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机械论文：基于PLC的液压机控制系统设计
来源：985论文网 添加时间：2020-05-31 15:53
基于PLC的液压机控制系统设计
摘要：文章主要介绍了液压机系统的工作原理、特点以及研究现状从设计角度出发，分析液压系统的工艺流程；根据液压系统的工艺特点设计电气控制系统，分析在电气控制与液压系统的自动、手动控制方式，编写PLC程序，最终由PLC程序控制液压系统形成一个统一的控制系统整体，达到利用自动化手控制液压系统完成特定的工作行程。系统通过程序指令控制电路，执行速度快，克服了电磁继电器动作时间长触点抖动的缺点。并达到所需精度，改善了控制效果，提高了设备的可靠性。本系统设计了一种基于VB6.0与三菱MELSEC一系列PLC的智能加载液压机控制系统，介绍了该系统的硬件组成和软件设计。实践结果表明，该系统具有比较好的实时性和可靠性。
关键词：智能加载；液压机；PLC控制；VB语言
前言摘要：文章主要介绍了液压机系统的工作原理、特点以及研究现状从设计角度出发，分析液压系统的工艺流程；根据液压系统的工艺特点设计电气控制系统，分析在电气控制与液压系统的自动、手动控制方式，编写PLC程序，最终由PLC程序控制液压系统形成一个统一的控制系统整体，达到利用自动化手控制液压系统完成特定的工作行程。系统通过程序指令控制电路，执行速度快，克服了电磁继电器动作时间长触点抖动的缺点。并达到所需精度，改善了控制效果，提高了设备的可靠性。本系统设计了一种基于VB6.0与三菱MELSEC一系列PLC的智能加载液压机控制系统，介绍了该系统的硬件组成和软件设计。实践结果表明，该系统具有比较好的实时性和可靠性。
关键词：智能加载；液压机；PLC控制；VB语言
液压机工艺用途广泛，适用于弯曲、翻边、拉伸、成型和冷挤压等冲压工艺，也可适用于校止和压装等工艺。PLC以其高可靠性、强抗十扰性、良好的通用性等优点在工业控制的各个领域得到日益广泛的应用。特别是在液压机的液压控制系统中，PLC己得到普遍应用和发展，而且这一趋势仍将继续。
可编程控制器（ProgrammableController，PC或PLC），它是一种专为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子系统。它采用可编程的存储器，在其内部存储执行运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作指令，并通过数字或模拟的输入和输出，来控制各种类型的机械设备和生产过程。
本文设计的以PLC和工控机联合控制的液压机控制系统，可以实时、准确控制液压垫力，可实现变压边力下的板料成形。同时，良好的图形界而给操作和压制参数如压力和速度的修改带来了很大的方便。
一、控制系统硬件构成
控制系统采用工控机和PLC连接，总体控制方案如图1所示
图1-1控制系统框图
选用台湾研华工控机，这种工控机除一般计算机常规配置外，还配有数字量输入/输出模块、模拟量输入/输出模块、计数器卡等，主要用来完成传感器的数据采集、显示、存储以及比例泵、比例阀的控制。PLC选用的是日本三菱产的MELSEC刀系列PLC，这种PLC采用模块化结构，由电源模块、CPU模块、输入模块、输出模块、串行通讯模块五大模块组成，主要用来控制各种电磁阀的动作。工控机与PLC之间采用串行通讯，这种控制模式既可以发挥计算机信息处理能力强、信息显示界而好的优点，又可以充分利用PLC实时控制性能好、可靠性高的特点。
二、控制系统软件设计
（一）PLC软件设计
1.程序设计方法
用梯形图编辑语言，程序从左侧的纵向母线向右侧，从上到下执行。
首先需初始化PLC，初始化的目的是根据被控系统的特点设定PLC内部有关软元件(例如输入输出口、继电器、定时器等)的初值，梯形图的编制主要注意各动作之间的先后次序和相互关系，写出PLC各输出与输入信号的逻辑关系，注意各动作之间的互锁及延时继电器的动作控制。以半自动控制为例，控制流程如图2所示。
图2-1半自动控制流程
2.PLC读取工控机输出方法
工控机控制时，各动作的控制依赖于工控机与PLC之间的通讯信息，作者将工控机的输出作为PLC的输入信息，采用直接存取输入，即采用指令执行时从输入模块接收通断数据进行运算的输入方式。在梯形图中，作者利用成批读出指令MOV将工控机的输出读入到数据寄存器里；然后再将数据寄存器里的数据跟状态标志比较，从而确定中间继电器是否得电；再由PLC进行逻辑运算控制压机动作。
（二）工控机软件设计
1.人机界面设计
系统运行在Windows平台，操作系统是WindowsXP，编程语言为VisualBasic6.0。VB6.0具有易学、高效及功能强大等特点，它在数据采集和工业控制领域得到广泛应用。为了方便用户操作和使用，工控机程序的设计采用图形界而形式。人机界面如图3所示，它分四大块：“系统监控”是指对液压机工作状态、传感器输出的模拟量的监控，液压系统阀组工作状态的监控；“保护参数设定”是指主滑块参数和液压垫参数的设定，主要包括行程上下限点的设定、压制速度和压制压力的设定；“工作曲线”是指实时采样以数据和曲线两种方式显示在工控机屏幕上，同时能跟设定的工作曲线如液压垫压力曲线、上滑块速度曲线等进行对比，便于观察控制效果；“数据查询及打印”是指实验参数的查询、修改、打印，便于实验者对实验结果的分析和处理。
图2-2人机界面
2.工控机和PLC的串行通信
实现上位机和PLC的通信有两种方法：一种是上位机可以用专用的组态软件实现与PLC的通信，另外一种是用VB或VC自己写监控界而以达到与PLC通信。文中采用VB6.0编写界而实现与PLC的通信。VB6.0提供了串行端口通信控件MSComm该控件是VB中用于串口发送和接收数据的ActiveX控件，利用它可以方便地访问串口。
MSComm控件提供了事件驱动和查询两种处理通信的方法，其中事件驱动方法通过设置CommEvent,Rthreshold等属性实现对MSComm控件的OnComm事件驱动；查询方法则通常通过Output属性直接写输出缓冲区，且通过Input属性直接读输入缓冲区实现。由于事件驱动方法程序响应及时、可靠性高，所以该系统采用事件驱动方法实现工控机与PLC之间的串行通信。MSComm控件常用属性如下：
CommPort，设定通信连接端口代号。程序必须指定所要使用的串行端口号，Windows系统使用所设定的通信端口与外界通信。
Settings，以字符串形式设置并返回波特率、奇偶校验位、数据位和停止位。
PortOpen，设定通信口状态。
Input，字符写入输入缓冲区里。
Output，字符写入输出缓冲区里。
通信初始化串口程序如下：
WithMSComm1
.CommPort=1
.Settings=9600，8，P，1
.PortOpen=True
EndWith
三、压力机电气控制柜设计
本设计中的电气控制系统配套对应一个专用控制柜，以用来安置PLC、接触器等电器元件和实现电源配备，它是电源、输电设备和压力机之间能量传送的纽带。
目前市场上流行的开关柜型号很多,归纳起来与本设计相近的低压开关柜有以下几种型号，GGD系列、GCK系列、GCX系列、MNS系列、MCS系列。
（一）柜体设计
参考常用低压开关柜的结构特点，结合本设计电气系统中所用电器件的类型特点，可以对柜体做如下设计。
1.柜体外形设计
本设计电气系统有三个电机，额定功率分别为45KW、11KW、7.5KW，则总功率约为75KW；三个电机的额定电流分别为85.5A、22.4A、16.7A，总电流约为125A。主电机为星-三角形降压启动，其他两电机直接全压启动。综合考虑所需交流接触器数目及散热情况，再加上PLC、断路器、变压器等尺寸较大，发热较大等特点，选用的柜体主尺寸为：H×L×D=2000×1000×600。其外形如图3-1所示。
图3-1柜体外形图
1把手2标签框3开关指示窗4电表5顶档盖
6指示灯7控制按钮8控制面板9标签框10前门
2.柜内隔室设计
需要装入柜中的电器件包括：交流接触器、PLC、熔断器、热继电器、断路器、中间继电器、变压器和一些接线端子等。这些器件中，划分隔室时，需要考虑的问题有：断路器属常控件，放在易于人手拉动的地方为宜；不同用电电源的器件宜分开安装；PLC外接中间继电器，两者不宜相距太远；大质量器件，宜安置在柜体下方；发热件相互间要避开热对流方向；器件要便于接线；控制面板对应元件宜单独成室；等等。综合考虑，设计柜内隔室如图3-2所示。
图3-2控制柜隔室划分示意图
1底室2下隔室3右隔室4左隔室5上隔室6隔板/安装板7后室空间
图4.2中，下隔室安装接触器、热继电器、熔断器等；右隔室安装PLC、中间继电器和整流变压器；左隔室安装断路器；上隔室安装各电表及按钮和指示灯；后室空间为母线安装空间。
3.器件安装设计
划分好了隔室，即可对各器件安装进行设计。
底室主要用来散热，亦可用于备用零部件的存储，不安装工作电器件。
下隔室中，接触器质量和发热均较大，可并排安装在下室靠下部位，相互之间的横向距离均衡适当，以保证散热和避免相互电弧影响。接触器接线端子安装在接触器上方，方便接线。热继电器固定于安装架安装在下室中部，与接触器隔开适当距离。三相交流电熔断器系经常更换器件，安装在下室上部，与顶板和热继电器隔开适当距离，方便置换。热继电器和熔断器右上侧均安装适量端口的接线端子。
左隔室并排靠中安装两个断路器，开关触头对应柜门上的开关指示窗，便于在不打开柜门的情况下查看断路器通断。接线端子安装于右上侧。
右隔室中安装PLC、整流变压器和中间继电器，方便这三者之间的接线。PLC安装要考虑下列问题：①不要设置在柜内热空气聚集的最上部；②为确保通风空间，上下部要和其他的设备、配线管等之间应维持充分的间隔距离；③不要在指定以外的方向进行安装（如纵向或上下颠倒），否则会造成PLC内部的异常发热；④不要安装在加热器、变压器、大容量电阻等发热量大的设备正上方；⑤避开阳光直射的地方。整流变压器发热较大，因此它与PLC不能竖排并排，可将其安装在右隔室左侧，其上方安装直流熔断器；右侧上部安装PLC及其扩展模块，右侧下部安装中间继电器。上述三者之间均保证适当距离，接线端子安装于右上侧。
上室主要用来安装各电表、控制按钮和指示灯。电表高度较按钮和指示灯大，因此电表和后两者分装在不同的安装板上。电表指针面要离控制面板视窗较近但不可伸出；按钮和指示灯的端面要伸出控制面板之外。后室空间为富裕柜深，其作用有二：一，保证充分的通风和散热空间；二，布置母线。
4.散热及安全设计
控制柜中有较多发热元件，要考虑其通风散热处理方式。因此，在柜体底室门板上，柜体侧面及背面均开设适当散热孔，开孔位置应对应各主要发热元件的位置，以便通风散热。柜顶开大面积通风网板，为防尘土及杂物，柜顶上部设挡板。另外，控制柜需安置于室内阴凉处，且与压力机保持适当距离，减少震动对其影响。柜体用地脚螺栓固定，防止意外倾倒。等等。
结束语
经过实际测试，证明文中所讨论的基于VB与PLC的智能加载液压机控制系统的设计是可行的。初步试验表明：实际生成的液压垫力曲线与用户设定的曲线拟合度较好，系统具有比较高的实时性、可靠性。在此基础上，需要进一步提高控制系统的精度，补偿由于液压系统和机械系统引起的误差。基于VB与PLC的智能加载液压机控制系统的设计具有实用意义。
参考文献
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[4]孟祥懿.智能伺服液压机的控制与实现[C]//"装备中国"2016年"滨海杯"高端装备工业设计大赛论文集.2016.
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