王立永
摘 要:當(dāng)前,隨著液壓與氣壓傳動系統(tǒng)控制方法向智能化控制方向發(fā)展,傳統(tǒng)的控制方法已無法滿足自動化設(shè)備需求。本文通過闡述液壓與氣壓傳動的特點及其應(yīng)用,分析控制元件閥的控制方法,結(jié)合液壓與氣壓傳動傳動系統(tǒng)在實際生活與工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用,梳理液壓與氣壓傳動系統(tǒng)的控制方法。歸納出目前主要面臨的難點與解決方案,及比例PID控制方法進行探索,最后對液壓與氣壓傳動系統(tǒng)控制技術(shù)的發(fā)展給出總結(jié)和展望。
關(guān)鍵詞:液壓與氣壓傳動系統(tǒng) 控制方法 比例PID控制 發(fā)展
1 引言
在工業(yè)領(lǐng)域液壓與氣壓傳動技術(shù)普遍應(yīng)用,他的一些傳動優(yōu)點是機械傳動、電氣傳動無法代替的。液壓與氣壓傳動技術(shù)在實際使用中,面臨很多實際問題。合理將機械部分、電氣部分、控制部分的安裝與調(diào)試,并在工作過程中的故障如何處理成為關(guān)鍵。也是目前職業(yè)院校技能大賽的賽項,從而提高學(xué)生的實踐能力,達到與企業(yè)相接軌的目的?!兑簤号c氣壓傳動技術(shù)》課程作為機械類、機電類的專業(yè)課,是必須掌握的專業(yè)知識。液壓與氣壓傳動的控制方法是目的降低工作過程故障率,提高生產(chǎn)效率以及保證質(zhì)量條件之一。工業(yè)領(lǐng)域控制方法的發(fā)展正向自動化、智能化的方向發(fā)展,而流體自動化控制是目前的發(fā)展方向。研究流體系統(tǒng)控制方法也是現(xiàn)在面臨的問題。
2 液壓與氣壓傳動的特點及應(yīng)用
液壓與氣壓傳動系統(tǒng)可以根據(jù)工業(yè)的需要搭建成各種回路,通過傳動系統(tǒng)的控制元件控制流體流量、壓力、方向改變執(zhí)行元件的狀態(tài)??刂圃{(diào)節(jié)流量可實現(xiàn)執(zhí)行元件的無極調(diào)速,是傳統(tǒng)機械無法實現(xiàn)和替代的優(yōu)點。這些控制元件除了普通的手動控制之外,可以通過一些控制軟件進行自動控制、遠程控制。廣泛的應(yīng)用在半自動化和全自動化生產(chǎn)線,是智能制造不可缺失的部分。液壓與氣壓傳動的器件作為三化產(chǎn)品,在市面上很容易購買。在設(shè)計和維修過程中可根據(jù)需求直接購買,大大縮短了設(shè)計和制造及其提高了生產(chǎn)效率。液壓與氣壓傳動在傳動過程中需要經(jīng)過兩次能量轉(zhuǎn)換,傳動效率低。并且在傳動過程中采用的工作介質(zhì)為液壓油和壓縮空氣是可壓縮,難以保證定比傳動。液壓油對溫度比較敏感,溫度發(fā)生變化時物理特性發(fā)生變化,傳動效果隨之發(fā)生變化。工作過程中發(fā)生故障難以檢測,只能停機一一排查。液壓傳動輸出力大、傳動平穩(wěn)等的特點,廣泛應(yīng)用飛機起落架的升起和落下,盾構(gòu)機挖掘隧道以及沖壓機沖壓模型等,使用了液壓傳動獨特的特點。氣壓傳動采用的工作介質(zhì)為壓縮空氣,利用空氣來源廣泛等特點,廣泛應(yīng)用于氣動機械手、氣槍、自動門等??傊簤号c氣壓傳動應(yīng)用于生活和工業(yè)各個領(lǐng)域,是不可缺少的部分。
3 液壓與氣壓傳動系統(tǒng)控制方法
液壓與氣壓傳動系統(tǒng)主要對控制元件閥的控制,控制元件閥改變工作介質(zhì)液壓油與壓縮空氣的方向、壓力、流量實現(xiàn)控制。如果要系統(tǒng)到達需要的控制結(jié)果本質(zhì)是對閥的控制,而閥的控制方式有手動、電動、液動、電液動及其伺服控制。手動控制進行手動操縱閥的操縱桿或通過機械物塊的撞擊實現(xiàn)控制,可靠性高、自動化差等特點,一般用于系統(tǒng)調(diào)試和維修保養(yǎng)過程。電動控制通過電磁鐵控制閥芯的移動改變方向及其管路的通斷,此種控制方法可靠、反應(yīng)迅速,但是控制過程中有沖擊系統(tǒng)穩(wěn)定性差。液動控制是利用液體推動閥芯的移動,液體推動平穩(wěn)性好、可靠取決于閥體的質(zhì)量和使用時長。電液動控制用電磁鐵通斷控制油路從而控制閥芯移動,此種控制反應(yīng)迅速可靠性高、成本高,發(fā)生故障難以診斷。伺服控制利用電氣的模擬信號進行控制流量、壓力精確可靠,也是閥體工業(yè)領(lǐng)域最優(yōu)越的控制方法,可伺服控制閥的成本高,是目前工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用比較少的主要原因。
閥的控制方式有手動、電動、液動、電液動控制及其伺服控制,手動控制通過手動或機械物塊的撞擊就可以實現(xiàn),而電動、液動、電液動及其伺服控制必要有相應(yīng)的電氣裝置進行控制。常見的電氣控制元件有接觸器、繼電器、單片機、變頻器、微型計算機、PLC等,根據(jù)各自的特點應(yīng)用在系統(tǒng)相應(yīng)的位置。接觸器、繼電器工作原理通過低壓控制高壓,在液壓與氣壓傳動系統(tǒng)中主要用于泵站的起停,以及系統(tǒng)的一些邏輯控制。變頻器通過設(shè)置參數(shù)進行控制,通過傳感器檢測的信號反饋給變頻器從而控制。微型計算機控制在數(shù)控機床的液壓系統(tǒng)中比較常見,通過數(shù)控裝置控制和調(diào)節(jié)流體的參數(shù)。此控制技術(shù)需要應(yīng)用組態(tài)技術(shù)和其他一些電氣元件配合完成,用于系統(tǒng)不變更控制。單片機與PLC是利用程序進行控制,用于搭建的系統(tǒng)經(jīng)常更換的控制。目前工業(yè)領(lǐng)域自動化設(shè)備中液壓與氣壓的控制應(yīng)用微型計算機較多,自動化設(shè)備的液壓回路原理不需經(jīng)常更換。而在職業(yè)院校教學(xué)設(shè)備中PLC控制較多,在教學(xué)過程中根據(jù)需求搭建回路,此控制方法中PLC編程就成為關(guān)鍵。學(xué)生必須掌握一定的編程邏輯和指令,才可以支持系統(tǒng)正常工作。
4 液壓與氣壓傳動系統(tǒng)控制分析
液壓與氣壓傳動系統(tǒng)在工程機械中的應(yīng)用,裝載機、推土機、挖掘機液壓系統(tǒng)中需要輸出力大,控制簡單可靠。他的控制系統(tǒng)是直接手動控制閥實現(xiàn),也是目的最普遍使用的控制方法。在輕工機械中的應(yīng)用,打包機、商品包裝機采用氣壓系統(tǒng),而系統(tǒng)通過按鈕控制電磁閥實現(xiàn),傳動迅速、空氣的來源容易、成本低得到了廣泛應(yīng)用。在建筑機械中的應(yīng)用,打樁機、液壓千斤頂、平地機的液壓系統(tǒng)采用普通手動控制閥可以滿足。在汽車工業(yè)中的應(yīng)用有高空作業(yè)車、自卸式汽車、汽車起重機、小轎車等,大多使用液壓系統(tǒng)手動和按鈕控制閥。在冶金機械、鑄造機械、鍛壓機械、紡織機械中的應(yīng)用,采用液壓系統(tǒng)傳動要求輸出的力可控、位置可靠的優(yōu)點,而系統(tǒng)的控制元件電磁閥為按鈕控制。在機械制造中的應(yīng)用,組合機床、沖床、自動線、氣動扳手有的設(shè)備采用液壓系統(tǒng),有的設(shè)備采用氣壓傳動,有的設(shè)備采用液壓與氣壓傳動系統(tǒng)。系統(tǒng)控制有微型計算機控制的、有PLC控制的各不相同。
液壓與氣壓傳動系統(tǒng)控制根據(jù)系統(tǒng)的不同采用不同的控制方法,對于一些簡單最普通設(shè)備,采用手動閥或按鈕控制電磁閥即可。對于一些數(shù)控設(shè)備等,液壓與氣壓傳動系統(tǒng)比較復(fù)雜,數(shù)控設(shè)備需要實現(xiàn)全自動化或半自動化控制,采用數(shù)控設(shè)備的控制裝置控制電磁閥,即微型計算機控制。對于一些自動線設(shè)備,這種設(shè)備是機電一體化的產(chǎn)物有機械、電氣、液壓、氣壓部分等。需要各部分相互協(xié)調(diào),目前普遍采用PLC控制。
采用PLC控制液壓與氣壓傳動系統(tǒng),機械、傳感器、液壓與氣壓部分安裝與調(diào)試。首先需要進行機械部分的安裝與調(diào)試達到要求,同時進行檢測信號的傳感器的安裝與調(diào)試。其次根據(jù)要求設(shè)計液壓與氣壓回路,在設(shè)計的過程中可以借助FluidSLM仿真軟件進行輔助,根據(jù)要求對液壓、氣動回路進行科學(xué)設(shè)計,并對不同設(shè)計方案進行全面比較和綜合分析,完成對最佳設(shè)計方案的優(yōu)化,這一過程有助于增強創(chuàng)造能力[1]。然后進行液壓與氣壓部分的安裝與調(diào)試,安裝時保證不漏油不漏氣,一定要保證管路連接正確以防損壞設(shè)備。最后按模塊手動給泵站通電進行液壓與氣壓部分的調(diào)試,調(diào)試液壓與氣壓系統(tǒng)各自的方向、流量、壓力達到要求。此時機械、傳感器、液壓與氣壓部分調(diào)試完成,接下來進行電氣部分的安裝與調(diào)試。首先進行PLC的選擇,目前使用最廣的PLC有三菱和西門子兩大品牌,目前市場相比較三菱價格便宜。其次PLC主模塊和擴展模塊的選擇,選擇PLC輸出電路形式為晶體管還是繼電器,擴展模塊需要數(shù)字量還是模擬量,根據(jù)需求選擇和搭建。然后根據(jù)系統(tǒng)要求PLC的編程,本質(zhì)上PLC程序成為系統(tǒng)能否按要求工作的關(guān)鍵,也是保證系統(tǒng)正常工作前提。最后PLC模塊根據(jù)程序進行接線。此時PLC部分已完成接下整機調(diào)試。如果按以上要求調(diào)試設(shè)備基本可以正常工作,但是設(shè)備在運行過程中有可能有各種故障,根據(jù)實際情況解決即可??捎幸恍┕收弦驗閳?zhí)行元件未及時到達指定位置,傳感器未檢測到信號,PLC在執(zhí)行程序時邏輯錯誤使發(fā)生設(shè)備故障。這種故障是目前自動化設(shè)備最常見的故障,此故障只能從PLC程序的編寫和傳感器選擇進行解決。如果保證自動化設(shè)備正常工作,傳感器信號檢測和PLC程序的合理編寫成為關(guān)鍵,也是自動化設(shè)備面臨的問題。
對于液壓與氣壓傳動系統(tǒng)PLC控制而言,在運行的過程中會有一些小故障。這也是目前自動化設(shè)備很常見的故障問題??墒菍τ谝簤号c氣壓傳動系統(tǒng)的傳動介質(zhì)是液壓油和壓縮空氣,發(fā)生故障不便檢測。所以在設(shè)計過程中,機械部分的安裝與調(diào)試保證機械部件動作可靠,管接頭密封性好。電氣部分的傳感器靈敏可靠,接線正確??刂瞥绦蜻壿嫼侠怼T谠O(shè)備運行中發(fā)生故障可依據(jù)PLC監(jiān)控畫面的狀態(tài)判斷。PLC監(jiān)控信號正常,電磁閥已通電,機械部分無動作,斷電排除機械部件和管路是否堵塞。PLC監(jiān)控信號無輸入信號,觀測工件是否到位和傳感器位置是否正確,并檢測傳感器是否損壞。PLC監(jiān)控信號正常,機械部分動作錯誤,首先檢測接線是否正常,如正常則檢測電磁閥是否安裝正確。液壓與氣壓傳動系統(tǒng)PLC控制故障處理方法如圖1所示,可以很好快速檢測出故障。對于工業(yè)領(lǐng)域可以提高生產(chǎn)效率。
5 液壓與氣壓傳動系統(tǒng)基于PLC的比例PID控制
在液壓與氣壓傳動系統(tǒng)中,流體的壓力取決于負載。執(zhí)行元件在運動過程中受到的作用力會發(fā)生變化,系統(tǒng)的壓力也會發(fā)生變化。對于壓力控制基本的溢流閥、減壓閥、順序閥性能都會受到影響,從而影響液壓與氣壓傳動系統(tǒng)正常工作,造成系統(tǒng)不平穩(wěn)、震動等故障。對于節(jié)流閥當(dāng)壓力發(fā)生變化,通過節(jié)流閥的流量也會發(fā)生變化。在液壓與氣壓傳動系統(tǒng)中,流體的速度取決于流量。所以當(dāng)壓力發(fā)生變化時,通過節(jié)流閥的流體的速度也會發(fā)生變化。對于液壓與氣壓傳動系統(tǒng)需要穩(wěn)定工作,必須保證不受外界環(huán)境的影響。對于液壓與氣壓傳動系統(tǒng)都會受到外界環(huán)境的影響,保證系統(tǒng)正常工作必須加相應(yīng)的反饋控制。反饋系統(tǒng)的類型有開環(huán)控制、半閉環(huán)控制、閉環(huán)控制,開環(huán)控制無反饋信號如傳統(tǒng)閥來控制。半閉環(huán)控制對輸出端的信號進行反饋,閉環(huán)控制對輸出的信號進行反饋,半閉環(huán)控制與閉環(huán)控制相比后者的反饋性能更好。電液比例控制技術(shù)是近幾年逐步急速興起的技術(shù)之一,將電控制技術(shù)與液壓與氣壓技術(shù)等多種技術(shù)相結(jié)合于一體。具有液壓與氣壓技術(shù)控制性能好,也具有電子技術(shù)控制方便、可靠等優(yōu)點。已經(jīng)應(yīng)用液壓驅(qū)動的機器人、叉車以及航空工業(yè)領(lǐng)域等。電液比例控制技術(shù)就是應(yīng)用了比例PID控制,也是目前最可靠、穩(wěn)定的控制技術(shù)。PID控制系統(tǒng)對控制對象實時檢測與給定的數(shù)據(jù)比較產(chǎn)生誤差比例、積分和微分進行控制的控制系統(tǒng),比例PID控制方法是其中之一。目前應(yīng)用于PID控制的閥有比例壓力閥、比例換向閥、比例調(diào)速閥。對于PLC的比例PID控制檢測信號的方法有兩種,其一,通過比例控制閥檢測信號;其二,通過傳感器檢測信號。將檢測到的信號發(fā)送給PLC控制程序,PLC控制程序通過檢測的信號比較發(fā)出指令控制比例閥。隨著比例控制器的發(fā)展,在電液比例控制領(lǐng)域,已經(jīng)形成了典型比例控制放大器如圖2所示,其一般由電源變換電路、輸入接口、信號處理電路、調(diào)節(jié)器、顫振信號發(fā)生器、前置放大級、功率放大級、測量放大器等部分組成[2]。PLC在此電路中執(zhí)行的任務(wù)是信號處理,而微小的信號必須經(jīng)過放大處理才可以應(yīng)用于PLC,所以除檢測信號外必須處理放大信號。比例控制器的研究最早出現(xiàn)在發(fā)達國家液壓元件公司,我國目前大部分公司沒有自主研發(fā)的比例放大器。比例放大器在電路信號處理中起關(guān)鍵的作用,在比例PID控制系統(tǒng)中不可缺少。PLC的比例PID控制是目前在液壓與氣壓控制系統(tǒng)精密的控制,可以廣泛應(yīng)用于液壓與氣壓系統(tǒng)的設(shè)計,及其工業(yè)領(lǐng)域。比例PID控制除PLC的編寫外,主要是控制算法的編寫??刂扑惴梢酝ㄟ^Matlab軟件等完成函數(shù)計算及其處理。
6 結(jié)語
液壓與氣壓傳動系統(tǒng)是工業(yè)和生活中不可缺失的部分,對于一些簡單系統(tǒng)通過按鈕控制即可實現(xiàn)。對于復(fù)雜系統(tǒng)需要實現(xiàn)邏輯控制,必要有相應(yīng)的電氣輔助設(shè)備。液壓與氣壓傳動系統(tǒng)的故障,認真分析問題發(fā)生的原因,然后及時采取針對性的措施,建立更加完善的技術(shù)體系,加強對關(guān)鍵環(huán)節(jié)技術(shù)的研究[3]。
參考文獻:
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