基于PLC的四柱式液壓機控制系統(tǒng)設(shè)計

張君艷

(江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院 蘇州工業(yè)園區(qū)分院，江蘇 蘇州 215123)

基于PLC的四柱式液壓機控制系統(tǒng)設(shè)計

張君艷

(江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院 蘇州工業(yè)園區(qū)分院，江蘇 蘇州 215123)

針對液壓機的液壓回路控制部分進行了PLC控制系統(tǒng)改造，給出了PLC的輸入輸出地址表、PLC接線圖以及軟件程序，調(diào)試運行后，不僅提高了其保壓控制性能，而且大大提高了系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性和生產(chǎn)效率。

液壓機；PLC；控制系統(tǒng)；設(shè)計

四柱式液壓機不僅應(yīng)用在冶金、鍛壓、機器制造、交通運輸、航空航天等方面，還廣泛應(yīng)用在國民經(jīng)濟的許多門類，如板材成形，粉末冶金，管、線型材擠壓，膠合板壓制，打包，人造金剛石，耐火磚壓制，電纜包覆，碳級壓制成形，零件壓裝、校直等[1]。此液壓機的液壓控制系統(tǒng)不僅要具有壓力和速度可在較大范圍內(nèi)無級調(diào)節(jié)、動作靈活、各執(zhí)行機構(gòu)動作可方便達到所希望的配合關(guān)系等要求，而且要滿足工作強度和生產(chǎn)效率要求，以及可實現(xiàn)系統(tǒng)能根據(jù)用戶所需壓力進行自動調(diào)節(jié)。傳統(tǒng)的液壓機的控制系統(tǒng)大多數(shù)為繼電器-接觸器控制系統(tǒng)，不容易實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)功能，同時液壓電氣控制回路比較繁瑣，生產(chǎn)過程中故障現(xiàn)象頻發(fā)，維修和排除故障十分艱難；另外，隨著大批量生產(chǎn)，運作時間長，元件老化現(xiàn)象嚴重，造成系統(tǒng)穩(wěn)定性、可靠性嚴重下降。由于PLC可靠性高，靈活性好，編程簡單，使用方便，排故簡便，便于開發(fā)，易于實現(xiàn)壓力和時間的自動調(diào)節(jié)[2]，故提出基于PLC的液壓電氣控制系統(tǒng)，旨在減少維修工作量，提高系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，提高系統(tǒng)的生產(chǎn)效率。

1 四柱式液壓機結(jié)構(gòu)與功能

四柱式液壓機主要有四個導(dǎo)柱、橫梁、工作臺、上滑塊和下滑塊、頂出機構(gòu)等部件組成，結(jié)構(gòu)原理圖如圖1所示。液壓機的主要運動是上滑塊機構(gòu)和下滑塊頂出機構(gòu)的運動，上滑塊機構(gòu)由主液壓缸(上缸)驅(qū)動，頂出機構(gòu)由輔助液壓缸(下缸)驅(qū)動。液壓機的上滑塊機構(gòu)通過四個導(dǎo)柱導(dǎo)向、主缸驅(qū)動，實現(xiàn)上滑塊機構(gòu)“快速下行→慢速加壓→保壓延時→快速回程→原位停止”的動作循環(huán)。下缸布置在工作臺中間孔內(nèi)，驅(qū)動下滑快頂出機構(gòu)實現(xiàn)“向上頂出→向下退回”或“浮動壓邊下行→停止→頂出”兩種動作循環(huán)。四柱式液壓機上、下缸動作順序如圖2所示。

圖1 四柱式液壓機結(jié)構(gòu)原理圖

2 液壓系統(tǒng)工作原理

四柱式液壓機液壓系統(tǒng)采用兩個變量泵為系統(tǒng)提供壓力油，主泵1是一個高壓、大流量恒功率(壓力補償)變量泵，最高工作壓力由溢流閥4的遠程調(diào)壓閥5調(diào)壓。輔助泵2是一個低壓小流量定量泵，用于供應(yīng)液動閥的控制油[3]，其壓力由溢流閥3調(diào)整。圖3為該系統(tǒng)的液壓系統(tǒng)圖。整個液壓系統(tǒng)圖中電磁閥線圈的動作順序如表1所示。

圖2 液壓機上、下缸動作順序圖

表1 電磁鐵線圈動作順序表

液壓控制系統(tǒng)在工作過程中，通過電液換向閥6、21的中位機能使主泵1空載起動，在主、輔液壓缸原位停止時主泵1卸荷。

2.1 主缸運動

(1)快速下行：1Y線圈通電，液壓泵的壓力油通過換向閥6(右位)，13單向閥 ，進入主液壓缸16的上腔，同時系統(tǒng)利用上滑塊組件的自重實現(xiàn)主液壓缸(上缸)快速下行，并用充液閥14補油；使上缸快速下行，回油路為上缸下腔經(jīng)過液控單向閥9(5Y通電打開液控單向閥)，電液換向閥6的右位以及21的中位回到油箱[4]。

(2)慢速工進：慢速加壓在滑塊接觸到工件后，阻力增加，這時主缸16上腔壓力迅速升高，關(guān)閉液控單向閥14，這時只有液壓泵繼續(xù)向主缸上腔提供高壓油，推動活塞慢速下行，對工件加壓。加壓速度僅由液壓泵的流量來決定，油液流動情況與快速下行相同。

(3)油路保壓：當(dāng)上缸帶動上模與下模合模后，壓力油繼續(xù)輸入上油缸的上腔，油缸上腔的壓力繼續(xù)升高，由于油壓的升高，補油箱處的液控單向閥被關(guān)閉，切斷了補油箱的供油，使上缸16下行速度開始放慢，油缸上腔壓力繼續(xù)升高，當(dāng)壓力超過了壓力繼電，7的調(diào)定值時，壓力繼電器發(fā)出信號，控制電液換向閥6轉(zhuǎn)換到中位，切斷油缸16上腔的供油，上缸停止運動，系統(tǒng)開始保壓。

(4)泄壓、快速返回：等保壓完成后，電液換向閥6的2Y得電(1Y斷電)左位被接通，泵1打出的壓力油通過電液換向閥6的左位，再經(jīng)過背壓閥10，進入上油缸16的下腔，推動油缸向上運動，同時上缸16上腔的回油通過液控單向閥14，流回到補油箱15，使得上缸能快速退回原位。

2.2 頂出缸運動

(1)頂出缸17的動作是在主缸停止運動后進行的[5]。電液換向閥21的3Y得電(4Y斷電)，因為進入頂出缸的壓力油必須先經(jīng)過主缸換向閥6的中位(即主缸停止運動的位置)，然后再進入控制頂出缸運動的換向閥21，從而實現(xiàn)主缸和頂出缸運動的互鎖；壓力油經(jīng)過21的左位進入下缸17的下腔，上腔的壓力油經(jīng)過21的左位流回油箱。

(2)頂出缸退回動作在工件取出后，電液換向閥21的4Y得電(3Y斷電)，右位開始工作，壓力油進入下缸17的上腔，下缸下腔的回油經(jīng)過閥的右位流入回油箱，下缸向下運動，恢復(fù)原位。

圖3 液壓系統(tǒng)回路圖

(3)頂出缸停止電磁鐵3YA、4YA都斷電，下缸電液換向閥21處于中位，頂出缸停止運動。

備注說明：液控單向閥14在保壓時可防止上油缸16上腔的油液倒流，行程開關(guān)用于控制上、下缸的極限位置，壓力表分別顯示上、下油缸和整個系統(tǒng)的壓力。

3 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計

由于PLC能完成邏輯、順序、定時、計數(shù)和算術(shù)運算等功能，編程語言也比較強大，又可實現(xiàn)循環(huán)掃描和即時刷新等一系列優(yōu)點，故采用三菱PLC控制系統(tǒng)取代原來的繼電接觸器控制系統(tǒng)，電磁閥動作順序表和控制要求都保持不變，根據(jù)四柱液壓機液壓系統(tǒng)控制要求，該系統(tǒng)所需的輸入信號9個(X0-X10)，輸出信號6點(Y0-Y5)。同時考慮系統(tǒng)后期的開發(fā)，輸入輸出信號預(yù)留多個備用點，故選擇FX2N-32MR；繼電器輸出形式，采用梯形圖編程方式，工藝流程是分步進行[6]，所以按照流程圖來編寫程序非常方便。在PLC控制系統(tǒng)設(shè)計過程中，按照設(shè)計步驟給出了輸入輸出地址表，如表2所示，PLC硬件接線圖、工藝流程圖、PLC程序設(shè)計示意圖分別如圖4、圖5、圖6所示。

其中，四柱液壓機液壓系統(tǒng)的工藝流程體現(xiàn)了整個系統(tǒng)的工作過程，工藝流程圖清晰地表達系統(tǒng)的運行狀況，PLC采用順序編程法非常方便，易于調(diào)試程序和排除故障[7]。

4 結(jié)束語

該系統(tǒng)利用PLC取代繼電接觸器控制系統(tǒng)后，經(jīng)過安裝調(diào)試、改進和完善，液壓控制系統(tǒng)不僅滿足了工作強度和生產(chǎn)效率的要求，而且操作非常方便，可實現(xiàn)點動、半自動、全自動循環(huán)動作，系統(tǒng)的工作壓力、壓制速度在行程范圍內(nèi)均可根據(jù)需要進行隨時調(diào)整，并能完成定壓及定程等多種工藝方式，改造后的PLC控制系統(tǒng)可非常靈活地根據(jù)系統(tǒng)需要設(shè)定和調(diào)整保壓延時時間和保壓壓力，同時PLC液壓控制系統(tǒng)也避免了整個機床振動噪聲大、油液泄漏等一系列不足；投入生產(chǎn)后整個系統(tǒng)運行平穩(wěn)可靠、故障率大大降低；系統(tǒng)效率大大提高，不僅經(jīng)濟性能好，而且維護非常簡單便捷。另外，PLC控制系統(tǒng)具有很好的柔性，為以后系統(tǒng)的升級增添了靈活性，尤其是在客戶根據(jù)生產(chǎn)產(chǎn)品要求需要改變產(chǎn)品工藝，改變工作過程時，就不需要再重新設(shè)計控制系統(tǒng)回路以及復(fù)雜的安裝接線，只要改變其用戶程序就可以實現(xiàn)相應(yīng)的控制要求，大大減少了繁瑣的線路連接和工作量，縮短了系統(tǒng)更新的周期。

表2 輸入輸出地址表

圖4 PLC硬件接線圖

圖5 工藝流程圖

圖6 梯形圖部分程序

[1] 林義忠.液壓集成塊典型轉(zhuǎn)彎孔道流場仿真分析[J].機床與液壓，2012，(3)：133-135.

[2] 張文凡.基于自適應(yīng)的液壓夾具壓力控制的研究[J].機床與液壓，2012，(5)：63-64.

[3] 席光輝.機床液壓智能CAD系統(tǒng)的研究 [J].機床與液壓，2001，(3)：52-54.

[4] 陳艷紅.PLC在搖臂鉆床控制系統(tǒng)中的應(yīng)用 [J].機床與液壓，2002，(6)：260-261.

[5] 廖常初.PLC應(yīng)用技術(shù)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2005.

[6] 徐建俊.電機與電氣控制[M].北京：清華大學(xué)出版社，2010.

[7] 殷建國.工廠電氣控制技術(shù)[M].北京：經(jīng)濟管理出版社，2006.

[8] 王章俊，等.35MPa高壓軸向柱塞泵配流副油膜性能數(shù)值分析[J].液壓氣動與密封，2016，(1).

Design of control system for four-column hydraulic press on the basis of PLC

ZHANG Junyan
(Suzhou Industrial Park Branch,JiangsuUnion Technical Institute,Suzhou 215123,Jiangsu China)

The transformation of PLC control system has been conducted to the hydraulic circuit control for hydraulic press.The PLC input and output address table,PLC wiring diagram and software program have been put forward.After commissioning,the pressure maintaining control performance has been improved,as well as the reliability,stability and production efficiency of the system.

Hydraulic system;PLC;Control system

TG315.4

A

10.16316/j.issn.1672-0121.2017.05.007

1672-0121(2017)05-0025-04

2017-05-04；

2017-06-23

張君艷(1978-)，碩士，高工，副教授，從事電氣自動化、機械結(jié)構(gòu)設(shè)計與電氣控制、工業(yè)機器人技術(shù)研究。E-mail：zhangjy2012@sina.com