PLC在高精度液壓控制系統中的應用

何永，荊曉麗

（1.太原理工大學信息工程學院，山西 太原 030024；2.中國電子科技集團公司第二研究所，山西 太原 030024）

PLC在高精度液壓控制系統中的應用

何永1、2，荊曉麗2

（1.太原理工大學信息工程學院，山西 太原 030024；2.中國電子科技集團公司第二研究所，山西 太原 030024）

針對液壓機在電子行業高精度的要求，設計一種液壓控制系統，采用KEYENCE KV-5000 PLC作為主控核心，通過實時采集外部數據獲得反饋值，將輸出值傳輸給伺服驅動器控制液壓主缸的運動；闡述了PLC在數據采集、轉換、壓力控制等方面的方法，并給出相應的程序；通過實際應用，該控制系統完全能滿足生產工藝要求，具有高自動化、高精度、高效率特點。

液壓傳動控制；PLC（可編程邏輯控制器）；液壓；伺服

液壓傳動控制是工業中經常用到的一種控制 方式，它采用液壓完成傳遞能量的過程。因為液壓傳動控制方式的靈活性和便捷性，液壓控制在工業上受到廣泛的重視。隨著電子技術的飛速發展，液壓技術與微電子技術、計算機技術、傳感器技術等的結合，使其又產生了飛躍性的進步，充分利用電子技術，走向智能化是液壓技術發展的必然趨勢［1］。本文介紹一種基于PLC（Programmer Logical Controller）控制結合伺服驅動器、壓力傳感器、數模轉化模塊實現的高精度液壓控制方法。

1 系統概述

本文中的液壓技術應用于電子行業特殊材料的壓合，液壓機需要在特定的位置完成特定工藝并且需要精確的壓力控制，在位置控制和壓力控制方面要求有高的響應速度、高的控制精度和重復精度。整個系統主要由液壓系統、電氣控制系統和人機界面組成，系統通過PLC實時采集位置數據和壓力數據，轉化成需要的流量值和壓力值輸出給伺服驅動器控制油缸電機轉速，從而實現主缸位置和壓力的精確控制。

1.1 液壓機主要結構

本設計采用的液壓機為三梁四導柱結構，分為液壓缸、上橫梁、活動橫梁、下壓臺板、導套、導柱，（結構示意圖如圖1所示）由主缸帶動中間活動橫梁實現快速下行、慢行、加壓、保壓、回程及懸停功能，最大行程82 mm，空載下行最大速度50 mm/s，最大壓力20 MPa。液壓原理圖如圖2所示。

1.2 系統基本控制原理

本系統對于液壓的控制主要在位置和壓力兩個方面。位置模式時，主要控制主缸運行到系統設定的期望位置，位移傳感器讀取比例尺獲得當前位置反饋給PLC，PLC根據與目標的差值判斷主缸要上升還是下降進而控制換向電磁閥，并在運動過程中實時讀取當前位置，控制輸出流量。壓力模式時，根據設定期望壓力，在PLC中轉換處理控制主缸電機轉動產生工作壓力，輸出的實際工作壓力又實時反饋回PLC，實現閉環控制，精確地控制實時輸出壓力［2］。基本控制原理圖如圖3所示。

圖1 液壓機結構示意圖

圖2 液壓原理圖

圖3 系統基本控制原理圖

2 PLC控制系統設計

2.1 PLC控制原理及框圖

本系統選用KEYENCE公司生產的KV-5000 （CPU）PLC作為控制系統的主機，配有AD模塊（KV-AD40）和DA模塊（KV-DA40），每個模塊各有4路通道。位移傳感器直接接入PLC CPU單元的高速計數口，PLC處理后得出位置值；AD模塊采集壓力傳感器的數據轉換后傳輸給PLC，PLC將流量和壓力值通過DA模塊傳輸給伺服驅動器控制主缸電機的運轉。控制系統框圖如圖4所示。

2.2 數據采集及轉換

該控制系統需要采集的數據包括主缸當前位置和主缸實時壓力。

位移傳感器讀取外置標尺上的刻度，通過A/B相高速脈沖口輸入給PLC，這里采用2倍頻的計數方式，當主缸回歸原點時，重置清零計數，由于位移傳感器對應的標尺最小刻度為0.05 mm，而實際工藝需要0.1 mm即可，為方便工藝使用在讀取計數值后又轉化了單位作為當前位置。位置采集及轉換程序圖如圖5所示。

圖4 PLC控制框圖

圖5 位置采集及轉換程序圖

壓力以模擬信號（輸入電壓1～5 V）輸入到KV-AD40模塊中，KV-AD40將模擬量信號轉換為A/D轉換數據，（定標值為0～12 500，對應壓力傳感器量程0～25 MPa），寫入到CPU單元的數據存儲器，根據實際情況，在PLC程序中進行了偏置和增益處理［3］，AD轉換程序如下：最終得到的DM118為實時的壓力值。

2.3 位置和壓力的控制

液壓機在整個生產過程中，分為位置控制和壓力控制兩種模式，在未接觸到產品時以位置控制模式運行，位置精度最高±0.1 mm；接觸到產品施加壓力時以壓力控制為主，壓力精度最高±0.1 kN［4］。系統采用的伺服驅動器為麥格米特MV600J注塑機專用伺服驅動器，適用于液壓機械工藝，該驅動器具有優化的PID控制算法，PLC輸出的壓力、流量值經過伺服驅動器的處理能夠獲得更穩定的輸出，實現壓力、流量的精準控制［5］。

位置控制時，PLC實時讀取出主缸當前位置，根據目標位置和當前位置差值判斷是否切換換向閥。在運行過程中首先以高速模式運行，同時判斷剩余距離是否在減速范圍（可設置）內，是否要切換到低速運行模式，這樣分段高低速相結合的運行方式即能保證工作效率又能減少高速狀態下停止時的沖擊，并減小停止時的振蕩周期，達到平穩到位的效果。位置控制程序圖如圖6所示。

圖6 位置控制程序圖

壓力控制時，設定的壓力和流量值經過PLC處理為D/A轉換數據通過KV-AD40模塊轉換為模擬量輸出給伺服驅動器，壓力和流量分別占用DA模塊的兩個通道，每個通道的輸出電壓都為0～10 V，定標值為0～10 000，對應輸出壓力范圍0～20 MPa，并對輸出范圍做了限制，DA轉換程序如下：

最終得到的DM79為輸出的壓力值。

PLC實時讀取當前的壓力值，和輸出壓力比較，判斷壓力是否達到設定范圍，并在保壓環節維持壓力的穩定輸出，在整個過程中PLC實時監控壓力是否異常，必要時終止輸出。壓力控制程序圖如圖7所示。

3 人機界面設計

系統采用的觸摸屏為KEYENCE VT3彩色工業觸摸屏，支持以太網通訊，最大通訊速率100Mb/s，有利于數據的實時監控，并且可以直接連接PLC的以太網口，方便、快鍵，便于調試、維護。

圖7 壓力控制程序圖

人機界面設計主要分為手動調試、參數設定、自動運行、報警4個部分。在手動調試界面中可以對相關的液壓閥進行開關操作，主缸電機伺服的開關、JOG操作、工藝動作分解操作；參數設定界面可以設置各工藝動作運行位置、各段壓力、加壓速度、保壓時間的參數；自動運行界面可在運行時監控主缸當前位置、壓力以及保壓時間計時顯示；報警界面負責顯示出液壓機異常信息，包括壓力異常、保壓時間異常等影響生產工藝的信息。圖8、圖9所示為手動調試界面和參數設定界面。

圖8 加壓調試界面

圖9 加壓參數設定界面

4 結束語

PLC應用到液壓控制系統中，能夠更好的滿足液壓系統的工藝要求，使得液壓設備達到更高的精度、高效穩定的運行，該控制系統已在實際生產中得到驗證。隨著自動控制技術滲透到各個領域，更多的控制方式需要加快升級、拓展應用、深入研究。

［1］劉國華，花容.現代液壓控制技術應用及發展［J］.淮南職業技術學院學報，2006，6（18）：40-43.

［2］劉俊，李文.基于PLC的液壓機控制系統設計［J］.機械制造與自動化，2011，40（1）：157-160.

［3］基恩士（中國）有限公司.KV-AD40V/DA40V/AM40V/ AD40G/AD40/DA40用戶手冊［Z］.上海：基恩士（中國）有限公司，2011.

［4］黃志堅.液壓系統控制與PLC應用［M］.北京：中國電力出版社，2012.107-113.

［5］深圳市麥格米特驅動技術有限公司.MV600J注塑機專用伺服驅動器用戶手冊［Z］.深圳：深圳市麥格米特驅動技術有限公司，2013.

Application of PLC in High-precision Hydraulic Control System

HE Yong，JING Xiaoli
（1.College of Information Engineering，Taiyuan University of Technology，Taiyuan 030024，China；2.The 2ndResearch Institute of CETC，Taiyuan 030024，China）

Hydraulic machines for the electronics industry with high accuracy requirements，the design of a high-precision hydraulic control system，using KEYENCE KV-5000 PLC as the master key，get real-time feedback through the acquisition of external data，the output value is transferred to the servo driver controls the movement of the hydraulic master cylinder.It describes the PLC in data acquisition，data conversion，pressure control，etc.，and the corresponding program.The practical application of the control system can meet the requirements of the production process，with high automation，high precision and high efficiency characteristics.

Hydraulic drive control；PLC（Programmer Logical Controller）；Hydraulic；Servo

TN948.43

B

1004-4507（2015）12-0032-06

何永（1983-）男，安徽黃山人，工程師，從事電子專用設備的研發工作。

2015-11-24

荊曉麗（1972-）女，山西運城人，高級工程師，從事電子專用設備的研發工作。