基于PLC的電磁比例閥控制設計研究

林文城

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基于PLC的電磁比例閥控制設計研究

林文城

（廈門海洋職業技術學院，福建廈門361012）

針對傳統電磁比例閥存在的問題，研究了電磁比例閥控制系統的硬件組成、系統控制原理及軟件的設計。開發出以西門子s7系列可編程控制器為核心的電磁比例閥控制模式，提升常規電磁閥比例閥在控制精度、抗干擾能力和響應速度等方面的技術要求。

電磁比例閥 PLC PWM

0 引言

比例閥具有抗污染能力強和性價比高的特點，在液壓系統中獲得廣泛應用。以電磁式比例閥為例，根據輸入電信號的大小與能使其產生的電磁力成比例的特點，調整電信號的數值來獲得對應的電磁力，來實時控制液壓閥閥芯的位置，進而獲取相應的壓力、方向和流量。在實際應用的過程中，電磁比例閥也顯現出一些不足，比如電磁鐵過熱、滯環大、存在死區和控制精度偏低等等。基于此，設計了以西門子s7系列PLC為控制核心，上位機采用TD200觸摸屏結合工業組態軟件來監控電磁比例閥的輸出，另外也完成其運行壓力、方向或流量等技術參數的設定、信息存儲和顯示等功能。

1 電磁比例閥控制系統的硬件組成

如圖1所示，電磁比例閥控制系統選擇Siemens PLC 226作為下機位，選擇Siemens EM235作為輸入輸出擴展模塊，壓力傳感器、位移傳感器和流量傳感器等與PLC相連。上位機選擇帶串行通訊口的TD200觸摸屏，利用RS232／485 轉換器與PLC通信，實現人機界面，從而實現電磁比例閥運行的控制。

2 系統控制原理

在TD200 觸摸屏上設定電磁比例閥的輸出參數值，數模轉換后，由PLC控制模塊經過PID運算后輸出控制信號，該信號經過脈沖輸出指令轉換為PWM信號。PWM信號經過開關式放大電路放大，驅動電磁比例閥的銜鐵運動，改變閥芯的位置，獲得液壓相應的參數值。利用傳感器采集電磁比例閥的輸出參數值，并轉換為反饋模擬信號傳至轉換器EM235，模擬信號轉換為數字信號，該數字信號由PLC控制模塊經過PID運算后輸出控制信號，調整PWM輸出數值，改變閥芯的位置，降低調節偏差數值，提高電磁比例閥控制輸出壓力的精度。

圖1 電磁比例閥控制系統的硬件組成框圖

圖2 電磁比例閥控制流程圖

3 軟件設計

運用編程軟件STEP7和組態王，分別開發下位機PLC程序和上位機監控界面，實現電磁比例閥的快速輸出和精確控制。

3.1 PLC控制程序的設計

3.1.1 PLC的工作原理

在數據采集階段，PLC依次掃描讀取所有輸入狀態和技術參數，并存入I/O映象區中的對應單元內。結束數據采集后，開始運行用戶程序以及輸出數據階段。在這期間內，輸入狀態和技術參數數值即使發生變化，I/O映象區中對應單元內狀態和數值也不會隨之改變。例如，為了確保脈沖輸入信號在任何狀態下能被讀入，則該脈沖信號的寬度需要超過一個掃描周期。按照用戶編寫程序的次序，PLC周期性循環掃描，從第一條指令開始，逐條執行用戶的程序直到結束，然后循環開始執行第一條指令，不停重復著。PLC掃描工作內容除了執行用戶程序之外，還需要完成其它工作，如輸入輸出處理、通訊服務和自診斷等。

3.1.2 PLC控制程序開發

按照電磁比例閥控制系統的特點和要求，設計PLC控制程序，并將程序分解多個子程序模塊，以控制液壓系統壓力為例，設計電磁比例閥的控制流程如圖2所示。

1）數據的采集

CPU226擁有光電隔離的16路數字量輸出和24路數字量輸入，1路模擬量輸出和4路模擬量輸入，配備2個RS-485串行口，其中一個接人機界面TD200觸摸屏；EM235模塊可選擇4-20 mA電流輸入，并可自行設置模擬量輸入范圍和分辨率，故可搭配比例閥中各類傳感器，PLC采集到的模擬量將按順序放在寄存器內；TD200觸摸屏可以顯示文本信息，擁有技術參數的顯示和修改、輸入和輸出的設定和強制I／O點診斷功能等。

2）PID運算

如圖3所示，電磁比例閥控制系統依靠Siemens PLC 226，實現液壓系統油壓的PID控制。采集的數據中，閥后油壓是PLC實現負反饋控制的最重要數據，其測量值()由壓力傳感器獲取并轉化為4-20 mA電流數值，此電流數值經過數模轉換輸出數字信號。由PID運算得，該測量值()與目標值()兩者的閥后油壓偏差()，根據偏差數值結果，PLC輸出()，利用電流的變化來調整電磁力的數值，從而驅動銜鐵調節比例閥的開度，從而控制閥后的油壓，保證液壓系統的油壓()在設定的范圍內。

圖3 負反饋系統方框圖

PID輸出()與輸入()的關系式為：

式(1)中：()=()-()—閥后油壓偏差；(t)—閥后油壓目標值；()—閥后油壓測量值；()—液壓系統油壓值；()—PID回路的輸出值；0—回路輸出的初始值，K—比例控制增益；T—積分時間常數；T—微分時間常數。針對電磁比例閥的工作原理和結構特點，確定系統參數的采集周期T，從而離散化PID輸入輸出關系公式，最終獲得系統采集第n次數據時的輸出公式為：

式(2)中：—數據采集周期；—數據采集次數，=1，2，3……；e()—第次數據采集時的油壓偏差；()—第n次采樣時刻PID回路輸出。

3）脈寬調制輸出：

根據控制系統反饋回來的閥后油壓偏差來調節占空比，輸出PWM調整控制信號，該PWM輸出信號經過開關式放大電路轉換成電磁鐵所需的電流信號，這樣就可以連續地控制通過比例線圈平均電流，從而通過控制比例閥開口大小來控制閥油壓，使自動控制電磁比例閥閥后油壓差在設定的范圍內。另一方面，PWM的開關型電路的控制模式，將使普通電磁閥的發熱降低至最小；保持閥芯的顫振可以提高響應速度和消除污染物；利用反饋裝置減少滯環；通過電子補償和消除電路來減輕死區的影響和抗干擾性強。

3.2 上位機監控軟件開發

TD200觸摸屏將按照設定采樣時間間隔，顯示電磁比例閥的實時閥后油壓，另一方面，技術人員也根據實際工作要求，臨時調整相關技術參數的目標值，保證液壓系統安全高效的運轉。

4 結束語

與傳統的電磁比例閥相比，基于PLC的電磁比例閥控制凸顯出明顯的優勢，如抗干擾能力強、控制精度高、發熱量輕、性能可靠、滯環和死區影響小等等。同時，采用PLC控制電磁比例閥，軟件編程簡單，且具備通用性，可以考慮在其它比例閥、變量油泵和油馬達等液壓設備上推廣應用。

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Design and Research of Electromagnetic Proportional Valve Control Based on PLC

Lin Wencheng

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

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TP21

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1003-4862（2018）12-0033-03

2018-07-13

林文城(1975-12)，男，副教授。研究方向：船舶輔機自動控制和維護管理。E-mail: jyyxyy@126.com