基于PLC的變量泵控制設計研究

林文城

基于PLC的變量泵控制設計研究

林文城

(廈門海洋職業技術學院，福建廈門 361012)

針對傳統液壓伺服式變量泵存在的問題，開發出基于PLC的變量泵控制系統。該系統通過采集變量泵的排量和PID計算，輸出PWM信號，來控制步進電機的步距角，并驅動泵的變量機構，最終確保變量泵的排量維持在某一設定值上。本文介紹變量泵系統控制原理、組成和軟件設計。該控制系統可提高變量泵流量的控制精度和抗干擾能力等，與傳統的變量泵相比,在2 min測試時間內泵的平均出口流量波動率下降了78.8%，過渡時間減少62.3%。可以考慮在液壓系統其它設備元件上推廣應用。

變量泵 PLC PWM

0 引言

在液壓系統中，作為動力元件的雙向變量泵，向執行元件提供高壓油，控制執行元件的運動方向和速度。液壓泵的常見控制參量方式，有壓力、功率和排量等。為了調節執行元件的運動速度，需要去控制執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。以國產公稱壓力為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構來調節控制桿的位移，從而控制斜盤的傾斜角度，調整變量泵柱塞的有效行程，來獲得相應的排量，最終控制執行元件的運動速度。雖然這種控制方式結構簡單、成本低，但是存在控制偏差大，動作遲緩和調節過度等不足。

為了解決以上問題，特設計基于PLC的變量泵控制系統，具體是利用PLC驅動步進電動機的控制模式，來代替直接采用控制桿控制變量泵的傳統控制方式。運用這一控制系統，將提高變量泵排量的控制精度，對油質不敏感，抗干擾能力增強，響應動作快等。

1 控制系統的硬件組成

執行控制CY14-1B系列斜盤式軸向柱塞變量泵流量的，分別是步進電動機、液壓伺服變量機構和變量泵斜盤。基于PLC的控制系統，是用來控制步進電動機的位移量，從而控制變量泵的排量。如圖1所示，該控制系統的下機位和下位機分別采用臺達DVP14ES00R2 PLC和Eview MT 506L觸摸屏，通過輸入輸出擴展模塊，位移傳感器、流量傳感器和壓力傳感器等模擬信號傳送給PLC，經過PID運算后輸出信號控制液壓變量機構的動作，同時借助觸摸屏與下位機的通信，建立人機界面，實時精確控制變量泵的排量。

圖1 變量泵控制系統硬件簡圖

2 系統控制原理

根據液壓系統執行元件的運行速度要求，來確定變量泵的排量值，這樣就可以在上位機上設定對應的參數值，經過數模轉換后，由下位機運算輸出數字脈沖信號。該數字脈沖信號與步進電機的步距角成正比，用來控制步進電機的轉動角度和位移量。而接受脈沖信號后，步進電機將旋轉對應的角度，驅動伺服液壓機構中的隨動活塞運動，從而通過軸銷驅動變量泵的斜盤轉動并獲得相應的傾斜角。這樣，在轉速不變的前提下，改變了變量泵柱塞的有效行程，實現液壓系統變量泵流量和執行元件運動速度的控制。同時，利用傳感器實時采集變量泵流量和執行元件速度的數值，經模數轉換后，經過PID重新運算后輸出PWM，來實時修正變量泵斜盤的傾斜角度，降低泵排量的調節偏差，提高控制液壓系統執行元件速度的穩定性。

3 軟件設計

依據下位機設計思路和上位機控制內容的總體要求，選擇相應的編程軟件來實現程序的開發。

3.1 PLC控制程序的設計

利用傳感器的數據檢測，PLC讀取變量泵的技術參數，執行用戶指令并進行PID計算，輸出PWM信號驅動變量機構，調整變量泵的參數，并將調整后的數據反饋回控制器，實現閉環控制。以控制變量泵的排量為例，將PWM信號轉換為步進電機的步距角，控制液壓變量機構來調整斜盤，實現變量泵流量的改變，最終滿足液壓系統執行元件的速度要求，控制流程圖如圖2所示。

圖2 變量泵控制流程圖

1）數據的采集

根據設計思路，間斷采集液壓系統中變量泵的模擬信號和開關量，例如變量泵的實時排量、油壓、油溫和功率等數值，經過傳感器轉換電信號，模數變換后成為數字信號送往下位機。同時依據液壓系統的工作需要，在觸摸屏上輸入相應技術參數數值，也傳輸至下位機進行處理。

2）安全保護

排油壓力過大、超負荷、吸油壓力過低、油液溫度過高、長時間處于零排量和斜盤傾角過大等非正常運行狀況，將直接造成泵結構的損傷，甚至直接無法運轉，縮短變量泵的使用壽命。因此，液壓系統運行中，變量泵的控制系統應考慮設置油壓壓力異常保護、過電流保護、高溫保護和傾角保護等。

3）PID運算

在變量泵控制系統的PID運算中，采集泵排量這一技術參數的數值，是PLC實現閉環控制的前提，如圖3所示。由流量傳感器檢測的變量泵排量輸出值()，數模信號轉換后獲得測量值()，傳送至PLC進行PID運算，計算出測量值()和設定值()的排量偏差()。為了在穩態和動態下排量偏差()都接近于零，PLC輸出()，從而控制步進電機的步距角來調整變量泵斜盤傾角的度數，改變柱塞的有效行程，從而控制變量泵的實際排量() 穩定在某一設定值上，避免液壓系統執行元件運動速度大幅度波動。

圖3 負反饋系統方框圖

PID輸出()與排量偏差()的關系式為：

式(1)中：()=()-()—排量偏差；(t)—變量泵排量設定值；()—排量測量值；()—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—積分時間常數；T—微分時間常數。根據液壓系統的技術要求和變量泵的結構特點，選擇技術參數的采集頻率，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()—第次數據采集時的排量偏差；()—第n次采樣時PID輸出。

4) PWM輸出

在變量泵控制系統中，根據變量泵排量偏差值，產生PWM輸出信號。利用電磁作用原理，脈沖信號轉換為步進電機的角位移，每輸入一個脈沖，電機輸出軸獲得一個相應的步距角，實現步進運動。PWM輸出信號的脈沖數和頻率，決定了步進電機的步距角和響應速度，而步進電機驅動液壓變量機構中隨動活塞的運動位移，帶動變量泵的斜盤轉動到對應角度，來改變了泵的實際排量。當變量泵的實際流量與設定值相符時，PWM輸出信號趨于為0，確保變量泵的排量維持在某一設定值上。

3.2 上位機監控軟件開發

為開發變量泵控制系統的人機界面，采用組態軟件來控制MT506L觸摸屏。該觸摸屏可以動態顯示變量泵的運行狀況，而且可以根據液壓系統的工作需要，實時方便實現變量泵技術參數和系統數據掃描周期等的調整。

4 結論

與傳統的變量泵相比，基于PLC控制的變量泵，在運行過程中可以精確地完成技術參數的調整和控制，在2 min測試時間內泵的平均出口流量波動率下降了78.8%。此外該控制系統響應快，過渡時間減少62.3%，而且可靠性和抗干擾能力強、有利于軟起動和輸出合理的負載功率，同時保持設備處于理想狀態，提高操控性能，節能減排在10%～15%范圍內。同時借助方便地實現與其他電子控制器通信的特點，可以進一步開發該控制系統的網絡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

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1003-4862（2021）11-0024-03

2021-03-15

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