控制實(shí)用技術(shù)[M].北京：中國電力出版社,2012：111-116.

[2] 蘇東海,孫占文.AMEsim仿真技術(shù)在電液位置同步系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].液壓氣動(dòng)與密封,2007(6)：13-15.

[3] 蔡杏山.西門子S7-200 PLC技術(shù)[M].北京：人民郵電出版社,2010.

[4] 周潤景,張麗娜,劉夢(mèng)男.基于Automation Studio的PLC系統(tǒng)設(shè)計(jì)、仿真及應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社,2012.