基于PLC的液壓實(shí)驗(yàn)臺控制系統(tǒng)開發(fā)與研制

譚月涵

摘 要：針對液壓實(shí)驗(yàn)臺普遍存在自動化控制程度不高的現(xiàn)實(shí)情況，文章設(shè)計(jì)了基于PLC實(shí)現(xiàn)的液壓實(shí)驗(yàn)臺控制系統(tǒng)，介紹了液壓實(shí)驗(yàn)臺的功能需求，給出了液壓實(shí)驗(yàn)臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，在此基礎(chǔ)上重點(diǎn)分析了液壓實(shí)驗(yàn)臺控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，從上位機(jī)與下位機(jī)、硬件與軟件兩個角度探討了控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，對于進(jìn)一步提高液壓實(shí)驗(yàn)臺控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用具有較好的借鑒意義。

關(guān)鍵詞：PLC；液壓實(shí)驗(yàn)臺；控制系統(tǒng)

中圖分類號：TP277 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-8937（2013）18-0026-02

液壓傳動是一種傳統(tǒng)的動力傳動方式，相較于電力傳動和氣壓傳動而言，液壓傳動的最大優(yōu)點(diǎn)就在于液壓系統(tǒng)能夠提供穩(wěn)定的大功率負(fù)載能力，而這是氣壓和電力傳動系統(tǒng)所無法比擬的優(yōu)勢。隨著機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在單獨(dú)的液壓系統(tǒng)已經(jīng)越來越少，而是將液壓控制系統(tǒng)與電力、機(jī)電控制技術(shù)相結(jié)合，逐漸成為機(jī)電液一體化系統(tǒng)。因此目前全國各個高校的機(jī)電專業(yè)都普遍開設(shè)了液壓傳動、液壓控制系統(tǒng)、電液伺服控制技術(shù)等專業(yè)課程，而這些專業(yè)課程需要配套的實(shí)驗(yàn)臺或者實(shí)驗(yàn)控制系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)；另一方面，目前我國的液壓實(shí)驗(yàn)臺控制技術(shù)仍然遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于國外發(fā)達(dá)國家，由此導(dǎo)致了我國對于液壓控制系統(tǒng)的研發(fā)，核心技術(shù)仍然受制于國外發(fā)達(dá)國家，對于電液伺服控制技術(shù)、高精密液壓伺服技術(shù)等高新技術(shù)領(lǐng)域仍然缺乏合適的實(shí)驗(yàn)研究裝備。因此，集成液壓技術(shù)、電力控制技術(shù)、自動化控制技術(shù)及計(jì)算機(jī)技術(shù)等，開發(fā)設(shè)計(jì)有針對性的液壓綜合實(shí)驗(yàn)臺是十分有必要的。

文章在傳統(tǒng)的液壓缸實(shí)驗(yàn)、液壓回路實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，將自動化控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程技術(shù)等結(jié)合起來，充分利用液壓和電力控制相結(jié)合的優(yōu)勢，開發(fā)面向機(jī)電液一體化的綜合實(shí)驗(yàn)臺裝備，為我國液壓實(shí)驗(yàn)臺裝備的研發(fā)與設(shè)計(jì)提供可供借鑒的理論和實(shí)踐指導(dǎo)意義。

1 液壓實(shí)驗(yàn)臺的功能需求分析

作為面向液壓類專業(yè)性、工業(yè)性實(shí)驗(yàn)的需求，該實(shí)驗(yàn)臺應(yīng)當(dāng)能夠滿足以下幾個方面的功能需求：

①滿足液壓控制系統(tǒng)的各項(xiàng)測試功能。液壓實(shí)驗(yàn)臺的首要功能就是應(yīng)當(dāng)能夠滿足液壓控制系統(tǒng)的各個測試功能，包括測試液壓元件的性能參數(shù)，測試液壓閥的性能曲線，液壓控制系統(tǒng)的負(fù)載特性測量，液壓泵的實(shí)驗(yàn)等等，面向各類液壓元件、液壓類設(shè)備或者裝備開展的各項(xiàng)測試、測量實(shí)驗(yàn)，這是液壓實(shí)驗(yàn)臺的首要功能。

②滿足自動化測量與控制的功能。傳統(tǒng)的液壓實(shí)驗(yàn)臺幾乎都是手動控制，因此，必須要將手動控制改為全自動控制，要能夠自動實(shí)驗(yàn)對液壓元件、液壓系統(tǒng)的相關(guān)液壓參數(shù)的采集、測量、計(jì)算、分析、處理，以及對輸出執(zhí)行元件的自動化控制、加載、卸載及對機(jī)電液一體化裝備的動力傳輸和傳遞，這些是機(jī)電液一體化設(shè)備自動化測量與控制必須要滿足的功能。

③要具備良好的人機(jī)交互功能。過去提到液壓實(shí)驗(yàn)臺，給人的第一印象就是油乎乎、臟兮兮，很多液壓實(shí)驗(yàn)臺由于缺乏良好的人機(jī)交互性，使得操作人員不愿意去操作實(shí)驗(yàn)臺，為此，本研究課題所設(shè)計(jì)的液壓實(shí)驗(yàn)臺應(yīng)當(dāng)采用基于計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的虛擬采集、測量與控制系統(tǒng)，為操作人員提供友好的人機(jī)交互系統(tǒng)和體驗(yàn)，這也是液壓實(shí)驗(yàn)臺控制系統(tǒng)的必然發(fā)展趨勢之一。

3 基于PLC的液壓實(shí)驗(yàn)臺控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.1 實(shí)驗(yàn)臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本研究課題所提出的基于PLC實(shí)現(xiàn)的液壓實(shí)驗(yàn)臺控制系統(tǒng)，主要由以下幾個部分構(gòu)成。

3.1.1 液壓類傳感器與液壓元件

為了完成液壓類測試實(shí)驗(yàn)，必要的傳感器與液壓元件必不可少，比如壓力傳感器、溫度傳感器、液位傳感器、液壓比例閥、液壓伺服閥、管道壓力表、功率計(jì)、流量計(jì)等，這些基本設(shè)備共同構(gòu)成了液壓實(shí)驗(yàn)臺的底層數(shù)據(jù)源。

3.1.2 自動化采集與測量PLC

本液壓實(shí)驗(yàn)臺最大的核心就在于采用了模塊化設(shè)計(jì)的PLC模塊，直接采用模擬量擴(kuò)展模塊和數(shù)字量擴(kuò)展模塊，實(shí)現(xiàn)對實(shí)驗(yàn)臺底層數(shù)據(jù)源的采集與測量，將相關(guān)數(shù)據(jù)傳輸?shù)揭簤簩?shí)驗(yàn)臺的控制中心。

3.1.3 控制中心——工控機(jī)

工控機(jī)作為液壓實(shí)驗(yàn)臺的控制中心，一方面為整個液壓實(shí)驗(yàn)臺提供數(shù)據(jù)加工處理功能，另一方面為用戶提供良好的人機(jī)交互體驗(yàn)，通過專門開發(fā)的組態(tài)程序，直接讀取來自于PLC的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)按照用戶的需求進(jìn)行處理和顯示，極大的簡化了液壓實(shí)驗(yàn)臺上位機(jī)的程序開發(fā)設(shè)計(jì)的工作量。

3.2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.2.1 選用PLC控制的優(yōu)點(diǎn)

PLC又稱可編程邏輯控制器，具有非常高的可靠性，其抗干擾能力遠(yuǎn)勝于單片機(jī)系統(tǒng)，因此采用PLC作為實(shí)驗(yàn)臺控制系統(tǒng)的下位機(jī)，實(shí)驗(yàn)臺的測試檢驗(yàn)質(zhì)量得到了可靠的保障；同時，PLC還具有操作簡單，擴(kuò)展容易，模塊化設(shè)計(jì)等優(yōu)勢，即使是初學(xué)人員也能夠快速上手，這就決定了該實(shí)驗(yàn)臺后期的維護(hù)保養(yǎng)成本比較小。另外，采用PLC作為控制系統(tǒng)的一部分，通過擴(kuò)展模擬量模塊和數(shù)字量模塊，能夠方便的接入各種液壓元件、傳感器及液壓類裝置，這使得液壓實(shí)驗(yàn)臺具有一定的通用性，大大的提高了液壓實(shí)驗(yàn)臺的應(yīng)用范圍。

3.2.2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本液壓實(shí)驗(yàn)臺采用PLC+PC機(jī)的主從控制系統(tǒng)模式，即PLC作為下位機(jī)，主要負(fù)責(zé)對各類液壓元件、傳感器及液壓裝置的數(shù)據(jù)、參數(shù)的采集與測量；PC機(jī)作為上位機(jī)，利用PC機(jī)強(qiáng)大的圖形、數(shù)據(jù)處理能力及良好的人機(jī)交互能力，實(shí)現(xiàn)液壓試驗(yàn)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)按照操作人員的需求進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及顯示，并提供各項(xiàng)數(shù)據(jù)管理功能，極大的豐富了液壓實(shí)驗(yàn)臺的功能及操作互動能力。

3.2.3 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)的硬件主要包括實(shí)驗(yàn)臺控制系統(tǒng)硬件的選型設(shè)計(jì)及電氣設(shè)計(jì)兩個部分。

①硬件選型設(shè)計(jì)?？刂葡到y(tǒng)的硬件主要是對PLC的選型及PC機(jī)的選型。本研究課題中，PLC選用西門子的S7-200系列PLC，該P(yáng)LC功能強(qiáng)大，性能穩(wěn)定可靠，在市場上一直處于領(lǐng)先地位，對于用戶而言開發(fā)難度也不高，容易實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)控制功能的開發(fā)與維護(hù)；PC機(jī)選用研華工控機(jī)，極大的提高了上位機(jī)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

②電氣設(shè)計(jì)。電氣系統(tǒng)主要是針對下位機(jī)PLC控制系統(tǒng)而言的，由于PLC屬于弱電工程，因此需要為下位機(jī)配置專門的PLC控制機(jī)柜及電氣設(shè)計(jì)。電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要是要為PLC控制部分設(shè)計(jì)24 V直流開關(guān)電源，斷路器，短路保險絲等，以確保下位機(jī)能夠順利可靠的實(shí)現(xiàn)對液壓元件及傳感器數(shù)據(jù)的采集，以及對液壓實(shí)驗(yàn)臺狀態(tài)參數(shù)、性能參數(shù)的實(shí)時監(jiān)測。

3.2.4 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

液壓實(shí)驗(yàn)臺控制系統(tǒng)的軟件，主要包括下位機(jī)PLC程序和上位機(jī)組態(tài)程序兩個部分。

①下位機(jī)PLC程序。PLC程序采用梯形圖設(shè)計(jì)，由于該程序主要是面向各類模擬量和數(shù)字量進(jìn)行設(shè)計(jì)，主要的任務(wù)是實(shí)現(xiàn)對液壓元件和傳感器等數(shù)據(jù)源的采集，因此下位機(jī)PLC程序的開發(fā)難度較低，只需要處理好數(shù)據(jù)源的點(diǎn)位與寄存器的關(guān)系即可。

②上位機(jī)組態(tài)程序。上位機(jī)組態(tài)程序采用與西門子PLC相配套的WINCC組態(tài)程序進(jìn)行開發(fā)，利用組態(tài)程序最大優(yōu)勢在于無需開發(fā)面向過程或者面向?qū)ο蟮膹?fù)雜語言程序，僅需要按照液壓實(shí)驗(yàn)臺的實(shí)際操作流程組織好相關(guān)數(shù)據(jù)流，就能夠?yàn)樗胁杉降囊簤簩?shí)驗(yàn)臺數(shù)據(jù)提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)分析、計(jì)算及處理、顯示等數(shù)據(jù)管理功能，并且能夠利用組態(tài)程序?qū)崿F(xiàn)對液壓實(shí)驗(yàn)臺工作狀態(tài)的實(shí)時監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)故障診斷，極大的降低了后期維護(hù)保養(yǎng)的難度。

4 結(jié) 語

液壓實(shí)驗(yàn)臺在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中有著廣泛的用途，普遍作為液壓泵、液壓缸以及其他液壓類元件或者設(shè)備出廠質(zhì)量檢驗(yàn)的重要設(shè)備之一，液壓實(shí)驗(yàn)臺的質(zhì)量、可靠性直接決定了液壓元件及液壓設(shè)備的質(zhì)量和穩(wěn)定性、可靠性。因此，對于液壓實(shí)驗(yàn)臺的設(shè)計(jì)，在很大程度上能夠體現(xiàn)一個國家液壓工業(yè)生產(chǎn)制造的真正水平。

本論文主要是將PLC自動化控制技術(shù)應(yīng)用于液壓實(shí)驗(yàn)臺的設(shè)計(jì)研發(fā)中，結(jié)合了計(jì)算機(jī)集成技術(shù)設(shè)計(jì)了具有良好人際交互性的液壓實(shí)驗(yàn)臺，能夠滿足對各類液壓元件及設(shè)備的質(zhì)量檢測、參數(shù)檢驗(yàn)等功能需求，是具有一定的實(shí)用價值，因此值得推廣和應(yīng)用。本論文對液壓實(shí)驗(yàn)臺控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，在理論和設(shè)計(jì)方面做了一些探討，對于進(jìn)一步提高我國液壓實(shí)驗(yàn)臺的生產(chǎn)設(shè)計(jì)水平具有較好的指導(dǎo)借鑒意義。

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