一种电气比例阀的压力调控方法

张素枝，尹逍渊

(中国电子科技集团公司第二研究所，山西太原030024)



一种电气比例阀的压力调控方法

张素枝，尹逍渊

(中国电子科技集团公司第二研究所，山西太原030024)

摘要：为了实现丝印机丝印压力连续稳定可调，并获得较高的压力控制精度，使用SMC高速开关电磁阀型电气比例阀以及松下FP2系列PLC、模拟量输入模块、模拟量输出模块来控制压力。设计了一种预先计算电气比例阀二次侧最大输出压力的方法，利用电气比例阀自身的线性特性，进行丝印机丝印刮刀压力的调控，实现了系统所需的精度要求。

关键词：电气比例阀；模拟量；调控；压力

压力是现代工业生产过程中最常用的过程控制参数,如何对压力进行精确控制直接关系到能否提高工业生产质量、降低生产成本等关键技术问题[1]。随着电子、材料、控制理论及传感器等科学技术的发展，气动比例／伺服控制技术得到了快速提高。以比例／伺服控制阀为核心组成的气动比例／伺服控制系统可实现压力、流量连续变化的高精度控制，能够满足自动化设备的柔性生产要求[2]。利用气动比例阀构成压力控制系统，具有精度高、响应快，成本低的优点。

1　电气比例阀

气动比例控制阀能够通过控制输入信号(电压或电流)，实现对输出信号(压力或流量)的连续成比例控制。气动比例阀的控制信号均为电信号，故又称电气比例阀（如图1所示）。电气比例阀是一种气压随输入电压或电流的变化呈线性比例输出的减压阀。它属于线性连续控制，其特点是输出量随输入量的变化而线性变化。比例控制有开环控制和闭环控制之分，闭环控制系统当系统输出量的实际值偏离希望值时，系统自动进行纠正，使输出量向着接近希望值的方向变化，从而保持输出量与输入量的一定比例关系[3]。

图1　电气比例阀

电气比例阀作为传统的气压和流量控制部件，可分伺服阀、比例阀和高速开关电磁阀三类，这些阀门应用于压力和流量的控制具有不同的特性，压力控制精度和控制稳定性也不相同[4]。而开关电磁阀型电气比例阀由于使用了高速开关电磁阀，控制上使用了PWM脉冲调制，使其能够达到很高的控制精度，在印刷行业具有广泛的应用。

开关电磁阀型电气比例阀原理如图2所示。其电控调压装置由进、排气高速开关电磁阀、压力检测传感器和控制电路构成。当有输入信号时，进气电磁阀打开，排气电磁阀关闭，主阀向先导腔供气，主阀芯下移，输出二次压力。同时二次压力值由压力传感器检测，并反馈到控制电路。控制电路以输入信号与输出二次压的偏差为基础，用PWM控制方式驱动进、排气电磁阀，实现对先导腔压力的调节，直到偏差为零，进、排气电磁阀均关闭，主阀芯在新的位置上达到平衡，从而得到一个与输入信号成比例的输出压力[5]。

图2　开关电磁阀型电气比例阀原理

2　系统组成

丝印机压力调控系统由电气比例阀、丝印刮刀控制气缸、丝印刮刀、松下FP2模拟量输入模块、模拟量输出模块、维纶触摸屏组成，如图3所示。工作原理：在触摸屏上设定丝印刮刀的工作压力,由PLC计算并转换为模拟量输出模块所需的数字量，由模拟量输出模块输出一定的电压值到电气比例阀，电气比例阀根据给定的电压信号进行二次压力输出，由内置的压力传感器检测到达设定压力值，即完成一次压力调节。

图3　丝印机压力调节系统组成

丝印刮刀采用两个外径10 mm，内径5 mm的气缸驱动，气体压力作用面积为：

系统要求压力范围为10～200 N，故气压控制系统能够达到的最大气压为：

并且要求气压控制精度达到，控制精度要求高，所以选用控制精度较高的开关电磁阀型电气比例阀，同时由于要求电气比例阀的最大压力输出大于0.42 MPa，故选用SMC公司型号为ITV1050-312CN3-Q的电气比例阀，最大压力输出可以设定为0. 9 MPa。加压控制的精度不仅取决于电气比例阀的精度，气缸的摩擦阻力特性影响也很大。标准气缸的摩擦阻力要随着工作压力、运动速度等因素变化，难于实现平稳加压控制，所以选用低速、恒摩擦阻力气缸。

3　压力调控方法

SMC公司型号为ITV1050-312CN3-Q的电气比例阀，输入信号为电压0～10 V，内置压力检测传感器，压力传感器输出信号为1～5 V，最大压力输出可以设定为0.9 MPa。

相应的选用松下模拟量输入模块FP2-AD8VI，通过范围设定开关，设定其输入范围为1～5 V；其模拟量输出模块FP2-DA4，选定其为电压输出-10～+10 V。模拟量模块的输入输出特性如表1、表2，图4、图5所示。

表1　模拟量输入（范围1～5 V）

表2　模拟量输出（范围-10～+10 V）

图4　模拟量输入特性（1～5 V）

图5　模拟量输出特性

由于此款电气比例阀可以设定的最大值为0.9 MPa，模拟量输入对应的数字量范围为0～13107，故压力值与模拟量输入数字量存在固定的比例关系，即1 MPa的数字量为K0=13107/0.9=14563；

但是对于不同的F2（电气比例阀二次侧输出的最大压力值），给定相同的模拟量输出值，压力传感器检测返回的气压值是不同的（见图6），因此在进行压力控制之前，必须事先知道F2的值。由于F2是在电气比例阀面板上设定的值，并没有通过通信或其他方式发送给PLC，因此，F2也是一个变量，需要在每次运算前进行计算。

图6　控制量与检测值的关系

F2计算出来之后，再根据设定的压力值计算出模拟量输出值，实现精确的压力控制。因此制定了丝印机压力调控算法步骤：

(1)计算F2；

计算的思路则是给定已知输出Ky，其对应的气压值为Py，则它们之间满足：而采集回来的模拟量输入值Kx与Py满足：

联立式(1)、(2)，可以解得：

(2)根据设定的千克M1，计算期望的压力值P1（单位：MPa）：

(3)根据期望压力值P1计算模拟量输出控制值Kout以及期望的检测值Kext；

F2对应模拟量输出的最大值2 047，故有：

将式(3)、(4)代入可得

（4）再对Kout进行输出后，采集压力传感器给出的气压值Kin；并由此计算压力调控系统的误差。压力调控系统的误差计算公式：

一组误差分析如表3所示，能够满足系统精度要求。

表中，Ky、Kx、Kout、Kext、Kin均为无量纲数字。

表3　误差分析

4　结　论

本文采用高速开关型电气比例阀作为执行元件，与PLC和模拟量输入输出模块构成闭环控制系统。通过预先计算电气比例阀二次侧的最大输出压力，利用电气比例阀自身的线性输出，就能很好地实现丝印机刮刀压力的调节与控制。具有结构简单、工作可靠、控制精度高等特点，可以应用于类似其他需要压力连续稳定调节、精度要求高的设备，具有一定的推广应用价值。

参考文献：

[1]孟继梅，韩晓明.基于闭环控制的压力控制系统研究[J].液压与气动，2009，(9)：31-33.

[2]沈月忠，姜澄宇，王仲奇.一种比例阀压力控制系统数学模型的建立[J].现代制造工程，2006，(11)：94-96.

[3]肖秦梁，李更生，乔宇，等.电气比例阀在液压夹具中的应用研究[J].机床与液压，2014，(42)1：31-33.

[4]赵建梅，谢有宝.电气比例阀气压控制系统数学模型的建立及研究[J].科技信息，2008，(2)：82-83.

[5]蔡茂林.气动伺服控制[J].液压气动与密封. 2008，(3)：60-63.

张素枝（1983-），女，山西省太原市人，工程师，在职硕士，主要从事电气硬件设计与PLC软件设计工作。

Method for Pressure Control of an Electric Proportional Valve

ZHANG Suzhi, YIN Xiaoyuan
(The 2ndResearch Institute of CETC，Taiyuan 030024，China)

Abstract:In order to achieve continuous and stable adjustment of screen printing pressure, and to obtain high pressure control accuracy in the screen printing machine, used SMC electrical proportional valve of which is high speed switching solenoid, employed Panasonic FP2 series PLC, and analog input module, and analog output module to control the pressure. Designed a pre calculated method of electric proportional valve secondary side of maximum output pressure, token advantage of linear characteristics of electric proportional valve to control the scraper pressure of screen printing machine . The result turned out that the required accuracy of the system is achieved.

Keywords:Electric proportional valve；Analog value；Regulate and control；Pressure

作者简介：

收稿日期：2016-02-29

中图分类号：TN605

文献标识码：B

文章编号：1004-4507(2016)04-0056-04