基于PLC和高速开关电磁阀的数控夹具压力控制系统设计

4 PLC控制子系统设计

　　 PLC控制子系统的核心任务就是实现夹紧力的控制。PLC控制子系统由硬件和软件两部分组成。PLC根据控制台发出指令，控制电机、溢流阀、换向阀以及高速开关电磁阀等各输出点的动作。在进行夹紧力控制时，PLC把经压力变送器采样而得的压力值与预置压力进行比较，通过POD环节，输出所需的PWM 脉冲。在此基础上，PLC还具备自动功能、调整功能、报警功能、误操作防止功能、I/O点数的估计等功能。

　　4.1 PLC控制子系统硬件设计

　　 硬件部分包括PLC、扩展模块及PLC的外部设备，包括输入设备（如操作按钮、开关量及模拟量输入信号等）、执行元件（如接触器的线圈、电磁阀的线圈、指示灯等），以及控制台、控制柜、控制面板等。

　　 依据控制系统的设计任务，初步拟用西门子公司生产的小型PLC产品S7-200PLC作为夹紧动作控制的核心。为了控制电机、卸荷溢流阀及两个三位四通阀的通断，选用具有8个输出点的EM222继电器输出模块。为了对压力变送器传送过来的模拟信号进行转换，选用具有４ 路模拟量输入的EM231模拟量输入模块。通过分析CPU 和扩展模块，计算电源容量和对I/O地址进行分配。根据输入／输出元件地址分配表以及PLC的端子连线规定，设计出PLC控制系统接线图，如图3所示。此外，设计的控制面板和控制柜以方便工作人员对整个控制系统进行灵活的操作和控制。

图3PLC 控制系统接线图

　　4.2 PLC控制子系统软件设计

　　软件部分即PLC监控程序，设计后需将其下载后存储于PLC的存储器中。整个系统分调整和自动两个状态，通过ＳＴＥＰ７Ｍｉｃｒｏ／ ＷＩＮ３２ 软件对S7-200PLC进行编程，实现ＰＩＤ 调节器控制PWM波以调节压力，从而达到控制夹紧力的目的。通过编制PLC监控程序，保证了控制系统各部分在指令发出后按要求完成各自的正确动作。

5 人机交互子系统的实现

　　人机交互子系统用于方便用户与计算机的交互，便于用户控制夹紧力和监控系统的运行状态。人机互子系统由一台计算机、安装于计算机上的组态王软件运行环境以及相应的开发程序所共同构成。通过配置设备、定义变量及压力显示控制函数、画面设计等步骤完成对组态王监控程序的设计，以方便工作人员对系统的灵活操作。

6 系统测试

　　为了检查系统运行的正确性和有效性，验证系统是否达到了设计要求，对系统硬件和软件设计参数或指标、性能等内容进行综合、全面的检验。系统在调整状态、自动预置状态以及自动实时状态下，电机、各电磁阀、各液压缸完全按预定控制动作运动。PLC输出波形与固态继电器输出波形一致，反映了高速开关电磁阀可以按预定要求工作。通过夹紧力阶跃响应曲线，利用齐格勒尼柯尔斯第一法确定了控制系统的PID参数，得到了系统的性能参数：任一组夹紧力范围为0～ 6000 N；受到压力变送器的精度为１％的限制，夹紧力的控制精度为± 40N。

7 结论

　　以发动机缸盖的加工工艺系统为研究对象，基于高速开关电磁阀控制原理，设计出以PLC为基础的数控夹具压力控制系统，能够很好地适应缸盖加工过程中切削力的变化，解决了传统夹具生产效率低、夹紧力不可控等问题。实验证明，该系统一定程度上提高了生产效率和加工质量