基于PLC的移動液壓油源控制系統(tǒng)設計

牛 英，童 亮，王連新

（北京信息科技大學 機電工程學院，北京 100192）

0 引言

10MPa移動液壓油源作為某輪式車輛動力單元試驗臺的供油系統(tǒng)，可以分別或同時提供4路壓力供油，最高壓力為10MPa，最大流量為200L／min，系統(tǒng)出口油溫最高為120℃。由于系統(tǒng)結構復雜，具有高溫高壓大流量控制回路及其他分系統(tǒng)控制，因此構建安全、穩(wěn)定的電氣控制系統(tǒng)十分重要。本文結合計算機控制技術、電液比例技術以及PLC變頻技術構建其電氣控制系統(tǒng)［1］。

1 移動液壓油源供油系統(tǒng)的組成

該液壓系統(tǒng)由主油路&回油路、小流量路、中壓路、高壓路、低壓路以及冷卻系統(tǒng)和油箱組成，包含主油泵1、潤滑油泵2和回油泵3三個泵。其中主油路&回油路通過比例溢流閥4調節(jié)，小流量路通過減壓閥5、調速閥6調節(jié)控制其壓力流量，中壓路由電動球閥7、比例減壓閥8調節(jié)控制，高壓路由電動調節(jié)球閥9、低壓路由電動球閥10和電動調節(jié)球閥11分別實現其壓力和流量的控制。油箱通過加熱器12實現其溫度升高，冷卻系統(tǒng)通過控制冷卻水閥13的開度控制冷卻水流量改變換熱效率。10MPa移動液壓油源供油系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

圖1 10MPa移動液壓油源供油系統(tǒng)

2 電氣控制方案設計

本液壓油源供油系統(tǒng)以PLC控制器為核心，實現對被測信號的調理、數據采集、驅動單元和液壓系統(tǒng)元件的控制［2］。控制系統(tǒng)總體方案如圖2所示，包括PLC控制系統(tǒng)、轉速控制系統(tǒng)、超限報警系統(tǒng)、液壓加載系統(tǒng)、油溫控制系統(tǒng)、壓力和流量測量系統(tǒng)等。

液壓系統(tǒng)控制壓力和流量范圍如下：主油路&回油路P主=0MPa～10MPa；小流量路P小=0MPa～2.5MPa，Q小=0L／min～15L／min；低壓路P低=0MPa～1MPa，Q低=0L／min～200L／min；中壓路P中=0MPa～4MPa，Q中=0L／min～200L／min；高壓路P高=0MPa～10MPa，Q高=0L／min～100L／min。液壓系統(tǒng)控制測量精度如下：溫度測量誤差≤2%；PID調整至穩(wěn)定狀態(tài)時間≤20s；壓力測量誤差≤2%；壓力控制誤差≤±5%；流量測量誤差≤±2%；流量控制誤差≤±5%；油箱油溫要求的范圍為常溫至+120℃，油溫控制精度為±5℃。

2.1 轉速控制系統(tǒng)

主油泵選用定量軸向柱塞泵，主油泵電機通過PLC控制變頻器實現變轉速，從而改變主油路中油液的流量。在組態(tài)的人機界面上啟動變頻器和風機，設定主軸轉速，在PLC程序中對設定的主軸轉速進行轉換，轉換成變頻器的狀態(tài)字輸出，從而調節(jié)變頻器輸出頻率，驅動油泵電機，實現對油液流量的控制，這就構成了轉速控制的開環(huán)系統(tǒng)［3］。

2.2 超限報警系統(tǒng)

當液壓系統(tǒng)在運行過程中遇到以下問題時系統(tǒng)會自動停止運行：①油箱溫度超上限；②低壓路入口、出口過濾器堵塞；③高壓路入口、出口過濾器堵塞；④小流量路流量超上限10%；⑤低壓路流量、壓力超上限10%；⑥中壓路流量、壓力超上限10%；⑦高壓路流量、壓力超上限10%。由于系統(tǒng)結構復雜，控制系統(tǒng)應具有報警顯示功能，這樣有利于系統(tǒng)故障查找及維護［4］。

圖2 控制系統(tǒng)總體方案

2.3 油液溫度控制系統(tǒng)

為了配合輪式車輛動力單元高溫液壓試驗臺的準確、穩(wěn)定、高效運行，10MPa移動液壓油源供油系統(tǒng)需提供溫度恒定的液壓油。在試驗開始階段，油箱里的油溫需盡快達到設定的溫度。液壓系統(tǒng)最大流量為200L／min，經計算采用的油箱體積為600L，所需加熱器的功率較大，基于控制精度和項目經費等多方面因素綜合考慮，設計時使用多個加熱器組合加熱的方式，共使用3組電加熱器，每組功率為13.5kW，總功率為40.5kW。通過組合不同功率的電加熱器和導通時間，可對加熱功率進行實時閉環(huán)控制［5］。

3 系統(tǒng)硬件選型

電氣控制箱是以PLC控制為核心，根據設備要求，選用西門子S7-300系列PLC。PLC的選型主要考慮兩方面的問題：①I／O點數的選擇；②存儲容量的選擇。存儲容量一般由下式確定：

存儲容量（字節(jié)）=開關量I／O點數×10+

模擬量I／O通道數×100.

最終確定的10MPa移動液壓油源控制系統(tǒng)PLC的模塊配置如圖3所示。

根據系統(tǒng)設計要求，結合變頻器選型原則，配合PLC的選擇，最終確定選用西門子電氣傳動有限公司的6SE64系列通用型交流變頻器MICROMASTER430，型號為6SE6430-2UD37-5FBO。它具有很高的運行可靠性和功能多樣性，其脈沖寬度調制的開關頻率可選，因此降低了電動機運行的噪聲，具有全面而完善的保護功能。

圖3 PLC模塊配置圖

4 控制程序及監(jiān)控界面設計

液壓系統(tǒng)控制功能分為現場觸摸屏控制和遠程PC控制，邏輯功能實現由PLC可編程邏輯控制器完成，因此軟件涉及到下位機PLC的程序設計、上位機HMI人機交互界面設計，其軟件設計方案如圖4所示。

4.1 下位機PLC程序設計

S7-300PLC采用STEP7軟件進行硬件組態(tài)和軟件編程，最后將編好的程序通過PC／PPI電纜下載至PLC。系統(tǒng)利用Profibus總線連接PLC、前端的流量計、壓力變送器和溫度傳感器，此時PLC作為1類主站，負責接收壓力、流量和溫度信息，并將此模擬量轉換成數字量，與上位機設定值進行比較，利用PID控制單元將運算結果轉換為電信號，輸出到變頻器的信號給定端、電磁閥或者控制加熱器的晶閘管智能模塊的輸入端。

圖4 液壓系統(tǒng)檢測與控制系統(tǒng)軟件設計

STEP7程序設計采用了模塊化的編程思想，即把程序分為若干個程序塊，每個程序塊含有一些設備和任務的邏輯指令，這些塊相當于主循環(huán)程序的子程序。模塊化編程降低程序復雜度，使程序設計、調試和維護等操作簡單化。

在軟件設計中，油箱油溫的控制由于其具有大慣性、純滯后和參數時變的特點，采用傳統(tǒng)的PID控制難以達到理想的控制效果，經研究采用參數自整定模糊PID控制算法進行油液溫度控制，取得了良好的控制效果。由于模糊推理計算量比較大，在PLC上進行在線計算不合適，因此通過離線計算將模糊推理規(guī)則構造為模糊推理表，在實際的控制過程中通過查表的方式實現快速的模糊推理［6］。

PLC控制主程序流程如圖5所示。

圖5 PLC控制主程序流程圖

4.2 上位機HMI人機界面設計

本移動液壓油源人機界面分為現場觸摸屏控制和遠程PC控制兩部分?，F場控制通過柜體上的西門子MP377觸摸屏實現，由WinCC Flexible組態(tài)軟件組態(tài)界面［7］。界面包括主界面、低壓路分屏、中壓路分屏、高壓路分屏、小流量路分屏、參數設置和報警界面。觸摸屏主界面如圖6所示。

遠程控制通過PC工控機實現，工控機作為監(jiān)控系統(tǒng)，通過RS-485串口通信與PLC連接，利用WinCC組態(tài)軟件建立驅動，構造變量，繪制畫面，動態(tài)顯示壓力、流量、油箱溫度值以及各路電磁比例控制閥的開度等信息，完成對現場液壓系統(tǒng)運行狀態(tài)的實時監(jiān)測與控制。組態(tài)界面主要由電機系統(tǒng)、主油路&回油路、低壓路、中壓路、高壓路、小流量路、油箱、冷卻系統(tǒng)和報警信息部分組成。界面的設計還要考慮手動調節(jié)與自動控制的切換以及調節(jié)控制的精度。

圖6 觸摸屏主界面

此外，WinCC組態(tài)界面還可以繪制實時趨勢曲線、歷史趨勢曲線和打印報表等，為操作者提供直觀的數據變化和觀測畫面，為進一步提高控制系統(tǒng)的性能提供借鑒。

5 結論

本文采用S7-300PLC控制技術，針對10MPa液壓油源供油系統(tǒng)構建了由PLC作為下位機控制現場設備、PC作為上位機在線監(jiān)控的電氣控制系統(tǒng)，實現了機、電、液、計算機技術的結合，滿足了系統(tǒng)的控制要求。

［1］ 楊曉欣，孟永彪.車用CNG鋼瓶水壓試驗遠程監(jiān)控系統(tǒng)設計［J］.機床與液壓，2012，40（10）：142-144.

［2］ 廖常初.S7-300／400PLC應用技術［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2011.

［3］ 趙鑫.基于變頻技術的高溫液壓流量控制系統(tǒng)［D］.北京：北京交通大學，2010：6-11.

［4］ 黃運杰.基于PLC的液壓泵站遠程控制系統(tǒng)的設計與實現［D］.長沙：湖南大學，2009：22-24.

［5］ 周雄健，王占林，王濤濤.高溫液壓試驗臺油溫的SMITH模糊控制［J］.機床與液壓，2003（5）：262-264.

［6］ 王靜.大流量液壓源恒溫恒壓控制及油液彈性模量研究［D］.杭州：浙江大學，2008：136-138.

［7］ 楊陽.基于PLC控制的全功能液壓綜合試驗臺的研究［D］.沈陽：沈陽工業(yè)大學，2012：36-42.