基于PLC的电磁比例阀控制设计研究

2019-01-17林文城

船电技术 2018年12期

关键词：技术参数油压触摸屏

林文城

基于PLC的电磁比例阀控制设计研究

林文城

（厦门海洋职业技术学院，福建厦门361012）

针对传统电磁比例阀存在的问题，研究了电磁比例阀控制系统的硬件组成、系统控制原理及软件的设计。开发出以西门子s7系列可编程控制器为核心的电磁比例阀控制模式，提升常规电磁阀比例阀在控制精度、抗干扰能力和响应速度等方面的技术要求。

电磁比例阀 PLC PWM

0 引言

比例阀具有抗污染能力强和性价比高的特点，在液压系统中获得广泛应用。以电磁式比例阀为例，根据输入电信号的大小与能使其产生的电磁力成比例的特点，调整电信号的数值来获得对应的电磁力，来实时控制液压阀阀芯的位置，进而获取相应的压力、方向和流量。在实际应用的过程中，电磁比例阀也显现出一些不足，比如电磁铁过热、滞环大、存在死区和控制精度偏低等等。基于此，设计了以西门子s7系列PLC为控制核心，上位机采用TD200触摸屏结合工业组态软件来监控电磁比例阀的输出，另外也完成其运行压力、方向或流量等技术参数的设定、信息存储和显示等功能。

1 电磁比例阀控制系统的硬件组成

如图1所示，电磁比例阀控制系统选择Siemens PLC 226作为下机位，选择Siemens EM235作为输入输出扩展模块，压力传感器、位移传感器和流量传感器等与PLC相连。上位机选择带串行通讯口的TD200触摸屏，利用RS232／485 转换器与PLC通信，实现人机界面，从而实现电磁比例阀运行的控制。

2 系统控制原理

在TD200 触摸屏上设定电磁比例阀的输出参数值，数模转换后，由PLC控制模块经过PID运算后输出控制信号，该信号经过脉冲输出指令转换为PWM信号。PWM信号经过开关式放大电路放大，驱动电磁比例阀的衔铁运动，改变阀芯的位置，获得液压相应的参数值。利用传感器采集电磁比例阀的输出参数值，并转换为反馈模拟信号传至转换器EM235，模拟信号转换为数字信号，该数字信号由PLC控制模块经过PID运算后输出控制信号，调整PWM输出数值，改变阀芯的位置，降低调节偏差数值，提高电磁比例阀控制输出压力的精度。

图1 电磁比例阀控制系统的硬件组成框图

图2 电磁比例阀控制流程图

3 软件设计

运用编程软件STEP7和组态王，分别开发下位机PLC程序和上位机监控界面，实现电磁比例阀的快速输出和精确控制。

3.1 PLC控制程序的设计

3.1.1 PLC的工作原理

在数据采集阶段，PLC依次扫描读取所有输入状态和技术参数，并存入I/O映象区中的对应单元内。结束数据采集后，开始运行用户程序以及输出数据阶段。在这期间内，输入状态和技术参数数值即使发生变化，I/O映象区中对应单元内状态和数值也不会随之改变。例如，为了确保脉冲输入信号在任何状态下能被读入，则该脉冲信号的宽度需要超过一个扫描周期。按照用户编写程序的次序，PLC周期性循环扫描，从第一条指令开始，逐条执行用户的程序直到结束，然后循环开始执行第一条指令，不停重复着。PLC扫描工作内容除了执行用户程序之外，还需要完成其它工作，如输入输出处理、通讯服务和自诊断等。

3.1.2 PLC控制程序开发

按照电磁比例阀控制系统的特点和要求，设计PLC控制程序，并将程序分解多个子程序模块，以控制液压系统压力为例，设计电磁比例阀的控制流程如图2所示。

1）数据的采集

CPU226拥有光电隔离的16路数字量输出和24路数字量输入，1路模拟量输出和4路模拟量输入，配备2个RS-485串行口，其中一个接人机界面TD200触摸屏；EM235模块可选择4-20 mA电流输入，并可自行设置模拟量输入范围和分辨率，故可搭配比例阀中各类传感器，PLC采集到的模拟量将按顺序放在寄存器内；TD200触摸屏可以显示文本信息，拥有技术参数的显示和修改、输入和输出的设定和强制I／O点诊断功能等。

2）PID运算

如图3所示，电磁比例阀控制系统依靠Siemens PLC 226，实现液压系统油压的PID控制。采集的数据中，阀后油压是PLC实现负反馈控制的最重要数据，其测量值()由压力传感器获取并转化为4-20 mA电流数值，此电流数值经过数模转换输出数字信号。由PID运算得，该测量值()与目标值()两者的阀后油压偏差()，根据偏差数值结果，PLC输出()，利用电流的变化来调整电磁力的数值，从而驱动衔铁调节比例阀的开度，从而控制阀后的油压，保证液压系统的油压()在设定的范围内。

图3 负反馈系统方框图

PID输出()与输入()的关系式为：

式(1)中：()=()-()—阀后油压偏差；(t)—阀后油压目标值；()—阀后油压测量值；()—液压系统油压值；()—PID回路的输出值；0—回路输出的初始值，K—比例控制增益；T—积分时间常数；T—微分时间常数。针对电磁比例阀的工作原理和结构特点，确定系统参数的采集周期T，从而离散化PID输入输出关系公式，最终获得系统采集第n次数据时的输出公式为：

式(2)中：—数据采集周期；—数据采集次数，=1，2，3……；e()—第次数据采集时的油压偏差；()—第n次采样时刻PID回路输出。

3）脉宽调制输出：

根据控制系统反馈回来的阀后油压偏差来调节占空比，输出PWM调整控制信号，该PWM输出信号经过开关式放大电路转换成电磁铁所需的电流信号，这样就可以连续地控制通过比例线圈平均电流，从而通过控制比例阀开口大小来控制阀油压，使自动控制电磁比例阀阀后油压差在设定的范围内。另一方面，PWM的开关型电路的控制模式，将使普通电磁阀的发热降低至最小；保持阀芯的颤振可以提高响应速度和消除污染物；利用反馈装置减少滞环；通过电子补偿和消除电路来减轻死区的影响和抗干扰性强。