基于PLC的液压测试系统应用研究*

快速导航

您现在的位置：首页>专题案例

作者：郭媛等浏览量：147

0 引言
随着微处理器、计算机和数字通信技术发展，计算机测控已经广泛地应用在许多工程领域。现代社会要求制造业对市场需求做出迅速的反应，生产出高质量、多品种、多规格、低成本和高可靠性的产品。为了满足这一要求，生产装备和自动化生产线必须具有极高的精度和灵活性，PLC正是顺应这一要求出现的，它是以微处理器为基础的通用工业控制装置[1]。液压设备在线状态监测系统中，PLC系统处于核心地位，其功能好坏直接影响测试结果和可信性。
1 PLC的工作原理
根据有关资料报道，目前工业现场用的PLC多种多样，有三菱公司的F1、F2、FX0系列，AB公司的SLC500系列，OMRON公司的C系列和西门子公司的S7-200/300/400系列等。虽然各个公司的产品型号，设备外型以及档次能力不同，但其功能和原理基本是相同的，都适用于液压元件性能测试。
PLC采用循环扫描的工作方式。对每个程序，CPU从第一条指令开始执行，按指令步序号做周期性的程序循环扫描，如果无跳转指令，则从第一条指令开始逐条执行用户程序，直至遇到结束符后又返回第一条指令，如此周而复始不断循环。每一个扫描周期的长短主要取决于以下因素：CPU执行指令的速度；执行每条指令占用的时间；程序中指令条数的多少。一个扫描周期可分为3个阶段：
（1）采样阶段：PLC通过输入接口将所有输入端子的信号状态，读入并存入输入缓冲区，即刷新所有输入信号的原有状态。
（2）扫描用户程序：根据本周期输入信号状态和上周期输出信号状态，对用户程序进行逐条扫描运算，将运算结果逐一填入缓冲区。
（3）输出刷新：将刷新过的输出缓冲区各输出点状态通过输出接口电路全部送到PLC的输出端子。
PLC主要编程语言有3种：
梯形逻辑图(LAD)、
指令语句表(STL)、
顺序功能流程图(SFC)，
每一种编程方法都有其自身的特点，编程设计者可根据具体情况灵活采用。
2 PLC在测试控制系统中的应用
PLC取代时间继电器，部分取代中间继电器和各种变送器等电子元件，配以监控软件（例如WinCC等）、人机交互界面等，可取代按钮、指示灯、电位器等。PLC在液压元件测试系统中的应用不仅简化了电控系统线路、缩小了设备体积与重量，还为实现测试系统的在线监控和智能诊断提供了基础，有助于解决电控系统及液压系统故障难于检测的技术难题。以测试带载伺服液压缸的动摩擦力特性和测试电液伺服阀流量特性为例说明PLC在液压元件测试系统中的应用。
1 伺服液压缸带载动摩擦力测试原理
高精度、高频响伺服液压缸出厂前需要进行性能测试，包括耐压、泄漏、启动摩擦力、带载动摩擦力、频率响应、阶跃响应试验等，其中带载动摩擦力是影响伺服液压缸固有频率和控制精度的重要因素。在一般生产企业中，该性能参数是测试难点，不单要有精度高的硬件，还要开发测试软件，实现测试要求要付出不少人力、物力、财力，国内少数几家液压元件生产厂和大型应用单位具备这一测试能力。
国内某伺服液压缸带载动摩擦力测试液压原理如图1所示。在液压缸活塞杆往返运动过程中，缸筒内圆与活塞外圆间动摩擦力F1大小相等，方向相反，机架产生相同的变形量时，对活塞杆的作用力F2大小相等，方向相同。由该特点可知，在活塞杆往返运行过程中，机架产生相同变形量，两次测得无杆腔压力的差值与活塞作用面积的乘积为液压缸动摩擦力的2倍。根据测试原理，测试时，PLC通过控制伺服阀的指令电信号大小不变，保持伺服阀恒定的开口度，控制比例溢流阀的指令电信号变化趋势（比例阀控制信号见图2）。系统压力与比例阀的控制信号成线性关系，活塞在无杆腔液压油推力作用下，往返运动3次，测试活塞处于3个不同位置处的动摩擦力，测试完毕后回到初始位置。位移传感器测得活塞杆位移，压力传感器测得无杆腔压力，PLC采集位移和压力信号，经换算，以趋势图在监控画面上显示，同时压力信号和位移信号被数据采集卡采集，送入计算机，计算带载动摩擦力。
QQ��ͼ20150105102805.png

1-加载机架，2-液压缸，3、4-位移传感器，5-监控软件，6-PLC，8-过滤器，9-液压泵，10-电机，11-油箱，12-溢流阀，13-伺服阀
图1 伺服液压缸带载摩擦力测试原理
QQ��ͼ20150105102813.png

图2 比例溢流阀控制信号
2.2 PLC的应用
PLC在伺服液压缸测试系统中主要完成：
（1）油源部分的控制与监测，包括电机、加热器、冷却器的启停控制；主回路电流、电压及断路器、交流接触器状态监测；电磁溢流阀的升压与卸荷的控制；温度、液位、压力、吸油口蝶阀、过滤器的状态监测；故障临界状态的判断及报警提醒指令的发出与消除。（2）控制部分的电液换向阀（用于其它测试项目）等的工位切换、对信号频率要求低的比例阀开口度控制、压力与流量信号的采集与换算、故障状态的判断及危险提示信号的发送与消除。（3）执行部分的传感器信号采集等。
此外，由于在伺服液压缸带载动摩擦力测试中，控制信号变化缓慢，PLC的响应时间能满足测试需要，因此，可以用PLC替代信号采集卡和放大器，完成比例阀或伺服阀的测试信号输出。图3为基于PLC的伺服液压缸测试系统控制柜。
QQ��ͼ20150105102826.png

图3 基于PLC的伺服液压缸测试系统控制柜
伺服液压缸各项目测试中，电机启停、信号监测等工作的逻辑关系清晰，程序编写简单。而比例溢流阀十分重要，其测试要求：有多个峰值与谷值，具体数值随人机界面设置而变化；整个趋势由时间控制，自动完成；为了提高测试精度，比例阀控制精度要达到0.001V；具有高可靠性，否则压力失控可能造成重大安全事故。
PLC向比例溢流阀输出电压信号，信号每100ms变化一次，变化幅值为0.001V，输出范围为0~10V，变化的次数为计数点数。其程序分为4部分：程序根据操作员输入的各峰值和谷值，自动标记控制信号转折的点数；程序自动计算目前输出的信号点数；输出值的自加或自减；输出值的极限限制。
控制信号转折点数的标记：操作员输入的值为a(i)，i=1~7, n(i)为a(i)对应的转折点数，则当i>1时，n(i)=|a(i)-a(i-1)|×1000+ n(i-1)；当i=1时，n(1)=a(1)×1000。
程序自动计算目前输出的点数：采用两个计数器C1、C2联合计数，当C1计数达到999时，C2加1，然后C1清零后重新计数；当前数值为999。C2+C1，最大计数可达9.99e5，满足计数要求。输出值的自加或自减：将转折点数分为两类，信号自加段和自减段；如当前输出点数小于n(1)时，利用升值计数器将信号自加0.001（自加过程为升值计数器先加1，再将升值计数器值转化为实数后除以1000，得到输出值），当前输出点数≥n(1)，但＜n(2)时，利用降值计数器将信号自减0.001（具体过程与升值过程类似）；最后，对计算后的输出值进行限定，该值要根据试验台的液压元件、被测液压缸及闭式机架的耐压力而定。图4为基于PLC的监控软件画面，画面中显示该厂测试伺服液压缸现场控制信号给出曲线、系统压力曲线及被试缸无杆腔压力曲线。图5为该伺服液压缸带载动摩擦力测试曲线。
QQ��ͼ20150105102837.png

图4 基于PLC的监控软件画面
QQ��ͼ20150105102848.png

图5 某伺服液压缸带载动摩擦力测试曲线
3 测试应遵循的基本原则
（1）测试系统应符合被测试对象要求。测试液压系统前，应熟识被测对象结构性能参数及特殊要求，分析选用测试方法。
（2）确定被测试系统或元件输入信号类型及范围，如输入电流信号或电压信号等
（3）防止测试线路短路。
（4）完成液压系统或元件测试后，必须卸压和断电，确保设备及人员的安全。
4 结语
由于PLC系统具有功能强、体积小、能耗低、抗干扰能力强、使用方便、可靠性高、维修方便、成本低等优点，其在液压元件性能检测中的应用效果良好。参考文献
[1] 湛从昌，付连东，陈新元. 液压可靠性与故障诊断[M]. 北京:冶金工业出版社,2009
[2] 王建，张文凡，张凯. PLC实用技术[M].北京:机械工业出版社,2012
[3] 黄富瑄，陈新元等. 轧机压下大型伺服液压缸测试系统动摩擦力测试研究[J].液压与气动,2010,(8):18-21
[4] 黄志坚，袁周. 液压元件与系统的测试[M].北京:机械工业出版社,2005

收稿日期：2014-10-18

上一篇：基于PLC的电梯智能控制系统设计..

下一篇： PLC 在水处理反渗透机器中的应用..