四缸電液伺服同步舉升實驗系統設計

倪 敬, 蒙 臻, 毋少峰, 王志強

(杭州電子科技大學 機械工程學院, 浙江 杭州 310018)

培養大學生的創新能力是我國新時代發展的必然要求,在當前創新創業浪潮驅動下,有效提高大學生的整體培養質量,尤其有針對性的提高拔尖大學生的深度創新能力,是保持國家核心競爭力的關鍵[1]。對于機械類大學生來說,機電一體化技術在實驗教學中起著越來越大的作用,而現有的教學實驗平臺大多存在綜合性不強、實現功能單一、實驗關聯性以及學生實操性低等缺點,難以實現多樣化的教學實驗要求[2],更不用說滿足拔尖型大學生創新能力的培養需要。本文面向大學生“深度應用與創新能力”的培養需要,設計了一種基于工業PLC的四缸電液伺服同步舉升教學實驗系統,融合了液壓傳動控制[3-8]、PLC自動控制[9-10]、精密傳感器[11-12]和機電傳動控制[12-14]等方面的知識和技術,能有效地完成機械和自動化等專業的基礎性教學實訓任務。同時,PID控制算法、單液壓缸PID控制實驗和四缸同步驅動PID控制實驗部分的加入,將同步驅動理論、自動控制理論與實驗系統有機地結合在一起,使實驗系統實現了進階化、精密化、創新化、先進化和工程化。通過本文設計的教學實驗系統的實訓,可以極大地提高拔尖型大學生自主學習和自主創新實踐能力。

1 實驗系統工作原理與性能指標

1.1 實驗系統簡介

實驗系統采用如圖1所示的整體框架結構,主要由底部框架、4個導向柱、活動框架(負載)、頂部框架、4個閥控液壓缸機構、液壓油源和PLC控制柜組成。

圖1 實驗系統總體結構示意圖

單閥控單缸伺服驅動工作原理:在每一個控制周期Ts內,控制系統首先根據加減速時間,舉升行程和最大速度來確定當前時刻單液壓缸的指令位置數值r(t)；然后系統對液壓缸活塞實際位置數值y(t)采樣,將指令曲線數值與實際位置數值做差形成跟蹤誤差e(t)=r(t)-y(t)；再利用跟蹤誤差,進行如式(1)的PID控制運算,得到當前時刻控制輸出u(t),接著將計算輸出u(t)進行數模變換后輸出到比例閥線圈上,比例閥開啟相應的閥口開度,實現液壓缸活塞相應的推出和縮回；最后通過不斷重復每一個控制周期,最終驅動液壓缸達到指令位置r(t=te),te表示控制終止時間。當t=kTS,k為正整數,式(1)就可轉變為直接用于編程的數字式PID控制算法。

(1)

式中KP、KI和KD分別為比例、積分和微分控制參數。

(2)

四缸電液伺服同步舉升工作原理:首先在每一個控制周期內,必須要以1號液壓缸位置y1(t)為基準,計算同步誤差ei1(t)=yi(t)-y1(t),一旦同步誤差|ei1(t)|≥em時,em為一設定值,系統驅動將強制被停止,以保證驅動過程的安全；然后,才是類似單閥控單缸的四閥控四缸各自伺服驅動過程。在每一個控制周期Ts內,采用“等同式”同步控制理論,4個單閥控單缸驅動機構都以同樣的r(t)為指令位置數值,而后獲得各自的跟蹤誤差ei(t)=r(t)-yi(t),i=1,2,3,4,從而以ei(t)為基礎,分別執行四個PID控制算法,獲得和輸出相應的ui(t),完成相應的驅動控制。

1.2 實驗系統的具體性能指標

本文設計的實驗系統的主要性能指標如下:

(1) 額定負載:1 000 kg(四缸驅動)；

(2) 同步舉升行程:0～450 mm；

(3) 同步舉升速度最大速度:200 mm/s；

(4) 加減速時間:0.5 s；

(5) 各液壓缸間的穩態位移誤差:≤0.02 mm；

(6) 各液壓缸間的動態位移誤差:≤0.05 mm。

2 實驗系統的液壓油源設計

實驗系統涉及的液壓油源,可以輸出額定壓力為10 MPa和額定流量為120 L/min的液壓能,其液壓原理圖如圖2所示。具體液壓油源由供油回路和冷卻回路兩大部分組成,供油回路主要由兩套葉片泵供油回路并聯而成,冷卻油路也由一套葉片泵供油和換熱回路串聯而成。每一套葉片泵供油回路由過濾器5、葉片泵2、電磁溢流閥6、壓力表13和單向閥12組成。具體油泵的輸出壓力由電磁溢流閥調定。工作油液的輸出經過蓄能器4、壓力繼電器10和三路高壓球閥11控制實現。

圖2 實驗系統液壓油源原理圖

3 實驗系統電液伺服驅動機構設計

3.1 四閥控四缸伺服驅動液壓原理設計

為安全可靠實現四缸同步舉升實驗,如圖3所示,采用了4組單閥控單缸并聯驅動回路設計模式。每組單閥控單缸驅動回路分別由舉升伺服液壓缸、安全閥、背壓閥、鎖緊閥和比例閥組成。安全閥是一種溢流閥,保證舉升過程中液壓缸兩腔的安全壓力；背壓閥也是一種溢流閥,用于抵消重力負載；鎖緊閥是一種兩位三通電磁球閥,泄漏小,實現液壓缸的長時間位置鎖死；比例閥是一種換向滑閥,其開口大小與控制信號成正比,從而可以實現向液壓缸輸送油液流量的控制。

圖3 四閥控四缸同步舉升液壓原理圖

3.2 伺服液壓缸應用設計

伺服液壓缸是本實驗臺的核心部件之一,是在普通液壓缸結構的基礎上,加裝磁致伸縮位移傳感器(以下簡稱傳感器)而成。具體伺服液壓缸的內部結構如圖4所示,由前后端蓋、缸筒、空心活塞、空心活塞桿、動密封、中間耳軸和傳感器組成。傳感器安裝于液壓缸的后端蓋處,其測量部分伸入活塞和活塞桿內,活動磁環安裝于活塞上。具體測量過程:首先由傳感器的電子室產生電流脈沖,該電流脈沖在波導管內傳輸,在波導管外產生一個圓周磁場；接著當該圓周磁場和活動磁環(套在波導管上作為位置標記)的磁場相交時,就會產生磁致伸縮效應,即波導管內會再產生一個扭轉應力波脈沖信號；然后這個信號以固定的聲音速度向電子室傳輸,并迅速被檢測到。這樣,通過精確測量傳輸時間,就可以高度精確地確定這個距離,精度可以達到1 μm,響應速度可達1 ms。

圖4 伺服液壓缸和位移傳感器結構

4 實驗系統電氣控制設計

4.1 電氣系統設計

4.1.1 實驗系統配電原理設計

根據四缸同步舉升速度和行程的要求,實驗系統的配電系統設計如圖5所示,主要由兩臺主油泵電機供電回路、一臺冷卻油泵電機供電回路和相關開關電源供電回路組成。開關電源回路主要向PLC的電源模塊、數字輸入回路、數字輸出回路、模擬量輸出回路、比例閥供電回路和工控機供電。系統配電設計主要體現實驗系統的總功率消耗和主要用電器分布。

圖5 實驗系統配電原理設計

4.1.2 油泵電機的控制回路設計

實驗系統的液壓油源配置有兩臺葉片泵,分別由兩臺三相交流異步電動機驅動。每一臺油泵電動機的控制回路如圖6所示,主要由強電和弱電回路組成。強電回路中的3大接觸器KM1、KM1Y和KM1△相互配合,完成電動機繞組“Y-△”接法的轉換。熱繼電器FR和空氣開關QF2主要提供電動機的過流保護。弱電控制回路在PLC程序的指引下,執行對3個接觸器的控制動作。

圖6 油泵電機的控制回路

4.1.3 PLC控制系統設計

根據四缸同步舉升過程的高同步誤差要求,實驗系統采用西門子中高端S7-300PLC實現,具體配置見表1。其中CPU315-2DP、SM321、SM322、SM338和SM332組成主控制器,完成四缸同步舉升過程的所有控制信號輸入、運算和輸出。同時,CPU315-2DP基于PROFIBUS-DP總線,通過STEP7軟件實現對CPU224的組態和通信控制,完成對油源的起停控制。此外,CPU315-2DP通過CP5611卡實現與上位監控電腦之間的數據交接。

表1 實驗系統PLC系統硬件配置

4.2 PLC控制軟件設計

基于西門子S7-300PLC編程STEP7軟件平臺,根據實驗系統的工作原理,四閥控四缸伺服同步舉升過程PLC控制軟件原理框圖見圖7。該控制軟件主要由主程序OB1塊和定時中斷OB35塊組成。

圖7 實驗系統PLC程序原理框圖

主程序模OB1塊主要負責液壓油源和操作面板等中數字量輸入輸出控制工作。

定時中斷OB35塊是核心模塊提供1～10 ms的定時中斷,即控制周期,主要負責四閥控四缸的驅動控制,可以分為手動曲線發生FB1塊(背景數據塊DB1)、自動曲線發生FB2塊(背景數據塊DB2)、PID運算FB3塊和運行數據暫存FB4塊(背景數據塊DB4)。FB1塊(背景數據塊DB1)和FB3(背景數據塊DB3)用于實現按鈕點動模式下四缸同步舉升的驅動過程；FB2塊(背景數據塊DB2)和FB3(背景數據塊DB31)用于實現按鈕自動模式下四缸同步舉升的驅動過程,即一鍵實現一段預定位置的四缸同步舉升的驅動過程；FB4塊(背景數據塊DB4)用于記錄四缸同步舉升過程中四個液壓缸的位移數據,供監控系統查詢和繪制實驗結果。此外,還有位置PV讀取和位置判斷報警模塊,主要是對ei1(t)的處理和系統安全保護。

4.3 監控軟件系統設計

基于Borland C++編程軟件平臺,根據實驗系統的工作原理,設計的四閥控四缸伺服同步舉升過程監控軟件界面如圖8所示。該監控軟件主要由PLC通信模塊、點動調試模塊、點動伺服模塊和自動伺服塊組成。

PLC通信模塊基于CP5611卡和通信動態連接庫函數,主要用于測試PLC與上位工控機的通信連接,將PID控制參數下載到PLC和讀取PLC采樣的數據等功能。

點動調試模塊主要用于測試單閥控單缸伺服驅動機構,可實現指令位置曲線生成,PID控制參數調整,跟蹤誤差作圖與評價等功能。

點動伺服模塊的監控界面如圖8所示,主要用于點動測試四閥控四缸同步舉升機構,可實現指令位置曲線生成,四缸PID控制參數調整,跟蹤誤差、速度曲線和同步誤差作圖與評價等功能。

圖8 四缸同步舉升點動伺服監控界面

自動伺服模塊主要用于在手動伺服模塊的基礎上,測試四閥控四缸同步舉升機構的一鍵完成指定距離運行性能。

5 實驗設計

(1) 機電傳動控制實驗。本實驗屬于基礎型實驗,通過實驗觀察油泵三相交流異步電動機“Y-△”起動和停止情況,認識開關電源、空氣開關、繼電器和接觸器,以及常用電纜、端子、端子排、線槽和線扎等電氣附件,并應用機電傳動知識繪制電動機控制強電和弱電回路圖,讓學生在操作中理解掌握機電傳動知識。

(2) 液壓傳動實驗。本實驗屬于基礎型實驗,通過實驗觀察液壓傳動回路動作,認識油源中油箱、蓄能器、濾油器、葉片泵、電磁溢流閥、球閥、單向閥、電磁比例閥和液壓缸等常用液壓元件,結合應用液壓傳動知識繪制液壓傳動原理圖,組織學生拆裝電磁換向閥,增加學生的實驗參與度和對液壓系統的認識。

(3) PLC邏輯編程實驗。本實驗屬于基礎型實驗,通過使用編程軟件STEP7,編寫實驗臺油源中三相異步電動機的“Y-△”起停控制程序和4個比例閥控制4個液壓缸的順序動作程序,讓學生認識PLC的程序執行過程,培養學生的邏輯思維和編譯能力。

(4) 磁致伸縮位移傳感器實驗。本實驗屬于基礎型實驗,通過觀察磁環在不同位置時的傳感器信號輸出,讓學生認識與理解磁致伸縮位移傳感器的工作原理,感受精密和高精密測量技術。

(5) Profibus-DP總線實驗。本實驗屬于進階型實驗,通過使用編程軟件STEP7,使用S7-300PLC實現S7-200PLC的組態,并完成數字量、模擬量和特殊功能模塊地址分配,加深學生對現場總線技術的理解,感受總線通信與現場總線控制技術的前沿。

(6) PID控制編程實驗。本實驗屬于進階型實驗,通過對PID控制算法結構框圖的理解,學生自行編寫PID控制程序,并進行單個液壓缸的伺服驅動控制實驗,體會伺服控制過程中比例,積分和微分參數的調整對液壓缸運動所帶來的精度、響應速度和振動等影響,增強學生的學習興趣。

(7) 四缸同步舉升實驗。本實驗屬于高階型實驗,通過對四缸同步驅動控制算法結構框圖的理解,學生自行編寫四缸同步舉升PID控制程序,并進行相應的控制實驗,深入體會影響同步驅動誤差和同步驅動速度的因素,培養學生的創新實踐能力。

6 結語

本文設計的四缸電液伺服同步舉升系統具有以下特色與創新之處;

(1) 實驗系統配置了PID控制技術、電液伺服驅動技術、位移傳感技術、機電傳動控制技術、現場總線技術和PLC控制技術,能有效地滿足不同高等院校機械和自動化學科多專業的基礎型單項教學實驗任務。

(2) 本系統集液壓伺服執行機構、電氣元件、PLC硬件、PLC控制軟件和上位監控軟件與一體,功能完備,實訓難易程度可以根據教學目標設定調整,能有效滿足拔尖型大學生進階型培養所需的實驗要求。

(3) 實驗系統融合同步控制理論、PID控制算法、高精度位移傳感器和現場總線技術,充分體現了現代機電液一體化控制技術水平,保證了教學實驗系統的先進性與創新性。