液压系统PLC控制.docx
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液压系统PLC控制
工业大学
毕业设计（论文）
题目：
挤压机液压系统及PLC控制
姓名朱永生
学院机械电子学院
专业机械工程及自动化
班级机自S071班
学号0750310107
指导教师肖放王恩鸿
职称教授
2009年6月18日
摘要
本文主要介绍了挤压机的现状，挤压机液压系统的工作原理、特点，从设计角度出发分析液压系统各个元件的特点、工作条件，根据计算通过对电控阀、流量控制阀、压力控制阀等元件的选择设计连接液压回路，形成液压的传动系统；根据液压系统的传动特点设计电气接线图，分析在电气控制与液压系统的自动、手动控制方式、开闭环特点，利用原理分析、计算找出可能出现的控制问题，编写PLC梯形图程序，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的目的。
关键词：
液压系统PLC控制挤压机
Abstract
Thispaperintroducesthepresentsituationofextruder,theworkingprincipleandthecharacteristicsofhydraulicsystem,,fromthedesignpointofviewofanalysisthevariouscomponentsofhydraulicsystemcharacteristics,workingconditions,accordingtothecalculationofelectriccontrolvalves,flowcontrolvalves,pressurecontrolvalves,suchasthechoiceofcomponentsdesignedtoconnectthehydrauliccircuittoformingthehydraulicdrivesystem;thetransmissionhydraulicsysteminaccordancewiththecharacteristicsofthedesignofelectricalwiringdiagram,analysisintheelectricalcontrolandhydraulicsystemofautomatic,manualcontrolmode,theclosed-loopcharacteristics.UseoftheprincipletoanalysisandcomputationthecontroltoidentifypossibleproblemsandthepreparationofPLCladderprogram,ultimatelyformthePLCcontrolhydraulicsystemtocontroltheformation,achievedthepopuseofautomatedhand-controlledhydraulicsystemtocompletetheworkofaparticulartrip.
Keywords：
PLC、Ordercontrol、Hydraalicsystem
摘要
ABSTRACT
第一章绪论………………………………………………………………………1
1.1液压传动与控制概述………………………………………………………………………1
1.2液压机的发展及工艺特点………………………………………………………………1
1.3PLC的国外………………………………………………………………………………2
1.4PLC的特点…………………………………………………………………………………3
第二章明确设计要求进行工况分析……………………………………………4
2.1运动分析……………………………………………………………………………………4
2.2动力分析……………………………………………………………………………………5
第三章确定液压系统主要参数…………………………………………………10
3.1液压缸的设计计算…………………………………………………………………………10
3.2液压马达的设计计算………………………………………………………………………11
第四章液压元件的选择…………………………………………………………12
4.1液压泵的确定与所需功率的计算…………………………………………………………12
4.2阀类元件的选择…………………………………………………………………………13
4.3蓄能器的选择……………………………………………………………………………14
4.4管道的选择………………………………………………………………………………14
4.5油箱的设计………………………………………………………………………………16
4.5滤油器的选择……………………………………………………………………………16
第五章液压系统性能的验算……………………………………………………………17
5.1管路系统压力损失的验算………………………………………………………………17
第六章PLC控制……………………………………………………………………………19
6.1控制要求………………………………………………………………………………19
6.2梯形图程序设计…………………………………………………………………………19
6.3电气系统图、程序及PLC外部接线图…………………………………………………20
6.4.程序分析及设计…………………………………………………………………………23
6.6系统特点…………………………………………………………………………………25
第七章结论……………………………………………………………………26
参考文献………………………………………………………………………27
致………………………………………………………………………………28
附录中英文翻译…………………………………………………………………29
第一章绪论
1.1液压传动与控制概述
液压传动与控制是以液体（油、高水基液压油、合成液体）作为介质来实现各种机械量的输出（力、位移或速度等）的。
它与单纯的机械传动、电气传动和气压传动相比，具有传递功率大，结构小、响应快等特点，因而被广泛的应用于各种机械设备及精密的自动控制系统。
液压传动技术是一门新的学科技术，它的发展历史虽然较短，但是发展的速度却非常之快。
自从1795年制成了第一台压力机起，液压技术进入了工程领域；1906年开始应用于国防战备武器。
第二次世界大战期间，由于军事工业迫切需要反应快、精度高的自动控制系统，因而出现了液压伺服控制系统。
从60年代起，由于原子能、空间技术、大型船舰及电子技术的发展，不断地对液压技术提出新的要求，从民用到国防，由一般的传动到精确度很高的控制系统，这种技术得到更加广泛的发展和应用。
在国防工业中：
海、陆、空各种战备武器均采用液压传动与控制。
如飞机、坦克、舰艇、雷达、火炮、导弹及火箭等。
在民用工业中：
有机床工业、冶金工业、工程机械、农业方面，汽车工业、轻纺工业、船舶工业。
另外，近几年又出现了太阳跟踪系统、海浪模拟装置、飞机驾驶模拟、船舶驾驶模拟器、地震再现、火箭助飞发射装置、宇航环境模拟、高层建筑防震系统及紧急刹车装置等，均采用了液压技术。
总之，一切工程领域，凡是有机械设备的场合，均可采用液压技术。
它的发展如此之快，应用如此之广，其原因就是液压技术有着优异的特点，归纳起来液压动力传动方式具有显著的优点：
其单位重量的输出功率和单位尺寸输出功率大；液压传动装置体积小、结构紧凑、布局灵活，易实现无级调速，调速围宽，便于与电气控制相配合实现自动化；易实现过载保护与保压，安全可靠；元件易于实现系列化、标准化、通用化；液压易与微机控制等新技术相结合，构成“机-电-液-光”一体化便于实现数字化。
1.2液压机的发展及工艺特点
液压机是制品成型生产中应用最广的设备之一，自19世纪问世以来发展很快，液压机在工作中的广泛适应性，使其在国民经济各部门获得了广泛的应用。
由于液压机的液压系统和整机结构方面，已经比较成熟，目前国外液压机的发展不仅体现在控制系统方面，也主要表现在高速化、高效化、低能耗；机电液一体化，以充分合理利用机械和电子的先进技术促进整个液压系统的完善；自动化、智能化，实现对系统的自动诊断和调整，具有故障预处理功能；液压元件集成化、标准化，以有效防止泄露和污染等四个方面。
作为液压机两大组成部分的主机和液压系统，由于技术发展趋于成熟，国外机型无较大差距，主要差别在于加工工艺和安装方面。
良好的工艺使机器在过滤、冷却及防止冲击和振动方面，有较明显改善。
在油路结构设计方面，国外液压机都趋向于集成化、封闭式设计，插装阀、叠加阀和复合化元件及系统在液压系统中得到较广泛的应用。
特别是集成块可以进行专业化的生产，其质量好、性能可靠而且设计的周期也比较短。
近年来在集成块基础上发展起来的新型液压元件组成的回路也有其独特的优点，它不需要另外的连接件其结构更为紧凑，体积也相对更小，重量也更轻无需管件连接，从而消除了因油管、接头引起的泄漏、振动和噪声。
逻辑插装阀具有体积小、重量轻、密封性能好、功率损失小、动作速度快、易于集成的特点，从70年代初期开始出现，至今已得到了很快的发展。
我国从1970年开始对这种阀进行研究和生产，并已将其广泛的应用于冶金、锻压等设备上，显示了很大的优越性。
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，压力机是一种用静压来加工产品。
适用于金属粉末制品的压制成型工艺和非金属材料，如塑料、玻璃钢、绝缘材料和磨料制品的压制成型工艺，也可适用于校正和压装等工艺。
由于需要进行多种工艺，液压机具有如下的特点：
（1）工作台较大，滑块行程较长，以满足多种工艺的要求；
（2）有顶出装置，以便于顶出工件；
（3）液压机具有点动、手动和半自动等工作方式，操作方便；
（4）液压机具有保压、延时和自动回程的功能，并能进行定压成型和定程成型的操作，特别适合于金属粉末和非金属粉末的压制；
（5）液压机的工作压力、压制速度和行程围可随意调节，灵活性大。
1.3PLC的国外状况
在工业生产过程中，大量的开关量顺序控制，它按照逻辑条件进行顺序动作，并按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制，及大量离散量的数据采集。
传统上，这些功能是通过气动或电气控制系统来实现的。
1968年美国GM（通用汽车）公司提出取代继电气控制装置的要求，第二年，美国数字设备公司（DEC）研制出了基于集成电路和电子技术的控制装置，首次采用程序化的手段应用于电气控制，这就是第一代可编程序控制器，称Programmable,是世界上公认的第一台PLC.
限于当时的元器件条件及计算机发展水平，早期的PLC主要由分立元件和中小规模集成电路组成，可以完成简单的逻辑控制及定时、计数功能。
20世纪70年代初出现了微处理器。
人们很快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。
为了方便熟悉继电器、接触器系统的工程技术人员使用，可编程控制器采用和继电器电路图类似的梯形图作为主要编程语言，并将参加运算及处理的计算机存储元件都以继电器命名。
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。
个人计算机（简称PC）发展起来后，为了方便，也为了反映可编程控制器的功能特点，可编程序控制器定名为ProgrammableLogicController（PLC）。
20世纪70年代中末期，可编程控制器进入实用化发展阶段，计算机技术已全面引入可编程控制器中，使其功能发生了飞跃。
更高的运算速度、超小型体积、更可靠的工业抗干扰设计、模拟量运算、PID功能及极高的性价比奠定了它在现代工业中的地位。
20世纪80年代初，可编程控制器在先进工业国家中已获得广泛应用。
这个时期可编程控制器发展的特点是大规模、高速度、高性能、产品系列化。
这个阶段的另一个特点是世界上生产可编程控制器的国家日益增多，产量日益上升。
这标志着可编程控制器已步入成熟阶段。
上世纪80年代至90年代中期，是PLC发展最快的时期，年增长率一直保持为30~40%。
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。
从控制规模上来说，这个时期发展了大型机和超小型机；从控制能力上来说，诞生了各种各样的特殊功能单元，用于压力、温度、转速、位移等各式各样的控制场合；从产品的配套能力来说，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。
目前，可编程控制器在机械制造、石油化工、冶金钢铁、汽车、轻工业等领域的应用都得到了长足的发展。
我国可编程控制器的引进、应用、研制、生产是伴随着改革开放开始的。
最初是在引进设备量使用了可编程控制器。
接下来在各种企业的生产设备及产品中不断扩大了PLC的应用。
目前，我国自己已可以生产中小型可编程控制器。
上屋电气生产的CF系列、机床电器厂生产的DKK及D系列、组合机床研究所生产的S系列、电子计算机厂生产的YZ系列等多种产品已具备了一定的规模并在工业产品中获得了应用。
此外，华光公司、乡岛公司等中外合资企业也是我国比较著名的PLC生产厂家。
可以预期，随着我国现代化进程的深入，PLC在我国将有更广阔的应用天地。
1.4PLC的特点
（1）高可靠性是电气控制设备的关键性能。
PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。
例如三菱公司生产的F系列PLC平均无故障时间高达30万小时。
一些使用冗余CPU的PLC的平均无故障工作时间则更长。
从PLC的机外电路来说，使用PLC构成控制系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低。
此外，PLC带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。
在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。
这样，整个系统具有极高的可靠性也就不奇怪了。
（2）PLC发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。
可以用于各种规模的工业控制场合。
除了逻辑处理功能以外，现代PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。
近年来PLC的功能单元大量涌现，使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。
加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。
（3）PLC作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。
它接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。
梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。
为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。
（4）PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。
更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。
这很适合多品种、小批量的生产场合。
（5）以超小型PLC为例，新近出产的品种底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗仅数瓦。
由于体积小很容易装入机械部，是实现机电一体化的理想控制设设备
第二章明确设计要求进行工况分析
在设计液压系统时，首先应明确以下问题，并将其作为设计依据。
1.主机的用途、工艺过程、总体布局以及对液压传动装置的位置和空间尺寸的要求。
2.主机对液压系统的性能要求，如自动化程度、调速围、运动平稳性、换向定位精度以及对系统的效率、温升等的要求。
3.液压系统的工作环境，如温度、湿度、振动冲击以及是否有腐蚀性和易燃物质存在等情况。
在上述工作的基础上，应对主机进行工况分析，工况分析包括运动分析和动力分析，对复杂的系统还需编制负载和动作循环图，由此了解液压缸或液压马达的负载和速度随时间变化的规律，以下对工况分析的容作具体介绍。
2.1运动分析
主机的执行元件按工艺要求的运动情况，可以用位移循环图（L—t），速度循环图（v—t），或速度与位移循环图表示，由此对运动规律进行分析。
2.1.1位移循环图L—t
图2-1为液压机的液压缸位移循环图，纵坐标L表示活塞位移，横坐标t表示从活塞启动到返回原位的时间，曲线斜率表示活塞移动速度。
该图清楚地表明液压机的工作循环分别由快速下行、减速下行、压制、保压、泄压慢回和快速回程六个阶段组成。
图2-1位移循环图
2.1.2速度循环图v—t（或v—L）
工程中液压缸的运动特点可归纳为三种类型。
图9-2为三种类型液压缸的v-t图，第一种如图2-2中实线所示，液压缸开始作匀加速运动，然后匀速运动，
图2-2速度循环图
最后匀减速运动到终点；第二种，液压缸在总行程的前一半作匀加速运动，在另一半作匀减速运动，且加速度的数值相等；第三种，液压缸在总行程的一大半以上以较小的加速度作匀加速运动，然后匀减速至行程终点。
V-t图的三条速度曲线，不仅清楚地表明了三种类型液压缸的运动规律，也间接地表明了三种工况的动力特性。
2.2动力分析
动力分析，是研究机器在工作过程中，其执行机构的受力情况，对液压系统而言，就是研究液压缸或液压马达的负载情况。
2.2.1液压缸的负载及负载循环图
（1）液压缸的负载力计算：
工作机构作直线往复运动时，液压缸必须克服的负载由六部分组成：
（2-1）
式中：
Fc为切削阻力；Ff为摩擦阻力；Fi为惯性阻力；FG为重力；Fm为密封阻力；Fb为排油阻力。
图2-3导轨形式
切削阻力Fc：
为液压缸运动方向的工作阻力，对于机床来说就是沿工作部件运动方向的切削力，此作用力的方向如果与执行元件运动方向相反为正值，两者同向为负值。
该作用力可能是恒定的，也可能是变化的，其值要根据具体情况计算或由实验测定。
该主液压缸的活塞直径为180，根据机械设计手册查询主切削力为F
407.15N
②摩擦阻力Ff：
为液压缸带动的运动部件所受的摩擦阻力，它与导轨的形状、放置情况和运动状态有关，其计算方法可查有关的设计手册。
图2-1为最常见的两种导轨形式，其摩擦阻力的值为：
此处采用平导轨：
（2-2）
V形导轨：
（2-3）
式中：
f为摩擦因数，参阅表2-1选取；∑Fn为作用在导轨上总的正压力或沿V形导轨横截面中心线方向的总作用力；α为V形角，一般为90°。
③惯性阻力Fi：
惯性阻力Fi为运动部件在启动和制动过程中的惯性力，可按下式计算：
（2-4）
表2-1摩擦因数f
导轨类型
导轨材料
运动状态
摩擦因数（f）
滑动导轨
铸铁对铸铁
启动时
低速（v＜0.16m/s）高速（v＞0.16m/s）
0.15～0.200.1～0.120.05～0.08
滚动导轨
铸铁对滚柱（珠）淬火钢导轨对滚柱（珠）
0.005～0.020.003～0.006
静压导轨
铸铁
0.005
式中：
m为运动部件的质量（kg）；a为运动部件的加速度（m/s2）；
G为运动部件的重量（N）；g为重力加速度，g=9.81（m/s2）；
Δv为速度变化值（m/s）；Δt为启动或制动时间（s），
一般机床Δt＝0.1～0.5s，运动部件重量大的取大值。
④重力FG：
垂直放置和倾斜放置的移动部件，其本身的重量也成为一种负载，当上移时，负载为正值，下移时为负值。
由于此主缸采用水平放置，所以FG=0.
⑤密封阻力Fm：
密封阻力指装有密封装置的零件在相对移动时的摩擦力，其值与密封装置的类型、液压缸的制造质量和油液的工作压力有关。
在初算时，可按缸的机械效率（ηm=0.9）考虑；验算时，按密封装置摩擦力的计算公式计算。
（2-5）
⑥排油阻力Fb：
排油阻力为液压缸回油路上的阻力，该值与调速方案、系统所要求的稳定性、执行元件等因素有关，在系统方案未确定时无法计算，可放在液压缸的设计计算中考虑。
（2）液压缸运动循环各阶段的总负载力：
液压缸运动循环各阶段的总负载力计算，一般包括启动加速、快进、工进、快退、减速制动等几个阶段，每个阶段的总负载力是有区别的。
对此液压系统，上述计算过程可简化。
例如采用单定量泵供油，只需计算工进阶段的总负载力，若简单系统采用限压式变量泵或双联泵供油，则只需计算快速阶段和工进阶段的总负载力。
工进阶段：
（2-7）
（3）液压缸的负载循环图：
对较为复杂的液压系统，为了更清楚的了解该系统各液压缸（或液压马达）的速度和负载的变化规律，应根据各阶段的总负载力和它所经历的工作时间t或位移L按相同的坐标绘制液压缸的负载时间（F—t）或负载位移（F—L）图，然后将各液压缸在同一时间t（或位移）的负载力叠加。
图2-4负载循环图
图2-4为一部机器的F—t图，其中：
0～t1为启动过程；t1～t2为加速过程；t2～t3为恒速过程；t3～t4为制动过程。
它清楚地表明了液压缸在动作循环负载的规律。
图中最大负载是初选液压缸工作压力和确定液压缸结构尺寸的依据。
2.2.2液压马达的负载
工作机构作旋转运动时，液压马达必须克服的外负载为：
（2-9）
（1）工作负载力矩Me：
工作负载力矩可能是定值，也可能随时间变化，在此为额定力矩
。
（2）摩擦力矩Mf：
为旋转部件轴颈处的摩擦力矩，其计算公式为：
（2-10）
式中：
G为旋转部件的重量（N）；f为摩擦因数，启动时为静摩擦因数，启动后为动摩擦因数；R为轴颈半径（m）。
（3）惯性力矩Mi。
为旋转部件加速或减速时产生的惯性力矩，其计算公式为：
由机械设计手册查表得该型号马达
综上力矩之和：
根据上式，便可绘制液压马达的负载循环图。
第三章确定液压系统主要参数
3.1液压缸的设计计算
3.1．1.初定液压缸工作压力液压缸工作压力主要根据运动循环各阶段中的最大总负载力来确定，此外，还需要考虑以下因素：
（1）各类设备的不同特点和使用场合。
（2）考虑经济和重量因素，压力选得低，则元件尺寸大，重量重；压力选得高一些，则元件尺寸小，重量轻，但对元件的制造精度，密封性能要求高。
所以，液压缸的工作压力的选择有两种方式：
一是根据机械类型选；二是根据切削负载选。
如表3-1、表3-2所示。
表3-1按负载选执行文件的工作压力
负载/N
＜5000
500～10000
10000～20000
20000～30000
30000～50000
＞50000
工作压力/Mpa
≤0.8～1
1.5～2
2.5～3
3～4
4～5
＞5
表3-2按机械类型选执行文件的工作压力
机械类型
机床
农业机械
工程机械
磨床
升级会员 