基于PLC的變量泵控制設(shè)計(jì)研究

林文城

基于PLC的變量泵控制設(shè)計(jì)研究

林文城

(廈門海洋職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福建廈門 361012)

針對(duì)傳統(tǒng)液壓伺服式變量泵存在的問(wèn)題，開發(fā)出基于PLC的變量泵控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過(guò)采集變量泵的排量和PID計(jì)算，輸出PWM信號(hào)，來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)的步距角，并驅(qū)動(dòng)泵的變量機(jī)構(gòu)，最終確保變量泵的排量維持在某一設(shè)定值上。本文介紹變量泵系統(tǒng)控制原理、組成和軟件設(shè)計(jì)。該控制系統(tǒng)可提高變量泵流量的控制精度和抗干擾能力等，與傳統(tǒng)的變量泵相比,在2 min測(cè)試時(shí)間內(nèi)泵的平均出口流量波動(dòng)率下降了78.8%，過(guò)渡時(shí)間減少62.3%?？梢钥紤]在液壓系統(tǒng)其它設(shè)備元件上推廣應(yīng)用。

變量泵 PLC PWM

0 引言

在液壓系統(tǒng)中，作為動(dòng)力元件的雙向變量泵，向執(zhí)行元件提供高壓油，控制執(zhí)行元件的運(yùn)動(dòng)方向和速度。液壓泵的常見控制參量方式，有壓力、功率和排量等。為了調(diào)節(jié)執(zhí)行元件的運(yùn)動(dòng)速度，需要去控制執(zhí)行元件的液壓油流量，而改變液壓泵的流量有兩種常見方式，分別是變頻和變排量。以國(guó)產(chǎn)公稱壓力為31.5 MPa的CY14-1B系列斜盤式軸向柱塞變量泵為例，借助液壓伺服式變量機(jī)構(gòu)來(lái)調(diào)節(jié)控制桿的位移，從而控制斜盤的傾斜角度，調(diào)整變量泵柱塞的有效行程，來(lái)獲得相應(yīng)的排量，最終控制執(zhí)行元件的運(yùn)動(dòng)速度。雖然這種控制方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低，但是存在控制偏差大，動(dòng)作遲緩和調(diào)節(jié)過(guò)度等不足。

為了解決以上問(wèn)題，特設(shè)計(jì)基于PLC的變量泵控制系統(tǒng)，具體是利用PLC驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制模式，來(lái)代替直接采用控制桿控制變量泵的傳統(tǒng)控制方式。運(yùn)用這一控制系統(tǒng)，將提高變量泵排量的控制精度，對(duì)油質(zhì)不敏感，抗干擾能力增強(qiáng)，響應(yīng)動(dòng)作快等。

1 控制系統(tǒng)的硬件組成

執(zhí)行控制CY14-1B系列斜盤式軸向柱塞變量泵流量的，分別是步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、液壓伺服變量機(jī)構(gòu)和變量泵斜盤。基于PLC的控制系統(tǒng)，是用來(lái)控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的位移量，從而控制變量泵的排量。如圖1所示，該控制系統(tǒng)的下機(jī)位和下位機(jī)分別采用臺(tái)達(dá)DVP14ES00R2 PLC和Eview MT 506L觸摸屏，通過(guò)輸入輸出擴(kuò)展模塊，位移傳感器、流量傳感器和壓力傳感器等模擬信號(hào)傳送給PLC，經(jīng)過(guò)PID運(yùn)算后輸出信號(hào)控制液壓變量機(jī)構(gòu)的動(dòng)作，同時(shí)借助觸摸屏與下位機(jī)的通信，建立人機(jī)界面，實(shí)時(shí)精確控制變量泵的排量。

圖1 變量泵控制系統(tǒng)硬件簡(jiǎn)圖

2 系統(tǒng)控制原理

根據(jù)液壓系統(tǒng)執(zhí)行元件的運(yùn)行速度要求，來(lái)確定變量泵的排量值，這樣就可以在上位機(jī)上設(shè)定對(duì)應(yīng)的參數(shù)值，經(jīng)過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換后，由下位機(jī)運(yùn)算輸出數(shù)字脈沖信號(hào)。該數(shù)字脈沖信號(hào)與步進(jìn)電機(jī)的步距角成正比，用來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度和位移量。而接受脈沖信號(hào)后，步進(jìn)電機(jī)將旋轉(zhuǎn)對(duì)應(yīng)的角度，驅(qū)動(dòng)伺服液壓機(jī)構(gòu)中的隨動(dòng)活塞運(yùn)動(dòng)，從而通過(guò)軸銷驅(qū)動(dòng)變量泵的斜盤轉(zhuǎn)動(dòng)并獲得相應(yīng)的傾斜角。這樣，在轉(zhuǎn)速不變的前提下，改變了變量泵柱塞的有效行程，實(shí)現(xiàn)液壓系統(tǒng)變量泵流量和執(zhí)行元件運(yùn)動(dòng)速度的控制。同時(shí)，利用傳感器實(shí)時(shí)采集變量泵流量和執(zhí)行元件速度的數(shù)值，經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后，經(jīng)過(guò)PID重新運(yùn)算后輸出PWM，來(lái)實(shí)時(shí)修正變量泵斜盤的傾斜角度，降低泵排量的調(diào)節(jié)偏差，提高控制液壓系統(tǒng)執(zhí)行元件速度的穩(wěn)定性。

3 軟件設(shè)計(jì)

依據(jù)下位機(jī)設(shè)計(jì)思路和上位機(jī)控制內(nèi)容的總體要求，選擇相應(yīng)的編程軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)程序的開發(fā)。

3.1 PLC控制程序的設(shè)計(jì)

利用傳感器的數(shù)據(jù)檢測(cè)，PLC讀取變量泵的技術(shù)參數(shù)，執(zhí)行用戶指令并進(jìn)行PID計(jì)算，輸出PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)變量機(jī)構(gòu)，調(diào)整變量泵的參數(shù)，并將調(diào)整后的數(shù)據(jù)反饋回控制器，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。以控制變量泵的排量為例，將PWM信號(hào)轉(zhuǎn)換為步進(jìn)電機(jī)的步距角，控制液壓變量機(jī)構(gòu)來(lái)調(diào)整斜盤，實(shí)現(xiàn)變量泵流量的改變，最終滿足液壓系統(tǒng)執(zhí)行元件的速度要求，控制流程圖如圖2所示。

圖2 變量泵控制流程圖

1）數(shù)據(jù)的采集

根據(jù)設(shè)計(jì)思路，間斷采集液壓系統(tǒng)中變量泵的模擬信號(hào)和開關(guān)量，例如變量泵的實(shí)時(shí)排量、油壓、油溫和功率等數(shù)值，經(jīng)過(guò)傳感器轉(zhuǎn)換電信號(hào)，模數(shù)變換后成為數(shù)字信號(hào)送往下位機(jī)。同時(shí)依據(jù)液壓系統(tǒng)的工作需要，在觸摸屏上輸入相應(yīng)技術(shù)參數(shù)數(shù)值，也傳輸至下位機(jī)進(jìn)行處理。

2）安全保護(hù)

排油壓力過(guò)大、超負(fù)荷、吸油壓力過(guò)低、油液溫度過(guò)高、長(zhǎng)時(shí)間處于零排量和斜盤傾角過(guò)大等非正常運(yùn)行狀況，將直接造成泵結(jié)構(gòu)的損傷，甚至直接無(wú)法運(yùn)轉(zhuǎn)，縮短變量泵的使用壽命。因此，液壓系統(tǒng)運(yùn)行中，變量泵的控制系統(tǒng)應(yīng)考慮設(shè)置油壓壓力異常保護(hù)、過(guò)電流保護(hù)、高溫保護(hù)和傾角保護(hù)等。

3）PID運(yùn)算

在變量泵控制系統(tǒng)的PID運(yùn)算中，采集泵排量這一技術(shù)參數(shù)的數(shù)值，是PLC實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制的前提，如圖3所示。由流量傳感器檢測(cè)的變量泵排量輸出值()，數(shù)模信號(hào)轉(zhuǎn)換后獲得測(cè)量值()，傳送至PLC進(jìn)行PID運(yùn)算，計(jì)算出測(cè)量值()和設(shè)定值()的排量偏差()。為了在穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)下排量偏差()都接近于零，PLC輸出()，從而控制步進(jìn)電機(jī)的步距角來(lái)調(diào)整變量泵斜盤傾角的度數(shù)，改變柱塞的有效行程，從而控制變量泵的實(shí)際排量() 穩(wěn)定在某一設(shè)定值上，避免液壓系統(tǒng)執(zhí)行元件運(yùn)動(dòng)速度大幅度波動(dòng)。

圖3 負(fù)反饋系統(tǒng)方框圖

PID輸出()與排量偏差()的關(guān)系式為：

式(1)中：()=()-()—排量偏差；(t)—變量泵排量設(shè)定值；()—排量測(cè)量值；()—變量泵排量輸出值；()—PID輸出值；0—PID初始值，K—比例控制增益；T—積分時(shí)間常數(shù)；T—微分時(shí)間常數(shù)。根據(jù)液壓系統(tǒng)的技術(shù)要求和變量泵的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，選擇技術(shù)參數(shù)的采集頻率，從而離散化PID輸入輸出關(guān)系公式，最終獲得系統(tǒng)采集第n次數(shù)據(jù)時(shí)的輸出公式為：

式(2)中：—數(shù)據(jù)采集周期；—數(shù)據(jù)采集次數(shù)，=1，2，3……；e()—第次數(shù)據(jù)采集時(shí)的排量偏差；()—第n次采樣時(shí)PID輸出。

4) PWM輸出

在變量泵控制系統(tǒng)中，根據(jù)變量泵排量偏差值，產(chǎn)生PWM輸出信號(hào)。利用電磁作用原理，脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為步進(jìn)電機(jī)的角位移，每輸入一個(gè)脈沖，電機(jī)輸出軸獲得一個(gè)相應(yīng)的步距角，實(shí)現(xiàn)步進(jìn)運(yùn)動(dòng)。PWM輸出信號(hào)的脈沖數(shù)和頻率，決定了步進(jìn)電機(jī)的步距角和響應(yīng)速度，而步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)液壓變量機(jī)構(gòu)中隨動(dòng)活塞的運(yùn)動(dòng)位移，帶動(dòng)變量泵的斜盤轉(zhuǎn)動(dòng)到對(duì)應(yīng)角度，來(lái)改變了泵的實(shí)際排量。當(dāng)變量泵的實(shí)際流量與設(shè)定值相符時(shí)，PWM輸出信號(hào)趨于為0，確保變量泵的排量維持在某一設(shè)定值上。

3.2 上位機(jī)監(jiān)控軟件開發(fā)

為開發(fā)變量泵控制系統(tǒng)的人機(jī)界面，采用組態(tài)軟件來(lái)控制MT506L觸摸屏。該觸摸屏可以動(dòng)態(tài)顯示變量泵的運(yùn)行狀況，而且可以根據(jù)液壓系統(tǒng)的工作需要，實(shí)時(shí)方便實(shí)現(xiàn)變量泵技術(shù)參數(shù)和系統(tǒng)數(shù)據(jù)掃描周期等的調(diào)整。

4 結(jié)論

與傳統(tǒng)的變量泵相比，基于PLC控制的變量泵，在運(yùn)行過(guò)程中可以精確地完成技術(shù)參數(shù)的調(diào)整和控制，在2 min測(cè)試時(shí)間內(nèi)泵的平均出口流量波動(dòng)率下降了78.8%。此外該控制系統(tǒng)響應(yīng)快，過(guò)渡時(shí)間減少62.3%，而且可靠性和抗干擾能力強(qiáng)、有利于軟起動(dòng)和輸出合理的負(fù)載功率，同時(shí)保持設(shè)備處于理想狀態(tài)，提高操控性能，節(jié)能減排在10%～15%范圍內(nèi)。同時(shí)借助方便地實(shí)現(xiàn)與其他電子控制器通信的特點(diǎn)，可以進(jìn)一步開發(fā)該控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化功能和故障診斷資源。

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Design of Variable Pump Control System Based on PLC

Lin Wencheng

(Xiamen Ocean Vocational and Technical College, Xiamen 361012, Fujian, China )

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TQ51

A

1003-4862（2021）11-0024-03

2021-03-15

林文城（1975-），男，副教授，碩士。研究方向：船舶輔機(jī)自動(dòng)控制和維護(hù)管理。E-mail:jyyxyy@126.com