CN108286545A - 一种密炼机上顶栓油缸液压控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种密炼机上顶栓油缸液压控制系统，通过实时监测油缸活塞杆运动速度、油缸两腔压力以及伺服电机转速的信号，反馈给PLC可编程控制器并通过内置PID逻辑运算，给定伺服驱动器输入信号控制伺服电机的转速，同时控制恒压变量泵所带比例压力阀的调定压力，最终实现对密炼机上顶栓速度和压砣压力的闭环控制，即对上顶栓的上升、下降、加压和浮砣的工作过程进行实时监控和调节，极大程度地减少了能源消耗，提高了系统工作效率。利用伺服驱动器控制伺服电机转速，进而调节恒压变量泵的输出流量来适应系统要求，最大限度地减少了溢流损失；系统减少了节流损失，降低油液发热量。

Description

一种密炼机上顶栓油缸液压控制系统

技术领域

本发明涉及密炼机工作状态控制领域，尤其涉及一种密炼机上顶栓油缸液压控制系统。

背景技术

密炼机是橡胶制品进行混炼加工生产所采用的主要设备，主要由密炼室、加料压料装置、卸料装置、传动装置等部分组成。上顶栓作为密炼机的核心部件，其主要作用是通过安装在上顶拴上的压砣给密炼室内的胶料提供稳定的压力，并且要求压砣跟随胶料的体积变化而变化，主要动作过程包括上顶栓上升、上顶栓下降、加压、浮砣等。上顶栓控制方式主要包括气动和液压两种方式。密炼机早期多采用气动方式控制上顶栓，不仅体积大，工作噪声大，压力不稳定，而且气体的可压缩性使得对压力的控制也不精确。与气动控制方式相比，液压方式控制的上顶栓可以产生稳定的压力，保证炼胶质量，降低能量消耗，减小噪声，减少成本，提高混炼效率。所以近几年来上顶栓多采用液压控制方法。目前的液压控制方法基本上全是通过伺服阀、电磁换向阀、节流阀、溢流阀来控制工作油液的压力，流向和流速，完成上顶栓升降以及加压等工况，是一种阀控节流控制方式，液压泵保压时供油量不变，多余油液均溢流，存在成本高、结构复杂、能耗大、发热量严重、噪音高、振动大、油液过滤精度要求高、节流损失大等缺陷。而且上顶栓上升、上顶栓下降、加压、浮砣等工况都需要通过上顶栓PLC往给定板输入电流信号和开、闭环切换信号来实现。虽然液压控制方式可通过开环控制做到压砣的快速升降，但是在加压和浮砣时，由于浮砣要求上顶栓受油压与胶料的合力接近为零，而在炼胶过程中，胶料对上顶栓的压力一直处于快速变化状态，因此很难通过闭环控制实现对压砣的高精度压力控制。实际应用时，现有密炼机压砣的压力控制采用的是开环控制。而且在使用时需要考虑上顶栓PLC与密炼机主PLC的类型及通讯，现场调试复杂。

发明内容

根据现有技术存在的问题，本发明公开了一种密炼机上顶栓油缸液压控制系统，具体方案为：包括检测油缸活塞杆的速度信号信息、油缸无杆腔和有杆腔的压力信号信息以及伺服电机的转速信息的检测单元；

接收所述检测单元传送的数据信息的控制单元，所述控制单元根据油缸活塞杆的速度信息、无杆腔和有杆腔的压力信息以及伺服电机的转速信息采用PID闭环控制方式设计出对上顶栓的控制指令；其中上顶栓的控制指令包括伺服电机的转速和恒压变量泵的电磁比例压力阀调定压力信息；

接收所述控制单元传送的控制指令信息驱动密炼机伺服电机的运转速率的执行机构，所述执行机构根据接收到的指令信息控制密炼机上顶栓的上升、下降、加压和浮砣动作的运行。

所述检测单元包括用于检测油缸活塞杆的速度信号的速度传感器、检测伺服电机的转速信号的旋转编码器、用于检测油缸无杆腔和有杆腔的压力信号的压力传感器。

所述控制单元至少包括接收检测单元传送的信号信息将模拟信号转换成数字信号的A/D转换模块和PLC可编程控制器，所述A/D转换模块与PLC可编程控制器的输入端相连接，所述PLC可编程控制器的输出端连接有D/A转换模块，所述D/A转换模块与伺服驱动器和伺服电机的输入端相连接，所述伺服驱动器还通过伺服电机与恒压变量泵相连接；

所述PLC可编程控制器根据接收到的油缸活塞杆运动速度、油缸两腔压力以及伺服电机转速信息采用PID逻辑运算输出伺服电机的转速信息、同时控制恒压变量泵的带比例压力阀的调定压力、对上顶栓速度和压砣压力进行闭环控制。

所述执行机构包括控制油缸升降动作的阀门组件和压力控制组件，所述阀门组件和压力控制组件设置在恒压变量泵与油缸的连通管路上；该连接管路上设置有过滤器、第一单向阀和第二单向阀，所述恒压变量泵的出油口与过滤器相连接，所述过滤器的出油口与第一单向阀的进油口相连接，所述第一单向阀的出油口与第二单向阀的进油口相连接，所述第二单向阀的出油口与阀门组件相连接，所述阀门组件的出油口与油缸的进油口相连接；

所述压力控制组件的进油口与油缸的有杆腔相连接，所述压力控制组件的出油口与油箱1相连接。

所述阀门组件至少包括：第一插装阀、第二插装阀、第三插装阀，所述第一插装阀的B口与油缸的无杆腔相连，所述第一插装阀的A口与油箱相连；所述第二插装阀、第三插装阀的A口与第二单向阀的出油口相连，所述第二插装阀的B口与油缸的无杆腔相连，所述第三插装阀的B口与油缸的有杆腔相连；

所述压力控制组件至少包括第二溢流阀、比例压力阀、用于调节油缸内有杆腔的液体流量和压力的节流阀和在浮砣工况下控制油缸有杆腔内油液流回油箱的电磁换向阀；

所述第二溢流阀、比例压力阀、节流阀和电磁换向阀的进油口与油缸有杆腔相连接，所述第二溢流阀、比例压力阀、节流阀和电磁换向阀的出油口和油箱1相连接。

所述执行机构还包括蓄能器、第一溢流阀和手动泵；所述第一溢流阀的进油口与第二单向阀的进油口和手动泵的出油口相连接，所述第一溢流阀的出油口与油箱和手动泵的进油口相连接，所述蓄能器设置在单向阀与阀门组件之间的连接管路上。

由于采用了上述技术方案，本发明提供的一种密炼机上顶栓油缸液压控制系统，通过实时监测油缸活塞杆运动速度、油缸两腔压力以及伺服电机转速的信号，反馈给PLC可编程控制器并通过内置PID逻辑运算，给定伺服驱动器输入信号控制伺服电机的转速，同时控制恒压变量泵所带比例压力阀的调定压力，最终实现对密炼机上顶栓速度和压砣压力的闭环控制，即对上顶栓的上升、下降、加压和浮砣的工作过程进行实时监控和调节，极大程度地减少了能源消耗，提高了系统工作效率。利用伺服驱动器控制伺服电机转速，进而调节恒压变量泵的输出流量来适应系统要求，最大限度地减少了溢流损失；系统减少了节流损失，降低油液发热量。同时伺服驱动器驱动伺服电机的转速可在一定区间内任意变化，使得系统供油流量范围加大、调速范围增大、系统低速稳定性好，另外本设计提出的控制方法简单，能够保证密炼机能够高效、稳定、可靠地运行。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明系统工作原理图；

图2为本发明系统的结构示意图。

1、油箱；2、伺服电机；3、恒压变量泵；4、过滤器；5、溢流阀；6.1第一单向阀；6.2、第二单向阀；6.3、第三单向阀；7、蓄能器；8、第一溢流阀；9、手动泵；10、第一插装阀；11、第二插装阀；12、第三插装阀；13、第二溢流阀；14、比例压力阀；15、节流阀；16、电磁换向阀；17、压力传感器；18.1第一油缸；18.2第二油缸；19、横梁；20、上顶栓；21、压砣；22、速度传感器；23、A/D转换模块；24、PLC可编程控制器；25、D/A转换模块；26、伺服驱动器；27、旋转编码器。

具体实施方式

为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚完整的描述：

如图1-图2所示的一种密炼机上顶栓油缸液压控制系统，具体方案包括：检测单元、控制单元和执行机构。所述检测单元检测油缸活塞杆的速度信号信息、无杆腔和有杆腔的压力信号信息以及伺服电机的转速信息。所述控制单元根据油缸活塞杆的速度信息、无杆腔和有杆腔的压力信息以及伺服电机的转速信息采用PID闭环控制方式设计出对上顶栓的控制指令；其中上顶栓的控制指令包括伺服电机的转速和恒压变量泵的电磁比例压力阀调定压力信息；所述控制单元将控制指令传送至执行机构，所述执行机构根据接收到的指令信息控制密炼机上顶栓的上升、下降、加压和浮砣动作的运行。

本系统中：检测单元包括用于检测油缸活塞杆的速度信号的速度传感器22、检测伺服电机的转速信号的旋转编码器27、用于检测油缸无杆腔和有杆腔的压力信号的压力传感器17。

进一步的，所述控制单元至少包括接收检测单元传送的信号信息将模拟信号转换成数字信号的A/D转换模块23和PLC可编程控制器24，所述A/D转换模块与PLC可编程控制器24的输入端相连接，所述PLC可编程控制器24的输出端连接有D/A转换模块25，所述D/A转换模块25与伺服驱动器26和伺服电机2的输入端相连接，所述伺服驱动器26还通过伺服电机与恒压变量泵3相连接；所述PLC可编程控制器24根据接收到的油缸18活塞杆运动速度、油缸18两腔压力以及伺服电机转速信息采用PID逻辑运算输出伺服电机的转速信息、同时控制恒压变量泵3的电磁比例压力阀的调定压力、对上顶栓速度和压砣压力进行闭环控制。

进一步的，过滤器4用于过滤油液中的杂质。溢流阀5为系统提供过压保护。单向阀6用于避免油液回流。蓄能器7作为系统的辅助动力源。溢流阀8为手动回路提供过压保护。手动泵9用于在系统断电或发生故障等紧急状态下为系统提供动力。阀门组件用于控制油缸的升降动作。阀门组件至少包括：第一插装阀10、第二插装阀11、第三插装阀12；第二溢流阀13和比例压力阀14组合后为系统提供二级压力保护。第一节流阀15.1、第二节流阀15.2用于调节油缸18有杆腔的流量和压力。电磁换向阀16用于浮砣工况下油缸有杆腔油液流回油箱1。

在油缸18的顶端设置有横梁19，横梁19两端与第一油缸18.1和第二油缸18.2的活塞杆相连，同时横梁19通过上顶栓20与压砣21相连，上顶栓20伸入密炼室内。工作时，第一油缸18.1和第二油缸18.2的缸筒固定不动，活塞杆可以垂直运动，进而带动上顶栓20实现不同动作要求。

这种密炼机上顶栓油缸液压系统闭环控制系统包括PLC可编程控制器24、D/A转换模块25、伺服驱动器26、伺服电机2、旋转编码器27、恒压变量泵3、阀门组件、油缸18、A/D转换模块23、速度传感器22、第一压力传感器17.1和第二压力传感器17.2以及横梁19。PLC可编程控制器24用于将输入数字信号通过内置PID进行逻辑运算，向伺服驱动器26输出控制信号。伺服驱动器26用于根据PLC可编程控制器24的输入信号，改变伺服电机工作电源频率方式来控制伺服电机2的转速。速度传感器22用于检测油缸18活塞杆的速度信号。压力传感器分别用于检测第一油缸18.1和第二油缸18.2无杆腔和有杆腔的压力信号。旋转编码器27用于检测伺服电机2的转速信号。D/A转换模块实现将数字信号转换成模拟信号。A/D转换模块实现将模拟信号转换成数字信号。

本设计的密炼机上顶栓油缸液压系统闭环控制系统控制框图如图2所示。PLC可编程控制器24输出数字控制信号，经D/A转换模块转换成数字信号后输入给伺服驱动器26，也可以经D/A转换模块转换成数字信号后输入给恒压变量泵3所带电磁比例压力阀。伺服驱动器26控制伺服电机2的转速，从而实现对带电磁比例压力阀的恒压变量泵3转速的控制。PLC可编程控制器24控制恒压变量泵3的电磁比例压力阀调定压力值，从而实现系统输出压力的控制。给定电磁换向阀控制信号，控制换向阀换向，实现上顶栓的升降动作。速度传感器22将检测到的油缸18活塞杆速度信号经A/D转换模块23.1转换成数字信号，压力传感器将检测到的油缸18无杆腔和有杆腔的压力信号经A/D转换模块转换成数字信号，以及旋转编码器27将检测到的伺服电机2转速信号，同时反馈给PLC可编程控制器24，经过PID逻辑运算后输出控制信号，最终实现上顶栓20速度和压砣21压力的闭环控制。

工作过程中，上顶栓20的上升和下降控制为速度控制，加压和浮砣控制为压力控制。升降过程中要求上顶栓升降时间均为4s，根据液压传动基本公式，油缸18的活塞面积D和活塞杆的面积d均为常数，可通过调节油缸的输入流量使得上升和下降速度满足使用要求。因此通过改变恒压变量泵3的转速便可改变油缸18的输入流量，实现油缸18速度的控制。加压和浮砣过程中，胶料对上顶栓20的压力一直处于快速变化的状态，加压时要求压砣可以实现(0～0.6)MPa范围内无级调压，浮砣时要求上顶栓20受油压与胶料的合力接近于零。加压时，可通过PLC可编程控制器24控制恒压变量泵3的电磁比例压力阀调定压力值，实现压力闭环控制。浮砣时，可通过电磁换向阀换向实现上顶栓20的压力为零，从而使压砣21随胶料上下浮动。

工作时，系统流量和压力是切换控制的，上顶栓升降过程中，实际流量不超过最大流量，测得压力小于设定压力，处于低压大流量状态，此时为流量控制；当测得的实际压力接近设定压力，同时实际流量小于设定流量时，转入压力控制，处于高压小流量状态。压力控制阶段所需保压流量较小，伺服电机2处于低频运转状态，输出功率小，节能效果好。

上顶栓20上升时，电磁铁YH2、YH3同时得电。伺服电机2驱动带电磁比例压力阀的恒压变量泵3转动，为系统提供动力。液压油依次经过过滤器4、单向阀6.1、单向阀6.2、第二插装阀11分别进入第一油缸18.1和第二油缸18.2的无杆腔，压力油推动第一油缸18.1和第二油缸18.2的活塞向上运动，实现上顶栓20的上升。第一油缸18.1和第二油缸18.2有杆腔油液经过第三插装阀12，再次流入第二插装阀11中，实现差动回路。速度传感器22检测油缸18活塞杆的速度值，经A/D转换模块转换成数字信号，作为反馈信号输入PLC可编程控制器24中，经过PID逻辑运算后输出控制信号，又经第二D/A转换模块转换成模拟信号，作为伺服驱动器26控制信号，控制伺服电机2的转速，从而实现输入流量控制，最终实现上顶栓20的上升速度控制。

上顶栓20下降时，电磁铁YH1、YH3同时得电。伺服电机2驱动带电磁比例压力阀的恒压变量泵3转动，为系统提供动力。液压油依次经过过滤器4、单向阀6.1、单向阀6.2、第三插装阀12分别进入第一油缸18.1和第二油缸18.2的有杆腔，压力油推动第一油缸18.1和第二油缸18.2的活塞向下运动，实现上顶栓20的下降。第一油缸18.1和第二油缸18.2无杆腔油液经过第一插装阀10流回油箱1。速度传感器22检测油缸18活塞杆的速度值，经A/D转换模块23.1转换成数字信号，作为反馈信号输入PLC可编程控制器24中，经过PID逻辑运算后输出控制信号，又经第二D/A转换模块25.2转换成模拟信号，作为伺服驱动器26控制信号，控制伺服电机2的转速，从而实现输入流量控制，最终实现上顶栓20的下降速度控制。

加压时，电磁铁YH1、YH3同时得电。伺服电机2驱动带电磁比例压力阀的恒压变量泵3转动，为系统提供动力。液压油依次经过过滤器4、第一单向阀6.1、第二单向阀6.2、第三插装阀12分别进入第一油缸18.1和第二油缸18.2的有杆腔，压力油推动第一油缸18.1和第二油缸18.2的活塞向下，实现上顶栓20的加压，压砣21对胶料密炼。第一油缸18.1和第二油缸18.2无杆腔油液经过第一插装阀10流回油箱1。第一压力传感器17.1和第二压力传感器17.2分别检测第一油缸18.1和第二油缸18.2的无杆腔和有杆腔的压力值，经A/D转换模块转换成数字信号，作为反馈信号输入PLC可编程控制器24中，经过PID逻辑运算后输出控制信号，又经D/A转换模块25.1转换成模拟信号，给定恒压变量泵3的电磁比例压力阀控制信号，从而实现加压压力控制。

当浮砣时，电磁铁YH1、YH4同时得电。第一油缸18.1和第二油缸18.2无杆腔油液和有杆腔油液分别流经第一插装阀10、电磁换向阀16流回油箱1，第一油缸18.1和第二油缸18.2两腔的压力均为零。通过对浮砣压力的开环控制方法，使得压砣21可以随胶料上下浮动。

本发明公开的一种密炼机上顶栓油缸液压控制系统，本系统经过伺服驱动器内置PID逻辑算法根据检测的油缸活塞杆的速度信号信息、无杆腔和有杆腔的压力信号信息以及伺服电机的转速信息对恒压变量泵的输出油量进行控制，从而使泵的输出流量适应系统要求，同时采用插装阀实现油缸动作的控制要求，使上顶栓在加压和浮砣过程无法实现精确调节压砣压力的问题得到解决，使上顶栓在各种工况下均能实现上顶栓速度和压砣压力达到控制要求，保证密炼机能够高效、稳定、可靠地运行，实现了对上顶栓速度和压砣压力地精确闭环控制。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种密炼机上顶栓油缸液压控制系统，其特征在于包括：检测油缸活塞杆的速度信号信息、油缸无杆腔和有杆腔的压力信号信息以及伺服电机的转速信息的检测单元；

接收所述检测单元传送的数据信息的控制单元，所述控制单元根据油缸活塞杆的速度信息、无杆腔和有杆腔的压力信息以及伺服电机的转速信息采用PID闭环控制方式设计出对上顶栓的控制指令；其中上顶栓的控制指令包括伺服电机的转速和恒压变量泵的电磁比例压力阀调定压力信息；

接收所述控制单元传送的控制指令信息驱动密炼机伺服电机的运转速率的执行机构，所述执行机构根据接收到的指令信息控制密炼机上顶栓的上升、下降、加压和浮砣动作的运行。

2.根据权利要求1所述的一种密炼机上顶栓油缸液压控制系统，其特征还在于：所述检测单元包括用于检测油缸活塞杆的速度信号的速度传感器、检测伺服电机的转速信号的旋转编码器、用于检测油缸无杆腔和有杆腔的压力信号的压力传感器。

3.根据权利要求2所述的一种密炼机上顶栓油缸液压控制系统，其特征还在于：所述控制单元至少包括接收检测单元传送的信号信息将模拟信号转换成数字信号的A/D转换模块和PLC可编程控制器，所述A/D转换模块与PLC可编程控制器的输入端相连接，所述PLC可编程控制器的输出端连接有D/A转换模块，所述D/A转换模块与伺服驱动器和伺服电机的输入端相连接，所述伺服驱动器还通过伺服电机与恒压变量泵相连接；

所述PLC可编程控制器根据接收到的油缸活塞杆运动速度、油缸两腔压力以及伺服电机转速信息采用PID逻辑运算输出伺服电机的转速信息、同时控制恒压变量泵的带比例压力阀的调定压力、对上顶栓速度和压砣压力进行闭环控制。

4.根据权利要求1所述的一种密炼机上顶栓油缸液压控制系统，其特征还在于：所述执行机构包括控制油缸升降动作的阀门组件和压力控制组件，所述阀门组件和压力控制组件设置在恒压变量泵与油缸的连通管路上；该连接管路上设置有过滤器、第一单向阀和第二单向阀，所述恒压变量泵的出油口与过滤器相连接，所述过滤器的出油口与第一单向阀的进油口相连接，所述第一单向阀的出油口与第二单向阀的进油口相连接，所述第二单向阀的出油口与阀门组件相连接，所述阀门组件的出油口与油缸的进油口相连接；

所述压力控制组件的进油口与油缸的有杆腔相连接，所述压力控制组件的出油口与油箱1相连接。

5.根据权利要求4所述的一种密炼机上顶栓油缸液压控制系统，其特征还在于：所述阀门组件至少包括：第一插装阀、第二插装阀、第三插装阀，所述第一插装阀的B口与油缸的无杆腔相连，所述第一插装阀的A口与油箱相连；所述第二插装阀、第三插装阀的A口与第二单向阀的出油口相连，所述第二插装阀的B口与油缸的无杆腔相连，所述第三插装阀的B口与油缸的有杆腔相连；

所述压力控制组件至少包括第二溢流阀、比例压力阀、用于调节油缸内有杆腔的液体流量和压力的节流阀和在浮砣工况下控制油缸有杆腔内油液流回油箱的电磁换向阀；

所述第二溢流阀、比例压力阀、节流阀和电磁换向阀的进油口与油缸有杆腔相连接，所述第二溢流阀、比例压力阀、节流阀和电磁换向阀的出油口和油箱相连接。

6.根据权利要求5所述的一种密炼机上顶栓油缸液压控制系统，其特征还在于：所述执行机构还包括蓄能器、第一溢流阀和手动泵；所述第一溢流阀的进油口与第二单向阀的进油口和手动泵的出油口相连接，所述第一溢流阀的出油口与油箱和手动泵的进油口相连接，所述蓄能器设置在单向阀与阀门组件之间的连接管路上。