摘要：设计了一种基于可编程序控制器（PLC）的液压缸自动调压系统，该系统解决了工业控制生产线液压冲压、轧制单元部分以及运用液压缸传统的手动调压方式，适应了现代工业技术自动化、智能化趋势。该系统能实现自动调压，自动调压过程时间短，压力稳定，无需人为进行调压，提高生产效率，结构简单，具有较强的扩展能力。该系统基于西门子S7-200SMART PLC为核心，采用了两个PLC，分别为主站与从站，主站控制液压缸的动作和采集位移和压力，从站控制步进电机，两者之间通过MODBUS协议相互通信，还有足够的I/O点便于延伸扩展其他功能。系统在传统的调压阀基础上装入齿轮，通过步进电机进行驱动，液压缸位移和压力传感器实时检测压力并反馈给PLC，配合PLC程序进行调压，从而使液压缸伸出或缩回的压力达到预设值。
关键词：S7-200SMART；MODBUS通信；自动调压；传感器；液压传动
0 引言
随着时代的发展、科技的不断进步，液压传动对现在的人们来说已经不再陌生，液压传动的应用相当广泛，因为液压传动有许多突出的优点。液压是机械行业、机电行业的一个名词，作为动力传动的一种方式，成为液压传动，一液体作为工作介质，利用液压的压力传递动力，具有输出较大的力矩、惯性小、响应快等优点，一个完成的液压系统由五个部分组成，即能源装置、执行装置、控制调节装置、辅助装置和液体介质。在工业应用环境中和严格的生产要求下，液压传动也并不是一味追求大压力输出，通过控制调节装置让液压系统的输出压力可以调节，而目前为止，在大多数液压系统应用领域中，液压压力的调节仍需手动进行，在现代科技飞速发展的背景下，这显然不符合现代化、自动化、智能化发展趋势，工业环境复杂多变，手动操作存在诸多弊端，也使得液压传动系统在应用、发展方面受到很大的限制。为此，该设计从实际出发，解决了液压传动传统的手动调压方式进行调压，采用专为工业设计的可编程序控制器（Progammadble Controllre， PLC）作为控制器，输出控制大扭矩步进电机的转动角度，液压调压阀与步进电机之间通过齿轮传动，最终实现自动调压，系统中传感器采集位移、压力信号通过程序进行分析，实现闭环控制，使得系统更加稳定、精确、可靠。
1 系统总体设计
1.1 系统简介
液压自动调压系统在传统的液压冲压回路的基础上，对调压阀进行改进，采用西门子S7-200 Smart PLC控制器将液压缸位移传感器、压力传感器采集回来的模拟量进行分析、处理、输出，驱动步进电机对调压阀进行调节，从而对冲压单作用缸下行到底的压力实现自动调压。液压缸自动调压系统全景实物如图1所示：
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图1 液压缸自动调压系统实物图
工作原理：给整个系统上电，进入准备工作状态，打开液压泵为执行系统提供油压，系
统设有两个按钮，分别是冲压缸下行按钮和冲压缸上行按钮，按冲压缸下行按钮，换向阀使冲压缸下行，下行到底位移传感器和压力传感器同时将采集的信息实时传送给PLC，PLC进行程序运行分析，PLC分为主站和从站，相互通信数据共享，将实际压力与设定压力进行判断，如果实际压力>设定压力，那么步进电机会正转对调压阀进行调节，将压力调至设定值，反之电机反转进行调节。机械式压力表与传感器采集压力模拟量对照,确保系统压力的准确性。
1.2 系统的结构组成
本设计的硬件部分包括机械机构和电气硬件两部分：
机械结构部分：液压回路部分、步进电机与调压阀之间齿轮传动。
电气硬件部分：PLC主站部分、PLC从站部分、步进电机和驱动部分、传感器采集部分、
按键执行部分。
2 本设计的硬件架构
2.1 机械结构部分
2.1.1 液压回路
系统用到的液压元件有变量液压泵、油箱、减压阀、三位四通换向阀（O型）、双作用液压缸和压力表构成一个简单的液压回路传动系统，液压泵为系统提供油压，减压阀作为调压阀对液压缸进行调压，三位四通换向阀控制缸的动作，双作用液压缸行程150mm，还有位移、压力传感器对系统进行采集相关信息。
2.1.2 步进电机与调压阀之间齿轮传动结构
步进电机转动轴上装有一个1模20齿的齿轮，调压阀的调节口处装一个1模50齿的齿轮，两者之间进行咬合传动，调压阀的调节压力动作由步进电机进行，小齿轮带大齿轮，可以使得调压阀的调节转动角度更小，从而使得输出压力更加精确。齿轮传动具有传动平稳性、传动功率较大等优点。
2.2 电气硬件部分
2.2.1 PLC控制部分
系统采用两台西门子S7-200SmartPLC作为中心控制单元，主站PLC CPU型号为SR20，从站PLC CPU型号为ST20。主站PLC用于接收液压缸下行按钮SB1和液压缸上行按钮SB2输入命令、扩展模块EM AM06接收液压回路中传感器采集信号、输出控制换向阀的电磁阀YA1、YA2的得电与失电、与从站进行MODBUS通信。从站PLC用于与主站进行MODBUS通信和控制步进电机驱动器，从而控制步进电机转动。
2.2.2 传感器
位移传感器具有数字化、精度高、抗干扰能力强、没有人为读数误差、安装方便、使用可靠等优点。该系统采用直线位移传感器，直线位移传感器能够将位移量转换成电信号，将可变电阻定值在传感器的固定部分，通过滑片在滑轨上的位移来测量不同的阻值。在该系统中位移传感器用于测量液压缸的伸缩距离，从而对液压压力进行判定。直线位移传感器基本参数见表1。
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压力传感器采用PT202压力变送器，具有高过载芯体，使用了特殊封装工艺，很好的过载能力，使用测量冲击，高过载的液体压力。用于实时采集压力信息发送主站处理。PT202压力变送器基本参数见表2.
表2 PT202压力变送器基本参数
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2.2.3 步进电机与驱动
步进电机是作为自动调压动力源，采用的是两相四线57步进电机，电流1.7A，步距脚1.8°，扭矩2.2N.M。该电机输出力矩较大，转速均匀、稳定，不丢步，噪声低，在系统需要调高压时不发生堵转。
步进电机驱动器采用H桥双极恒相恒流驱动，最大4.0A的八种输出电流可选，最大32细分的6种细分模式可选，输入信号高速光电隔离，标准共阳单脉冲接口，带有节能的半自动电流锁定功能，内置温度、短路、过流、欠压等保护。驱动器在系统中只为驱动步进电机动作，该功能足以满足要求。
3 本设计的软件架构
3.1 PLC程序控制流程图
3.1.1 主站PLC
主站PLC程序根据I/O配置和控制要求程序由主程序、位移和压力模拟量采集子程序组成，该系统以调节双作用液压缸下行到底压力为例，主站主程序流程图见图7所示。
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3.1.2 从站PLC
从站PLC程序根据I/O配置和控制要求程序由主程序、步进电机配置程序和步进电机停止程序组成，从站主程序流程图见图8所示。
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3.2 模拟量处理
主站PLC扩展模块EM AM06,采集液压缸位移量信号是0～5V、压力信号是0～2V的电压信号，组态配置EM AM06模块的输入0通道AIW32，输入1通道AIW34，两通道范围+/-5V,对应PLC的数字量-27648～27648，设实际的位移值为X，实际的压力值为Y，则系统位移的计算公式为
(1)
系统位移的计算公式为
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(2)
3.3 驱动步进电机程序
配置了启动程序和停止程序两个子程序，用于主程序根据要求调用，从站配置了一个PWM从Q0.0输出，Q0.1改变电机方向，PWM的周期值为1000，让步进电机低速大扭矩转动运行，且调节精准度更高，当需要调压时，给电机设定100000个脉冲值，满足从0到调压阀调节极限进行转动。
3.4 MODBUS通信
通信波特率19200。
主站PLC的IP地址：192.168.2.2，主站向从站通信地址：V0.0～V9.7，配置主站MODBUS程序、响应从站写请求、响应从站读请求。
从站PLC的IP地址：192.168.2.1，从站向主站通信地址：V10.0～V19.7，配置从站MODBUS程序、执行MODBUS从站协议程序。
4 系统实现与测试
系统进入运行工作状态，主站采集实际压力值实时发送给从站，按下液压缸下行按钮，三位四通换向阀YA1得电吸合，液压缸下行，主站通过采集的位移传感器信息知道缸下行到底，给从站发送命令和压力设定值。从站接收压力设定值，取设定值的+/-0.02Mpa作为设定值的上下限范围，从站根据实际值与设定值上下限的比较驱动步进电机转动进行调压，用机械式压力表显示值作为参照，设定6个压力值先升压后降压进行测验。
5 结论
从表3的试验测试数据中可以看出，升降压1Mpa时所需的时间都在10S左右，几乎是成线性的，最后调压结束时，传感器测得的压力总比设定值小或大0.02Mpa，是因为在程序中设置了+/-0.02的压力范围用于做比较，所以整个系统实测压力与目标压力存在+/-0.02Mpa的误差。但这个误差值是可以减小，就是可以让步进电机转速再慢，或者将调压阀上的齿轮齿数增多，这样调压所需的时间就增加。根据工业现场要求的场合进行选择。整个系统与传统手动调压相比能实现自动调压，自动调压过程时间短，压力稳定，减少人为进行调压，提高生产效率，结构简单，两个PLC都可以增加I/O点数具有较强的扩展能力。系统是以调节液压缸下行到底的压力为试验，模拟的是部分工业流水线中冲压轧制单元的调压，若要调节上行的压力只需换油管即可，转换灵活，工作可靠。
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