基于PLC的电液比例流量控制系统设计

李丽霞，毛向阳，边东岩

(1.天津职业技术师范大学，天津300222;2.湖南省濮阳市技工学校，湖南濮阳 410900）

基于PLC的电液比例流量控制系统设计

李丽霞1，毛向阳1，边东岩2

(1.天津职业技术师范大学，天津300222;2.湖南省濮阳市技工学校，湖南濮阳 410900）

为对原有的FESTO电液比例控制系统做进一步开发，分析电液比例控制系统的控制原理及特点，采用可编程控制器PLC作为电控制单元改进原有的额定值信号源和继电器控制。仿真结果表明:改进后的系统相比原系统具有明显的优势，能够满足实践教学的要求。

可编程序逻辑控制器PLC;电液比例流量控制系统

液压比例系统是液压领域的重要分支，也是控制技术的重要组成部分。它控制简单，维护方便，成本较低，体积小、质量轻，控制精度高，响应速度快;液压元件的润滑性好、寿命长;调速范围宽、低速稳定性好;过载保护容易;解决温升问题比较方便。由于液压比例系统的突出优点，使得它在国民经济的各个部门和国防建设等方面，诸如冶金、机械等工业部门、飞机、船舶等交通部门及航空航天技术、海洋技术、近代科学实验装置和武器控制等方面，都得到了广泛的应用。

1 概述

某院引进的德国FESTO电液比例控制系统包括比例液压系统和电气控制两部分，在多年的企业技术培训中应用效果较好，增强了学员的动手能力。但也存在一些问题:FESTO目前配置的训练系统电控部分有连续的模拟信号及开关量信号，模拟量通过额定值信号源实现，开关量的控制依赖于传统继电器控制来实现，系统体积大，可靠性差，功能少，难于实现较复杂的控制，特别是依靠硬件连线逻辑构成的系统，连线复杂，容易出错，且错误之处查找非常困难，纠错难度大;在系统设计训练中，控制时间难于准确确定;各并联电路是同时工作的，由于实际元件动作的机械惯性和触点竞争等问题，导致动作失误。因此，在原有训练系统上，对控制技术做了一些改进，利用可编程控制器PLC代替了原有的额定值信号源和继电器控制，简化了系统线路的连接，拓宽了技术领域，在很大程度上改善系统性能，简化训练内容繁琐程度;利用PLC的特点进行系统训练的开发，提高学生对比例液压、PLC编程及相关综合控制技术的综合实践能力。

2 电液比例液压系统方案选择

系统工作循环过程见图1。

图1 系统工作循环过程

电液比例控制系统原理图见图2。该系统由定量泵、比例方向阀 (可做流量阀）、两位四通电磁换向阀 (控制液压缸的双向运动）、液压缸、位移传感器(输入模拟信号）组成方向、流量控制系统。其流量调节原理是:将位移信号转变为电压，反馈控制比例方向阀的比例线圈开口的大小，控制通过阀的流量，达到调速的目的。用二位三通电磁换向阀控制马达旋转的方向。单向阀控制马达制动时不变为泵的工作状态，起背压的作用。

图2 系统原理图

3 PLC－电液比例控制系统的设计

3.1 系统设计框图

系统设计原理图见图3。

图3 系统设计原理图

3.2 线性位移传感器

传感器的作用是把执行器的输出位移信号转化成可以与指令信号做比较的反馈信号。此系统采用线性位移传感器，其物理变量“位移”被转变成电压。由电压分配原理可知，电阻与电位计长度L成正比。

位移传感器的赋值数值表，如表1所示。

表1 位移传感器行程－电压表

活塞杆位移－输出电压特性曲线见图4。

图4 行程－电压特性曲线

位移传感器接口原理图见图5。

图5 位移传感器原理图

参考电源是一个电子模块，用于获取高精度的电压。该电压源为电位计提供电压。电源电压的波动不会对参考电源产生影响。

如果线性位移传感器的信号输出过程中，电流通过一个耗能元件，那么电压分配器处于载荷状态，因此电压会改变。通常阻抗转换器是一个绝缘放大器，实际上它使电位计保持在无载荷状态，信号电压维持不变。带有保护电路的阻抗转换器铸进电位计电缆中。同时，当连接互相替换时，该线路保护电位计免遭损坏。

位移传感器连线图见图6。

图6 传感器接线图

3.3 PLC逻辑控制系统设计

I/O分配表，如表2、3所示。

表2 输入传感器及开关I/O分配表

表3 输出继电器I/O分配表

I/O硬件接线图见图7。

图7 PLC硬件接线图

PLC控制系统梯形图见图8。

图8 PLC控制系统编程梯形图

系统中的双电控比例阀的放大器连线图见图9所示。

图9 比例电磁阀线圈连接图

用放大器将控制器输出的信号放大成具有一定驱动功率的控制电流加到电液比例阀的线圈上，控制比例方向阀开口的大小，从而控制系统的流量变化。放大器电流负反馈还通过减小线圈电感的影响缩短比例阀的响应时间，使得液压缸活塞杆的位置输出动态响应性能大大改善。调整放大器偏流和增益，能在误差信号过大时保护比例阀线圈不被烧毁的饱和特性。

3.4 控制系统原理特点分析

采用位移传感器和比较器进行基本控制。

液压缸活塞杆在初始位置 (杆完全缩回）时，操作启动开关，记录一个低于额定值的临界值。如之前的电位计装配中，在液压缸活塞杆到达最末端位置，电位计发出一个为0的信号值，当信号值稍有增强时，则显示临界值。在此控制系统中，采用了常闭触点Kc1(即梯形图中X4），由于梯形图逻辑操作为“非”运算时，常闭触点断开，液压缸能在返回到末端位置后再次启动条件成立。

中位转换点。在向前推进期间，临界值的触发开关Kc2(梯形图中X5）操作启动.液压缸工作进给;同时液压马达旋转。

前进到活塞杆前端位置，当到达临界值10 V时，进行信号处理，常开触点C3(梯形图中X3）闭合，触发Y3得电，中断2Y1、3Y1电磁线圈，因而触发返回行程。

(1）采用电液比例液压阀控制大功率的液压输出

电液比例阀是电液比例控制系统的关键元件，它既是系统中电气控制部分与液压执行部分之间的接口，又是实现用较小电气信号去控制大功率的液压输出 (压力和流量）元件，电液比例阀特性直接影响、决定整个系统的特性。

(2）控制系统步骤说明

如图10所示为系统步骤－位移图。图中C1为位移传感器的初始位置，C2为位移传感器的缸工进开始和马达正转开始位置，C3为位移传感器末端位置(使活塞杆返回和马达反转位置）。

图10 步骤位移图

4 结论

搭建电液比例位置控制系统，选用三菱FX2n-48MR PLC实现控制，采用软件编制了相关PLC控制程序，在FESTO训练装置上完成了基于PLC的比例液压控制系统的方向、调速回路设计，仿真结果证明:此比例液压调速在功率质量比、调速范围、稳定性、自动控制等方面具有明显优势，也能够满足机电类本科生机电液综合设计实验教学的要求，具有教学、科研的多重实用功能。

【1】宋志安．基于MATLAB的液压伺服控制系统分析与设计［M］．北京:国防工业出版社，2007．

【2】许益民．电液比例控制系统分析与设计［M］．北京:机械工业出版社，2005:1－5．

【3】关景泰．机电液控制技术［M］．上海:同济大学出版社，2003．

【4】廖常初．可编程序控制器的编程方法与工程应用［M］．重庆:重庆大学出版社，2001．

【5】FESTO．液压技术［M］．杨燕琴，译．上海:上海同济大学出版社，2000．

【6】徐福玲．液压与气压传动［M］．北京:机械工业出版社，2007．

【7】胡学武，盛小明．基于单片机的液压节流调速实验的自动测试系统设计［J］．机床与液压，2010，38(24）:59－60．

【8】韩俊伟．电液伺服系统的发展与应用［J］．机床与液压，2012，40(2）:I0007 － I0010．

Design the Electrohydraulic Proportional Flow Control System Based on PLC

LILixia1，MAO Xiangyang1，BIAN Dongyan2
(1.Tianjin University of Technology and Education，Tianjin 300222，China;2.Hunan Province Puyang City Vestibule School，Puyang Hunan 410900，China）

In order tomake further development for the original FESTO electro-hydraulic proportional control system，its control principle and characteristicswere analyzed，and programmable logic controller PLC was used as electric control unit to improve the original rated value signal source and relay control．The simulation results indicate that the improved system has obvious advantages over the original one，which canmeet the requirements of practical teaching．

Programmable logic controlle;Electro-hydraulic proportional flow control system

TH137.9

A

1001－3881(2013）4－130－3

10．3969/j.issn.1001 －3881.2013.04.041

2012－01－21

天津市高校科技发展基金项目资助 (20090403）

李丽霞 (1963—），女，高级实验师，主要研究方向为机电液一体化控制技术。E－mail:art_li_love@126.com。