基于PLC的移动液压油源控制系统设计

时间：2024-08-31

牛英，童亮，王连新

（北京信息科技大学机电工程学院，北京 100192）

0 引言

10MPa移动液压油源作为某轮式车辆动力单元试验台的供油系统，可以分别或同时提供4路压力供油，最高压力为10MPa，最大流量为200L／min，系统出口油温最高为120℃。由于系统结构复杂，具有高温高压大流量控制回路及其他分系统控制，因此构建安全、稳定的电气控制系统十分重要。本文结合计算机控制技术、电液比例技术以及PLC变频技术构建其电气控制系统［1］。

1 移动液压油源供油系统的组成

该液压系统由主油路&回油路、小流量路、中压路、高压路、低压路以及冷却系统和油箱组成，包含主油泵1、润滑油泵2和回油泵3三个泵。其中主油路&回油路通过比例溢流阀4调节，小流量路通过减压阀5、调速阀6调节控制其压力流量，中压路由电动球阀7、比例减压阀8调节控制，高压路由电动调节球阀9、低压路由电动球阀10和电动调节球阀11分别实现其压力和流量的控制。油箱通过加热器12实现其温度升高，冷却系统通过控制冷却水阀13的开度控制冷却水流量改变换热效率。10MPa移动液压油源供油系统原理图如图1所示。

图1 10MPa移动液压油源供油系统

2 电气控制方案设计

本液压油源供油系统以PLC控制器为核心，实现对被测信号的调理、数据采集、驱动单元和液压系统元件的控制［2］。控制系统总体方案如图2所示，包括PLC控制系统、转速控制系统、超限报警系统、液压加载系统、油温控制系统、压力和流量测量系统等。

液压系统控制压力和流量范围如下：主油路&回油路P主=0MPa～10MPa；小流量路P小=0MPa～2.5MPa，Q小=0L／min～15L／min；低压路P低=0MPa～1MPa，Q低=0L／min～200L／min；中压路P中=0MPa～4MPa，Q中=0L／min～200L／min；高压路P高=0MPa～10MPa，Q高=0L／min～100L／min。液压系统控制测量精度如下：温度测量误差≤2%；PID调整至稳定状态时间≤20s；压力测量误差≤2%；压力控制误差≤±5%；流量测量误差≤±2%；流量控制误差≤±5%；油箱油温要求的范围为常温至+120℃，油温控制精度为±5℃。

2.1 转速控制系统

主油泵选用定量轴向柱塞泵，主油泵电机通过PLC控制变频器实现变转速，从而改变主油路中油液的流量。在组态的人机界面上启动变频器和风机，设定主轴转速，在PLC程序中对设定的主轴转速进行转换，转换成变频器的状态字输出，从而调节变频器输出频率，驱动油泵电机，实现对油液流量的控制，这就构成了转速控制的开环系统［3］。

2.2 超限报警系统

当液压系统在运行过程中遇到以下问题时系统会自动停止运行：①油箱温度超上限；②低压路入口、出口过滤器堵塞；③高压路入口、出口过滤器堵塞；④小流量路流量超上限10%；⑤低压路流量、压力超上限10%；⑥中压路流量、压力超上限10%；⑦高压路流量、压力超上限10%。由于系统结构复杂，控制系统应具有报警显示功能，这样有利于系统故障查找及维护［4］。

图2 控制系统总体方案

2.3 油液温度控制系统

为了配合轮式车辆动力单元高温液压试验台的准确、稳定、高效运行，10MPa移动液压油源供油系统需提供温度恒定的液压油。在试验开始阶段，油箱里的油温需尽快达到设定的温度。液压系统最大流量为200L／min，经计算采用的油箱体积为600L，所需加热器的功率较大，基于控制精度和项目经费等多方面因素综合考虑，设计时使用多个加热器组合加热的方式，共使用3组电加热器，每组功率为13.5kW，总功率为40.5kW。通过组合不同功率的电加热器和导通时间，可对加热功率进行实时闭环控制［5］。

3 系统硬件选型

电气控制箱是以PLC控制为核心，根据设备要求，选用西门子S7-300系列PLC。PLC的选型主要考虑两方面的问题：①I／O点数的选择；②存储容量的选择。存储容量一般由下式确定：

存储容量（字节）=开关量I／O点数×10+

模拟量I／O通道数×100.

最终确定的10MPa移动液压油源控制系统PLC的模块配置如图3所示。

根据系统设计要求，结合变频器选型原则，配合PLC的选择，最终确定选用西门子电气传动有限公司的6SE64系列通用型交流变频器MICROMASTER430，型号为6SE6430-2UD37-5FBO。它具有很高的运行可靠性和功能多样性，其脉冲宽度调制的开关频率可选，因此降低了电动机运行的噪声，具有全面而完善的保护功能。

图3 PLC模块配置图

4 控制程序及监控界面设计

液压系统控制功能分为现场触摸屏控制和远程PC控制，逻辑功能实现由PLC可编程逻辑控制器完成，因此软件涉及到下位机PLC的程序设计、上位机HMI人机交互界面设计，其软件设计方案如图4所示。

4.1 下位机PLC程序设计

S7-300PLC采用STEP7软件进行硬件组态和软件编程，最后将编好的程序通过PC／PPI电缆下载至PLC。系统利用Profibus总线连接PLC、前端的流量计、压力变送器和温度传感器，此时PLC作为1类主站，负责接收压力、流量和温度信息，并将此模拟量转换成数字量，与上位机设定值进行比较，利用PID控制单元将运算结果转换为电信号，输出到变频器的信号给定端、电磁阀或者控制加热器的晶闸管智能模块的输入端。

图4 液压系统检测与控制系统软件设计

STEP7程序设计采用了模块化的编程思想，即把程序分为若干个程序块，每个程序块含有一些设备和任务的逻辑指令，这些块相当于主循环程序的子程序。模块化编程降低程序复杂度，使程序设计、调试和维护等操作简单化。

在软件设计中，油箱油温的控制由于其具有大惯性、纯滞后和参数时变的特点，采用传统的PID控制难以达到理想的控制效果，经研究采用参数自整定模糊PID控制算法进行油液温度控制，取得了良好的控制效果。由于模糊推理计算量比较大，在PLC上进行在线计算不合适，因此通过离线计算将模糊推理规则构造为模糊推理表，在实际的控制过程中通过查表的方式实现快速的模糊推理［6］。

PLC控制主程序流程如图5所示。

图5 PLC控制主程序流程图

4.2 上位机HMI人机界面设计

本移动液压油源人机界面分为现场触摸屏控制和远程PC控制两部分。现场控制通过柜体上的西门子MP377触摸屏实现，由WinCC Flexible组态软件组态界面［7］。界面包括主界面、低压路分屏、中压路分屏、高压路分屏、小流量路分屏、参数设置和报警界面。触摸屏主界面如图6所示。

远程控制通过PC工控机实现，工控机作为监控系统，通过RS-485串口通信与PLC连接，利用WinCC组态软件建立驱动，构造变量，绘制画面，动态显示压力、流量、油箱温度值以及各路电磁比例控制阀的开度等信息，完成对现场液压系统运行状态的实时监测与控制。组态界面主要由电机系统、主油路&回油路、低压路、中压路、高压路、小流量路、油箱、冷却系统和报警信息部分组成。界面的设计还要考虑手动调节与自动控制的切换以及调节控制的精度。

图6 触摸屏主界面

此外，WinCC组态界面还可以绘制实时趋势曲线、历史趋势曲线和打印报表等，为操作者提供直观的数据变化和观测画面，为进一步提高控制系统的性能提供借鉴。