PLC在气液缸的控制应用

 PLC在气液缸的控制应用

 廖文杰

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【摘 要】：随着科学技术的快速发展，PLC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装置，其因具有可靠性高、抗干扰能力强、编程简单、使用方便、功能完善、通用性强、维护方便等特点，目前已经被广泛应用于各种生产制造和生产过程的自动控制中，成为各行各业必不可少的控制装置。本文利用PLC对气液缸进行控制设计，改变以往通过液压系统加压控制液压的思路，通过由气控控制液压的方式，成功实现了另一种控制液压的自动控制方法，让我们的应用更广泛。

关键词：PLC  气液缸  电磁阀  PID 

引言：

在锂电池设备生产制造业，电池制造工艺流程复杂，电池的类别也是多种多样，以致设备需求也是多元化。如动力软包电池在化成中的工艺要求不仅仅是单独的化成，在化成过程中还需要满足环境上的要求，如温度、湿度、和化成设备夹具的稳压控制等工艺要求，才能让电池化成后达到所要的性能，最终成为优良的合格产品被投入使用。在下文中详细介绍了本次加压设备的设计思路和方案。

正文：

在锂电新能源行业中，动力电池化成工艺的设备需要通过液压加压功能来使电池产品在受热过程中保持恒定的压力进行化成，让产品不会因受到加热和化成过程中产生膨胀形变的情况，从而让产品达到符合生产工艺的要求。根据这样的工艺需求，首先了解到液压传动是以液体即油或油水混合物作为工作介质，通过密封管路系统内的液体压力能来进行传递、转换和控制的一种传动方式。其工作由能源元件、执行元件、控制调节元件和辅助元件以及工作介质组成。

工作原理可用图1所示的简化模型来说明：小液压缸10与阀3、4组成液压泵,完成吸油与排油的功能；当小活塞1向上运动，小活塞的下部空腔a的容积增大形成局部真空，使排油单向阀3形成闭合状态，同时使吸油单向阀4打开，让吸油管道5将油箱9的油液抽至a腔内，填充腔体。当小活塞1受到作用力向下运动时，a腔腔体减小，油液受到挤压，于是受压的油液把吸油单向阀4关闭，从而将排油单向阀3顶开，经过排油管道6进入到大液压缸11的腔体b，推动大活塞2往上移动从而达到升举重物（负载）的效果。小活塞1不断往复运动，重物被逐渐升举起来，当小活塞1停止动作，此时大液压缸11的b腔内油液力把排油单向阀3挤压关闭，b腔内液体被封住，大活塞2连同重物一同被锁住不能动。此时，截止阀7为关闭状态；如果打开截止阀7，则大液压缸11的b腔体内油液便经回油管8排流到油箱9，于是大活塞2将在自重重用力下向下滑动回到原始位置。上述的简化的模型简述可以引伸到各种类型的液压传动中。

  图1

关于液压原理和其特点，液压与其他传动技术相比，尽管在拖动负载的能力和操纵控制方面具有明显显著优势（如操作方便、出力大、易于自动化、省力等），但其存在成本较高，传动效率偏低，工作稳定性对温度较为敏感以及系统故障不易寻找排查，管道配置较复杂、油压升温影响等不足。

结合成本、故障维护工作难度、系统控制结构的复杂性、功能要求等综合因数情况来看，本产品选取由气动和液压组合控制的动力系统气液增压缸来做设计。气液增压缸是使用一般气压即能达成油压缸之高出力，不需要液压单元。其结构由气缸、油缸和空油转换筒组成，其工作原理基本与液压原理相同，只是能源来源由液压泵被气源取替；其系统具有装置简单，保养方便，出力大稳定，无油压升温的忧虑，利用气源作为动力源，动力源选取方便等优点。

在选取气液缸进行控制后，考虑到根据行业用户的要求，用户产品需在恒定的压力中进行生产，而大部分生产企业在为设备提供气压源都是提供一个气源供给多台设备共用气源的情况。而在需气量大的设备影响下，其他设备有调压稳压阀等保护也会受到气源的波动干扰，使设备在生产中工步受到不稳定的影响。由于企业生产环境下得气压一般都存在波，要是设备单使用电磁阀作控制输出来驱动液压缸，受气源压力波动等不定因数影响，是达不到在恒压的环境下稳定生产的。

    在气动控制中，控制部分的介质都是气体，而执行部分又是液体，之间的能量需要转换才能实现控制要求。根据需求，控制中需要采集加压时的压力，压力的采集可以利用压力传感器来完成，而气压的控制精确度和稳定性等性能也要达到相对高标准才能达到控制要求，要实现这个控制要求，可以通过PLC通过PID实现模拟量来精确输出从而达到控制的准确性。其原理将电信号转换成气信号的方法来完成气液的控制，这种控制通过电-气转换器即可实现。

     设计方案的构思：气液缸通过两个阶段实现压力控制，首先利用三位五通电磁阀控制气液缸的常规行程伸出和泄压功能。其次是气液缸的加压控制，先利用两位五通电磁阀开启液压预压，再通过采集层板压力传感器的压力值转为电信号进入PLC进行PID实时调控并通过模拟量输出电信号至电气比例阀进行加压控制，从而实现控制系统整体闭环效果。

     控制系统的构成：在考虑成本、维护便利、控制简便和基于满足客户要求的相关操作功能下，PLC控制系统采用性价比高、产品技术成熟、稳定性不错、支持USB快速下载口、自带RS232COM和RS485COM的信捷XD3系列XD3-24T-E的24点主机和4通道双极性14bitA/D输入，2通道双极性12bitD/A输出的XD3-E4AD2DA模拟量扩展组成。通过PLC主机的RS485COM口与温控模块进行温度采集和控制，RS232COM口与触摸屏相连进行数据的映射和相关动作和参数的设置操作，利用模拟量模块进行压力数据的采集和输出控制电-气转换器对气液缸的压力控制。

    根据模拟量模块的输入输出类型，选取了供电为DC24V输出为DC4-20mA类型的压力变送器；电-气转换器为供电DC24V输入为DC4-20mA类型，反馈输出为DC1-5V类型的电气比例阀。

1. PLC控制系统的地址分配见表1所示。

表1  PLC控制系统输入输出I/O分配表

2. 设备的工作流程如图2。

图2

3.PLC控制系统电路原理图的设计如图3所示。

图3

    4.液压缸系统气动原理图的设计如图4所示。

图4

   5.PLC控制程序梯形图编写。

   6.触摸屏程序编写。

   7.安装调试：

   (1)要求按照控制图纸进行线路的连接，注意与现场实际操作情况相结合。

   (2)通电前，检查线路连接是否正确，用万用表检测各回路是否有短路和断路情况；检查各电气元件型号是否对应，确认设备线路各方面正常方可上电调试。

   (3)按照相关要求设置电气元器件参数，进行PLC程序的编译和下载至PLC内，下载相关触摸屏程序，进行I/O点的核对。

   (4)进行各动作的功能点动验证，确认各动作无误后，可以对整个控制系统联动调试，验证系统的动作流程、安全性能和稳定性是否符合要求。

结束语：

本次的设计思路是由液压系统的原理而延伸出来，把复杂的液压控制系统简化为由气动驱动液压的组合控制，成功的实现了气液的加压系统，控制原理简单明了实用。不仅摆脱了以往液压传动的故障诊断困难，维护要求高，管线配置复杂等问题。这次设备方案的设计成功，离不开实际需求融合创新的思路，设计创新思路灵感可以受很多细微的社会实践现象去得到启发，充分利用技术知识，可以为各行业创造出更大的价值。

参考文献：

[1] 宁辰校. 气动技术入门与提高 . 北京：化学工业出版社，2017.11.

[2] 张利平. 液压气动技术使用维护与故障排除—实用培训教程 . 北京：化学工业出版社，2012.5.

[3] 董林福，赵艳春，刘希敏. 气动元件与系统识图 . 北京：化学工业出版社， 2009.4.

[4] 黄海燕，黎冰，何衍庆. PLC现场工程师工作指南 . 北京：化学工业出版社，2011.10.

[5] 王建，张文凡. 电类技师论文的撰写、答辩与点评 . 北京：机械工业出版社，2010.9.

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