气压系统三缸同步回路设计plc控制综述.docx

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气压系统三缸同步回路设计plc控制综述

重庆三峡学院

毕业设计（论文）

题目气压系统三缸同步回路设计（plc控制，消除累积误差）

院系机械工程学院

专业机械设计与制造及其自动化

年级2010级

学生姓名冉磊

学生学号201007024255

指导教师滕华驹职称讲师

完成毕业设计（论文）时间2014年5月

气压系统三缸同步回路设计（plc控制）

冉磊

重庆三峡学院机械工程学院机械设计与制造及其自动化专业2010级重庆万州404000

摘要在工程实践中，多缸同步装置应用非常广泛，本课题研究用PLC编程控制实现多个气缸位移同步，应用霍尔元件信号作为PLC输入量，通过与逻辑实现三气缸位移同步并且消除由多种因素导致的累积误差。

关键词:

PLC编程气缸同步累积误差消除

第一章PLC在气压传动系统的应用

1.1PLC简介

早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器，它主要用来代替继电器实现逻辑控制。

20世纪70年代初出现了微处理器。

人们将其引入可编程控制器，使PLC增加了运算、数据传送及处理等功能，完成了真正具有计算机特征的工业控制装置。

此时的PLC为微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物。

20世纪80年代至90年代中期，是PLC发展最快的时期，在这时期，PLC在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高，PLC逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的DCS系统。

20世纪末期，可编程控制器的发展特点是更加适应于现代工业的需要。

这个时期发展了大型机和超小型机、诞生了各种各样的特殊功能单元、生产了各种人机界面单元、通信单元，使应用可编程控制器的工业控制设备的配套更加容易。

PLC的发展趋势包括向微型化，网络化，开放化方向发展。

向系列化，标准化，模块化方向发展。

向高速度，大容量，高性能方面发展。

向自诊断，容错性，高可靠性方面发展。

PLC已经广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业。

图1-1PLC的基本结构

PLC实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同，基本构成为：

（1）电源

（2）中央处理单元（CPU）

中央处理单元（CPU）是PLC的控制中枢。

（3）存储器

存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。

存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。

（4）输入输出接口电路

现场输入接口电路由光耦合电路和微机的输入接口电路，作用是PLC与现场控制的接口界面的输入通道。

（5）功能模块

如计数、定位等功能模块。

（6）通信模块

PLC的应用

PLC日益跃居现代工业自动化三大支柱（PLC、ROBOT、CAD／CAM）的主导地位。

可编程控制器所具有的功能，使它既可用于开关量控制，又可用于模拟量控制；既可用于单机控制，又可用于组成多级控制系统；既可控制简单系统，又可控制复杂系统。

它的应用可大致归纳为如下几类：

1．逻辑控制

PLC在开关逻辑控制方面得到了最广泛的应用。

用PLC可取代传统继电器系统和顺序控制器，实现单机控制、多机控制及生产自动线控制。

2．运动控制

运动控制是通过配用PLC的单轴或多轴等位置控制模块、高速计数模块等来控制步进电动机或伺服电动机，从而使运动部件能以适当的速度或加速度实现平滑的直线运动或圆弧运动。

3.过程控制

过程控制是通过配用A／D、D／A转换模块及智能PID模块实现对生产过程中的温度、压力、流量、速度等连续变化的模拟量进行单回路或多回路闭环调节控制，使这些物理参数保持在设定值上。

4．数据处理

许多PLC具有数学运算（包括逻辑运算、函数运算、矩阵运算等）、数据的传输、转换、排序、检索和移位以及数制转换、位操作、编码、译码等功能，可以完成数据的采集、分析和处理任务。

5．多级控制

多级控制是指利用PLC的网络通信功能模块及远程I／O控制模块实现多台PLC之间的链接、PLC与上位计算机的链接，以达到上位计算机与PLC之间及PLC与PLC之间的指令下达、数据交换和数据共享。

PLC的特点:

PLC具有以下鲜明的特点。

（1）功能完善，组合灵活，扩展方便，实用性强。

（2）使用方便，编程简单，采用简明的梯形图、逻辑图或语句表等编程语言，而无需计算机知识，因此系统开发周期短，现场调试容易。

（3）安装简单，容易维修。

（4）抗干扰能力和可靠性能力都强，远高于其他各种机型。

（5）环境要求低。

（6）易学易用。

1.2气压传动简介

用气体作为工作介质进行能量传递的传动方式称为气压传动。

气压传动利用压缩气体的压力能实现能量传递。

它先将原动机的机械能转换为气体的压力能然后通过各种元件组成的控制回路来实现能量的调控，最终再将压力能转换成机械能，使执行机构实现预定的运动。

气压传动系统的组成

（1）动力装置（动力元件）：

将原动机的机械能转换成液压能或气压能的装置，如液压泵或气压发生装置（气源装置）。

（2）执行装置（元件）：

将压力能转换成机械能以驱动工作机构的装置。

其形式有作直线运动的液（气）压缸，有作回转运动的液（气）压马达。

（3）控制调节装置（元件）：

它是对系统中的压力、流量或流动方向进行控制或调节的装置，包括各种阀类元件，如溢流阀、节流阀、换向阀、开停阀等。

（4）辅助装置（元件）：

上述三部分之外的其他装置，例如油箱、滤油器、油管、蓄能器、冷却器、油雾器等。

（5）工作介质：

传递能量的液体或气体，即液压油液或压缩空气。

气压传动的特点：

优点

（1）工作介质为空气，它取之不尽用之不竭，不会污染环境。

（2）工作介质粘度很低，流动阻力很小，压力损失小，便于集中供气和远距离输送。

（3）对工作环境适应性好，在易然、易爆、多尘埃，强辐射和振动等恶劣环境下，仍能可靠的工作。

（4）气压传动动作速度和反应快。

（5）有较好的自保持能力。

（6）在一定的超负荷工况下也能保证系统安全工作，不易发生过热现象。

缺点

（1）气压传动系统的工作压力低，仅适用于小功率场合。

（2）空气的可压缩性大，气压传动系统的速度稳定性差，给系统的位置和速度控制精度带来很大影响。

（3）噪声大，尤其是排气时，需加消声器。

（4）工作介质本身没有润滑性，气压传动元件需另加油雾器进行润滑。

接近开关的工作原理及应用：

接近开关又称无触点行程开关，它可以完成行程保护和限位保护，还是一种非接触型的检测装置，检测零件尺寸和测速等等，可用于变频计数器，变频脉冲发生器，液面控制和加工程序的自动衔接等。

接近开关按工作原理可分为高频振荡型，电容型，感应电桥型，永久磁铁型和霍尔效应型。

霍尔元件是一种敏感元件。

利用霍尔元件做成的开关叫做霍尔开关。

当磁性物体接近霍尔开关时，开关检测面上的霍尔元件因产生霍尔效应而使开关内部电路状态发生变化，由此识别附近有磁性物体存在，进而控制开关的通断。

这种接近开关的检测对象必须是磁性物体。

对于检测体为金属时，若检测灵敏度要求不高，可选用价格低廉的磁性接近开关或霍尔式接近开关。

1.3PLC与液压气压系统

用PLC控制的系统或设备功能完善，可靠性高。

因此用PLC控制取代继电器控制是大势所趋。

有些继电器控制系统或设备，经过多年的运行实践证明其设计是成功的，若改用PLC控制，可以在原继电器控制电路的基础上经过合理转换，设计出具有相同功能的PLC控制程序。

PLC的输入端一般连接主令电器，如按钮，限位开关，转换开关等。

而输出端一般连接接触器，继电器，电磁阀等等。

PLC在液压与气压传动控制中的应用:

三菱FX系列PLC的系统配置灵活，用户可以选用多种基本单元，扩展单元和控制模块，组成不同的I/O点和不同功能的控制系统，各种配置都可以得到很高的性价比。

FX系列PLC体积极小，却具有很强的功能，很适合在机电一体化产品中使用，它的程序存储量大，可以在线监测，在线修改程序，可以用调制解调器和电话线实现远程监控和编程，元件注释可以存储在程序存储器中，

液压系统经常要求多个缸按一定的顺序动作。

PLC控制简单方便，特别适合缸比较多，动作顺序比较复杂的多缸循环顺序的动作回路。

PLC编程方便，易于使用，变更动作顺序只需在程序上稍作修改便可实现。

多缸行程顺序控制一般采用行程开关检测液压缸的行程，行程信息反馈到PLC的输入端，PLC由此发出后续动作命令。

PLC液压同步控制系统一般是由PLC按照预先编制的控制程序输入液压，位移指令给液压系统和位移监控系统，液压系统接受指令后，液压缸根据控制参量产生相应的位移。

位移监控系统根据各液压缸的位移情况，及时反馈给PLC，控制软件程序将根据位移反馈信息及时修整液压位移指令，通过反复调控现成位移的闭环，使各缸的位移在每个循环内的系统误差控制在规定之内。

PLC用于液压控制的优点

早期液压系统采用继电器控制，其缺点主要表现为：

线路复杂，继电器动作慢，寿命短，系统控制精度差，故障率高，维修工作量大等等。

采用PLC控制可消除上述缺陷。

PLC工作性能稳定且各I/O指示简单明了，易于编程，可在线修改，大大缩短了维修，改制，安装和调试液压系统设备的时间。

PLC具有控制系统可靠性高，通用性强，抗干扰能力强，更加适合工业现场的要求。

用PLC控制，可使液压系统工作平稳准确，更有利于改善工人的劳动环境，大大提高了生产效率和自动化程度，特别是改变机构的某些动作时仅需进行程序的调整。

采用PLC控制的液压控制系统，使系统模块化，减小了液压系统和设备的体积。

第二章气压三缸同步系统

同步回路设计应该考虑到气缸动作的多种情况，在工程实际应用中也可能只要求一部分气缸动作，因此设计的回路必须满足某几个气缸单独动作。

例如有些工业情况只要求一个或者两个气缸动作。

本次设计通过PLC编程控制电磁阀的通断进而控制一个或者多个气缸动作，在工程应用领域具有重要的意义。

2.1同步回路的实际意义

随着液压技术在工程应用领域日益扩大，大型设备负载增加，需要多个执行元件同时驱动一个工作部件，同步运动显得尤为突出。

和其他方式相比，液压同步驱动具有结构简单，组成方便易于自动控制等特点。

同时液压系统的泄漏，执行元件存在的摩擦阻力，控制元件间的性能差异，各个执行元件负载的差异，系统各组成部分制造误差等因素的影响，将造成执行机构的同步误差。

液压同步工作技术从材料加工到工程施工有着越来越广阔的前景，先进的塑性成型设备一般都采用液压同步工作技术，液压同步提升技术是一项新颖的建筑构件提升安装施工技术，它采用计算机控制的液压同步原理，将成千上万的构件提升到预定高度安装就位。

液压同步提升系统主要由多个同规格的提升液压缸，电液比例液压控制系统，计算机控制系统及传感器监测系统组成。

在水电行业，同步顶升系统完成水轮机转轮和叶轮的同步顶升。

用刚性构件可使两液压执行机构建立刚性运动关系，实现位移同步。

2.2气压（液压）同步回路原理

同步运动回路是用于保证系统中的两个或多个执行元件在运动中以相同的位移或速度运动，也可以按一定的速比运动。

影响同步运动精度的因素很多，如外负载，泄露，摩擦阻力，变形及液体中含有气体等都会使执行元件运动不同步。

为此，同步运动回路应尽量克服或减少上述因素的影响。

有些液压系统，要求两个或多个液压缸同步运动。

同步运动分为位置同步和速度同步两种。

所谓位置同步，就是在每一瞬间，各液压缸的相对位置保持固定不变。

对于开环控制系统，严格的做到每一瞬间的位置同步使困难的，由此，常常采用速度同步控制方式。

如果能严格的保证每一瞬间的速度同步，也就保证了位置同步，然而做到这一点也是困难的。

为了获得高精度的位置同步运动，需要采用位置闭环控制措施。

开环控制的同步运动回路同步精度不高。

液压同步控制系统按输出量是否进行反馈测量可以分为开环液压同步控制系统和闭环液压同步控制系统。

同步控制系统按实现的任务不同可分为力液压同步控制系统，速度液压同步控制系统和位置液压同步控制系统。

开环控制的液压同步驱动，完全靠液压控制元件（如同步阀，各类节流阀，调速阀）本身的精度来控制执行元件的同步，而不对输出进行检测和反馈，所以它不能很好的消除累积误差，也大大限制了这种控制方式的适用范围。

液压同步闭环控制较复杂，造价较高，但由于它对输出量进行检测反馈。

在很大程度是消除抑制不利因素的影响。

与其他控制阀相比，电液伺服阀是种高精度高频响的电液控制元件。

由它组成的液压同步闭环控制系统部件响应速度快，而且特别控制精度高。

该种阀结构复杂，造价高，一般适用于高同步精度的各类主机。

电液比例阀比电液伺服阀频率响应低，其造价较低，抗污染能力高性能良好，已大量用于系统频率响应适中而需要较高同步精度的主机上。

容积式同步运动回路:

容积式同步运动回路主要是用相同的液压泵，执行元件或机械连接的方法来实现。

容积式同步回路指将两相等容积的油液分配到有效工作面积相同的两液压缸，实现位移同步。

由于没有截流和溢流功率损失，效率也较高。

包括串联缸同步回路和分流马达同步回路。

截流式同步运动回路

用分流阀控制两个并联液压缸同步运动的回路。

两个尺寸相同的液压缸的进油路上，串接分流阀。

该分流阀能保证进入两液压缸的流量相等。

从而实现同步运动。

还可以用电液比例阀同步运动回路。

该回路中使用了一个普通调速阀和一个电液比例调速阀，分别控制两个油缸的运动。

当油缸出现位置误差时，检测装置就会发出信号，以调节比例阀的开度，实现同步。

如果想使两个油缸在任何时候的位置误差都不超过0.05至0.2MM，则只能使用电液伺服阀控制的同步回路。

通过伺服阀和位移传感器的反馈信号持续不断的控制阀的开口度，使通过的流量相同，实现运动同步。

2.3选择同步回路及累积误差消除方案

本课题是根据学校实验室具体条件而选择的设计方案，由于没有电液伺服阀，电液比例阀，数字控制阀等高造价控制元件，我选择的是开环同步控制系统，采用的是三位五通电磁换向阀控制三个气缸的换向。

用两个T型接头均分气压。

用六个霍尔式接近开关控制三个气缸的左右行程，根据自动补偿原理消除运行过程中产生的累积误差。

本次实验同步回路通过PLC控制电磁换向阀，运用顺序动作基本思想编程序实现三个气缸位移同步。

通过调节三个单向节流阀调定气缸动作速度，当三个气缸中的任意一个未到达规定的位置，接近开关不会同时动作进入下一步，而是继续等待，此时回路气体自动补偿到未抵达的气缸。

因而每一次伸出退回都能够保证三气缸位移同步。

因此可以很好的做到累积误差的消除

三缸同步回路原理图如下：

图2-1气压三缸同步回路原理图

累积误差消除方案：

当按下启动开关，YA1,YA2,YA3,YA4,YA5,YA6,YA7得电，此时无论三个气缸处于什么位置，三位五通电磁换向阀工作右位。

三个气缸退回。

经过一段时间，退回到原位，X5,X7,X11得电，三个信号与逻辑，输出为1时进入下一步，如果有一个没有得电，不会进入下一步。

接下来YA0得电，三位五通电磁换向阀工作左位，ABC三个气缸伸出，调节三个单向节流阀的开口大小可以控制气缸的动作速度。

当气缸完全伸出，触碰霍尔行程开关，X4X6X10得电，三个信号与逻辑，当输出为1时，进入下一步动作。

如此循环，每次进退都能够做到位移同步，通过PLC控制实现累积误差的消除。

动作顺序如下：

图2-2三气缸同步回路动作顺序

图2-3消除累积误差逻辑原理图

说明如下;

A气缸：

A0检测气缸完全伸出，A1检测气缸退回

B气缸：

B0检测气缸完全伸出，B1检测气缸退回

C气缸：

C0检测气缸完全伸出，C1检测气缸退回

YA0三位五通电磁换向阀左线圈，YA1三位五通电磁换向阀右线圈

气动回路的全部动作有气缸驱动，而气缸又由相应的电磁阀控制。

其中，前进.后退由一个三位五通电磁换向阀控制，当电磁阀左边通电时，气缸伸出；当电磁阀右边通电时，气缸退回。

回路信号均有plc程序控制达到规定动作

第三章PLC编程

3.1气压三缸同步回路PLC接线图：

图3-1.PLC接线图

3.2输入输出点分配表

为了将气动回路的控制关系用PLC控制器实现，PLC需要8个输入点（启动按钮、停止按钮和6个电磁式接近开关），8个输出点。

为了使用方便，所以选择了FX1S型的PLC。

器件代号

地址表

功能说明

器件代号

地址表

功能说明

开关1

X000

启动按钮

YA0

Y000

三气缸向左伸出

开关2

X001

停止按钮

YA1

Y001

三气缸向右退回

接近开关1

X004

一号气缸左限位输入按钮

YA2

Y002

2号电控阀

接近开关2

X005

一号气缸右限位输入按钮

YA3

Y003

3号电控阀

接近开关3

X006

二号气缸左限位输入按钮

YA4

Y004

4号电控阀

接近开关4

X007

二号气缸右限位输入按钮

YA5

Y005

5号电控阀

接近开关5

X010

三号气缸左限位输入按钮

YA6

Y006

6号电控阀

接近开关6

X011

三号气缸右限位输入按钮

YA7

Y007

7号电控阀

表3—1输入输出点分配表

3.3系统控制功能流程图及梯形图指令表

图3.2.一个气缸动作PLC控制顺序功能流程图

图3.3两个气缸动作PLC控制顺序功能流程图

图3.4三个气缸同步动作PLC控制顺序功能流程图

根据PLC对回路气缸的控制关系以及输入输出点，我们需要确定梯形图的设计方案，由于三个气缸的动作复杂而回路中产生的障碍信号更多，所以在设计程序时要复杂。

因此我运用了以转换为中心的编程方式来设计此程序，根据缸的动作顺序要求用了辅助继电器来代步。

某一步为活动步时，对应的辅助继电器为1状态，该转换的后续步变为活动步前级变为不活动步。

在程序设计中通过辅助继电器的是否通电来达到气压缸的启动条件和停止条件，从而消除了气压回路中的障碍信号，设计程序梯形图如附录2

PLC指令表见附录2：

3.4同步回路消除累积误差原理

本次实验同步回路通过PLC控制电磁换向阀，运用顺序动作基本思想编程序实现三个气缸位移同步。

通过调节三个单向节流阀调定气缸动作速度，当三个气缸中的任意一个未到达规定的位置，接近开关不会同时动作进入下一步，而是继续等待，此时回路气体自动补偿到未抵达的气缸。

每一次伸出退回都能够保证三气缸位移同步。

因而做到了累积误差的消除。

图3.5X5,X7,X11三个信号与逻辑

图3-6消除累积误差的梯形图（X4,X6,X10三个信号与逻辑）

图3-7.PLC程序指令表

该段程序用于消除累积误差。

第四章PLC控制系统的设计调试步骤

4.1程序设计与调试

（1）首先应根据总体要求和控制系统的具体情况，确定用户程序的基本结构，画出程序结构方框图。

对于开关量控制系统的自动程序，则应首先画出顺序功能图。

方框图和顺序功能图是编程的主要依据，应尽可能准确和详细。

（2）开关量控制程序一般用梯形图语言进行设计，对于比较复杂的系统，一般采用顺序控制设计法。

画出系统的顺序功能图后，选择以转换为中心的编程方式。

（3）输入程序后，首先逐条仔细检查，并改正输入时出现的错误。

（4）调试和修改程序，直到满足要求为止。

4.2注意事项

（1）熟悉现场环境及设备。

（2）熟悉电源模块的配置。

连接PLC时，要清楚PLC的供电电压是多少伏，如果实际电压小于供电电压则不能运行，PLC上的Power灯就不会亮；如果实际电压大于供电电压，则PLC有可能会被烧坏。

（3）做好静电的隔离。

静电可能造成损坏电子组件。

（4）检查接线，端口接线一定要牢固。

（5）数据线与计算机的接口必须要与软件的端口设置保持匹配，否则运行会产生通信错误的问题。

本设计中采用的是COM端口。

（6）连接PLC上的输入输出端口对应的动作必须与程序中的输入输出点的定义保持动作一致。

（7）切记上电时一定要注意安全。

结论

1.本次毕业设计利用PLC及霍尔接近开关相结合编程控制实现气压系统三气缸位移同步，利用霍尔接近开关信号与逻辑作为PLC输入。

通过编程控制消除每次行程产生的累积误差。

而且可以通过PLC编程控制电磁阀的导通截止控制一个或多个气缸同步动作。

2.根据顺序功能图写出梯形图指令表，完成液压与气压试验平台的搭接，最后完成系统的调试。

3.本实验的不足之处：

由于受到实验室条件的限制，没有比例调速阀，位移传感器等贵重元器件，无法做到高精度闭环同步控制，即无法做到气缸速度同步。

我采取无反馈措施的开环同步回路同步精度较低，做到位移同步。

另外，在实验过程中没有给气缸加外负载。

致谢语

这次的PLC程序设计,加深了对PLC软硬件系统的理解与掌握,对液压与气压传动有了更深刻的认识，也使我深深体会到学好PLC的必要性.掌握PLC的知识才能掌握工业自动化控制的精华。

同时还增强了我的动手能力和分析问题的能力。

能把我们所学到的书本知识应用到实践中去,现在看到硬件不再是毫无头绪了,对看程序也有了一定的了解,同时学好PLC对我们真的很有用,现在PLC与我们的生活紧密相关.不过在经过了前面的一些努力之后，我有信心也有能力去把它完成的更好。

本次毕业设计是在我们的指导老师------滕华驹老师的亲切关怀和悉心指导下顺利完成的。

他耐心的指导和认真的工作态度，是值得我们学习的，从接到毕业设计的课题到现在的论文写作结束，滕华驹老师都始终给予我们细心的指导和真诚的鼓励。

几个月来，滕华驹老师不仅在学业上给我们精心指导，同时还在思想、生活上给我们关怀，在此向老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。

老师严谨的工作作风令人钦佩。

在论文即将完成之际，在这里请接受我诚挚的谢意!

参考文献

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机械工业出版社，2011.

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中国电力出版社，2007.

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高等教育出版社，2009.

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[8]三菱FX/Q系列PLC自学手册[J].人民邮电出版社，2009.

Triplexsynchronouscircuitdesignpressuresystem（PLCcontrol）

Ranlei

Chongqingthreegorgescollegemechanicalengineeringmechanicaldesignandmanufacturingandautomation,Chongqingwanzhou4040002010

Abstract：

inengineeringpractice,multi-cylindersynchronousdeviceiswidelyused,theresearchofmultiplecylinderdisplacementsynchronizedwithPLCprogrammingcontrol,applicationofthehallelementsignalasPLCinputs,withthethree