四柱液压机的PLC系统设计

倪洪启， 牛 野， 王树强

(沈阳化工大学机械工程学院，辽宁沈阳110142)

液压机是制品成型生产中应用最广的设备之一，YB32-300型四柱液压机适用于可塑性材料的压制，如冲压、翻边和薄板拉伸等工艺.传统液压机的电气控制采用继电接触器的硬件控制方式，这种控制系统继电器的数量较多，造成设备的故障率高、维修困难.本文采用 PLC对YB32-300型液压机进行控制，实现了液压机生产的自动化.PLC控制系统具有可靠性高、抗干扰能力强、适应性强和维修方便等优点［1］.

1 液压机主要工作过程［2］

1.1 液压机主要结构

YB32-300型四柱万能液压机主要由主机和控制机构两大部分组成.液压机主机部分包括机身、主缸、顶出缸及补液装置，其主机机构的动力部分由油箱、变量泵、电动机和各种安全阀以及换向阀组成.动力机构在控制机构的控制下，通过泵和液压缸及各种液压阀实现能量的转换、调节和输送，完成各种工艺动作的循环.

1.2 液压机的主要工作过程

图1为YB32-300型四柱万能液压机的工作循环图，其主缸要能够完成横梁快速下行、慢速压制、保压、回程和悬空停止等动作，顶出缸要完成顶出、回程和在任意位置上静止等动作.

图1 YB32-300型液压机工作循环图Fig.1 Working cycle diagram of YB32-300 type hydraulic press

1.3 液压机动力系统工作原理

图2为YB32-300型液压机的液压系统工作原理.该系统由变量泵1供油，用电液换向阀6控制主缸12的升以及主缸的油液压力，行程开关19、20分别用来控制顶出缸的顶出位置和回程位置.顺序阀5用来调整压力，保证控制油路有足够的压力.系统工作压力由远程调压阀3调节，安全阀2防止系统超载.

图2 YB32-300型液压机液压系统原理Fig.2 Hydraulic system diagram of YB32-300 type hydraulic press

2 系统总体设计

2.1 系统的工作方式设计

基于YB32-300型四柱万能液压机的工作要求，PLC控制系统的控制方式包括自动连续运行、单步运行和手动运行3种工作模式.进行调试或调整设备时可采用手动运行模式或单步运行模式，正常生产时选用自动连续运行模式.

2.2 PLC系统设计

2.2.1 PLC所需的I/O点数

输入信号端:3个控制主缸和顶出缸行程位置的行程开关，1个控制主缸油液压力的压力继电器，9个手动控制按钮，分别控制机构的启动/停止，主缸的上升/下降，顶出缸的顶出/返程还有控制机构运行方式的自动/手动/单步的切换模式按钮开关.即共13个输入信号，除停止按钮为常闭开关，其余均为常开按钮.

输出信号端:6个状态显示指示灯，分别用来来显示液压机的开始/停止，压型保压时间指示灯和自动/手动/单步的工作状态显示灯，4个用来驱动换向阀换向的输出信号，即共10个输出信号.

该PLC系统共有13个输入信号和10个输出信号，考虑今后的调整和扩充需要以及个别点有故障时可以有代替点，一般加上10%～20%的备用量［3］.

2.2.2 程序存储器容量的估算

由于该PLC系统不需要模拟量，只需要13个开关量输入量，10个开关量输出量，因此可按以下公式［4－5］进行估算:

输入点数×10+输出点数×8+定时器个数×4=13×10+10×8+3×4=222字，并根据总字数再加上25%的备用量作为缓存.

因此，需选择输入点个数＞13、输出点个数＞10，存贮器字数＞222的PLC，对PLC的扫描速度及其他方面无特殊要求.考虑工厂的环境条件、将来的自动化改造、设备的装配和维修方便等原因，从长远的角度看选用西门子 S7-300PLC.S7-300具有很高的电磁兼容性和抗振动、抗冲击能力，可以应用在恶劣的环境条件下［6］.设计中选用的S7-300PLC的CPU型号为CPU315，输入模块和输出模块分别选用DI16× DC24V、DO16×DC24V/0.5A.

2.3 PLC外部接线图

根据设计要求给出PLC控制系统的外部接线图，如图3所示.

图3 PLC外部接线图Fig.3 PLC external hookup

2.4 PLC系统地址分配表

根据设计要求，I/O地址分配如表1所示.

表1 I/O地址分配表Table 1 Assig nment of I/O point

2.5 PLC程序编制

2.5.1 程序的主体结构

程序由主程序OB1、初始化程序OB100和3个子程序，即公共程序FC1，手动程序FC2和自动程序FC3构成.在主程序中(见图4)，用调用功能的方式来实现各种工作方式的切换，当切换到各个工作方式时，各工作方式指示灯点亮.公用程序FC1是无条件调用的，供各个工作方式公用.由图3可知，工作方式选择开关同时只能选择一种工作方式.选择手动时调用手动程序FC2，选择自动和单步工作方式时，调用FC3.

图4 主程序OB1Fig.4 Main program OB1

2.5.2 公用程序

图5为公用程序FC1的控制程序，主要用于各种工作方式之间相互切换的处理.

图5 公用程序FC1Fig.5 Public program FC1

当系统从自动工作方式切换到手动工作方式，然后又返回到自动工作方式时，可能会出现同时有2个活动步的异常情况，引起错误的动作.因此在手动工作方式中用MOVE指令将顺序功能图中各步对应的存储器复位.

2.5.3 手动程序

由图3可知，手动操作时I0.2～I0.5对应2个液压缸的顶出和返回，为确保系统的安全运行，手动程序中需设置一些必要连锁.

2.5.4 自动程序

图6给出了FC3的顺序功能图.

图6 顺序功能图FC3Fig.6 Sequential function diagram FC3

自动工作方式和单步工作方式都是按该液压机工艺要求进行工作，均与顺序功能图有关，因此将这2种工作方式的控制程序合并在自动程序 FC3中.其中 M0.0，M0.5，M0.6，M1.0，M1.1，M1.2，M1.3，M1.4，M1.5，M1.6为位存储器，T1，T2，T3为定时器.M0.6控制下一个动作的启动.

3 结论

采用PLC对YB32-300型液压机的整个工作过程进行自动控制，并对自动控制系统的部分功能进行模拟调试、运行，基本实现其设计功能，既可实现自动运行也可手动运行，为该型液压机在实际应用中控制系统的设计提供借鉴.

［1］ 胡建.西门子S7-300/400PLC工程应用［M］.北京:北京航天航空大学出版社，2008:1.

［2］ 朱新才.液压传动与气压传动［M］.北京:冶金工业出版社，2009:166－168.

［3］ 胡大为.可编程序控制器(PLC)的选型和估算［J］.化工进展，2004，23(z1):66－68.

［4］ 张桂香，张志军.PLC的选型与系统配置［J］.微计算机信息，2005，21(7):81－82.

［5］ 白新庄.PLC的选型探讨［J］.石油化工自动化，2005(5):22－24.

［6］ 廖常初.S7-300/400PLC应用技术［M］.北京:机械工业出版社，2008:13.