基于PLC的高壓密封試驗臺的電控系統(tǒng)的設(shè)計

張晞++劉新星++吳七力++趙志敏++李鄭洋

摘要：隨著技術(shù)的發(fā)展，在處理開關(guān)量上取代了傳統(tǒng)控制裝置以來，PLC增加了模擬量處理和運動控制等功能。本文以三菱的FX3U系列為例，討論了高壓密封試驗臺的PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計方法。

關(guān)鍵詞：高壓密封試驗臺 可編程邏輯控制器（PLC） FX3U 接線圖

中圖分類號：TP273 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2014）08-0011-02

0 引言

密封圈作為液壓系統(tǒng)中必不可少的一部分，發(fā)揮著無可替代的作用，它可靠性的高低直接決定了整個液壓系統(tǒng)能否正確、穩(wěn)定的運行。研究表明，油液泄漏是威脅液壓系統(tǒng)正常工作最主要的原因之一，而密封圈失效則是造成油液泄漏最主要的原因。所以，對密封圈泄露的研究有著重要的意義。

本實驗臺主要通過檢測不同壓強下，使用不同密封圈時液壓缸內(nèi)油液的溫度、壓力及密封圈與液壓缸摩擦力等數(shù)據(jù)的變化，來檢測密封圈的壽命，壓強最高可達150MPa，使檢驗的結(jié)果更加有實際意義。為更準(zhǔn)確的檢驗出影響密封圈壽命的因素，試驗臺采用了由驅(qū)動缸帶動試驗缸進行往復(fù)運動，使試驗缸內(nèi)油液的壓力更加簡單，盡量排出油液內(nèi)部壓力變化的干擾。

本實驗臺采用以可編程邏輯控制器為核心的電控系統(tǒng)，最終實現(xiàn)試驗臺架的升降和驅(qū)動缸驅(qū)動的控制以及所需傳感器數(shù)據(jù)的采集。

1 PLC控制驅(qū)動缸臺架升降

為實現(xiàn)對不同缸徑的實驗缸均可進行同心及定量偏心加載，試驗臺需可對驅(qū)動缸進行定量的上下調(diào)整。本實驗臺采用步進電機帶動絲杠運動，每給一個脈沖，步進電機便旋轉(zhuǎn)一個步矩角，在絲杠螺距已知的情況下，通過調(diào)整PLC發(fā)出脈沖的頻率及脈沖數(shù)，來調(diào)整驅(qū)動缸臺架上下移動的速度及位移（如圖1所示）。

接線完成后，若步進電機轉(zhuǎn)動方向與要求相反，只需將A+、A-或B+、B-中的一對反接即可。

FX3U-64MT的脈沖輸出程序如上圖，PLSY為脈沖輸出指令，K1000指脈沖產(chǎn)生的頻率為1000Hz，K30000指輸出30000個脈沖后自動停止，若位K0時，脈沖將持續(xù)產(chǎn)生，Y000指脈沖額輸出端口。需要注意的是，步進電機只能在低速時直接啟動，若步進電機需要進行高速旋轉(zhuǎn)，則應(yīng)該有一個加速啟動的的過程，同時停止時也應(yīng)該有一個減速的過程，此時K1000可用斜坡信號產(chǎn)生的數(shù)據(jù)寄存器代替，如下圖所示：

預(yù)先將數(shù)據(jù)存入D2、D3中，通過斜坡指令RAMP使D1中的數(shù)據(jù)由D2變?yōu)镈3，變化時間為1000個掃描周期，如果要使加速時間可控，可通過修改特殊寄存器D8039中的數(shù)據(jù)來恒定PLC的掃描周期。減速停止時只需將D2、D3交換即可。

2 PLC控制驅(qū)動缸往復(fù)運動

驅(qū)動缸動力源由液壓泵站提供，通過活塞桿感應(yīng)接近開關(guān)的位置向PLC傳輸信號，控制三位四通電磁換向閥改變驅(qū)動缸的運動方向，最終實現(xiàn)試驗缸的往復(fù)運動。

若電磁換向閥所需驅(qū)動電流較大，應(yīng)該在PLC與電磁換向閥之間接中間繼電器，以防燒毀PLC觸點。

FX3U-64MT型號的PLC設(shè)有S/S端，當(dāng)需要漏型輸入時，短接24V與S/S端，X端與0V形成控制；當(dāng)需要源型輸入時，短接0V與S/S端，X端與24V形成控制回路。以本實驗臺為例，選用的是NPN型接近開關(guān)，接線如圖2所示。

3 傳感器數(shù)據(jù)采集

由于PLC本質(zhì)上仍然是一種工業(yè)控制計算機，只能夠處理數(shù)字量信息，因此無法直接處理像溫度等連續(xù)變化的模擬量信息，因此必須通過外設(shè)硬件進行處理，將模擬量轉(zhuǎn)化成數(shù)字量，然后進入PLC進行處理。

根據(jù)需要所借的傳感器的個數(shù)，最終選用FX3U-4AD特殊功能模塊，該模塊可同時接收四個模擬量輸入，可識別多種電流、電壓信號，并且可以通過數(shù)字濾波設(shè)定，讀取穩(wěn)定的A/D轉(zhuǎn)換值。該模塊的接線如圖3所示。

使用電流輸入時，必須連接U+和I+端子。如果外部接線中有電氣干擾，可以接一個平滑電容器，同時應(yīng)該使用屏蔽電纜，并且要有良好的接地。

模塊的寫入及讀取程序如上圖所示，F(xiàn)MOVP為多點傳送指令，BMOVP為呈批傳送指令，U0指與可編程控制器連接的第一個特殊功能模塊，G2/G10指該模塊的緩沖存儲器，K4指傳送的個數(shù)，D5為寫入的第一個數(shù)據(jù)寄存器。

4 高壓實驗臺的工作流程

高壓實驗臺的工作流程如圖4所示，開始時，高壓實驗臺通電，通過PLC控制步進電機調(diào)整驅(qū)動缸臺架的高度，當(dāng)驅(qū)動缸與試驗鋼對齊后，停止步進電機的運轉(zhuǎn)，啟動泵站上的三相異步電機，帶動液壓泵運動，通過電磁換向閥實現(xiàn)驅(qū)動缸的往復(fù)運動，進而帶動試驗缸運動，直到往復(fù)次數(shù)達到計數(shù)器的要求，實驗完成后，高壓試驗臺斷電，全部按鍵復(fù)位。在實驗過程中，完成對傳感器數(shù)據(jù)的采集及保存。

5 結(jié)語

高壓密封試驗臺采用可編程邏輯控制器控制后，控制系統(tǒng)更加簡單可靠，接線及維護更加方便，通過數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊，可同時采集多個傳感器的數(shù)據(jù)，可以形成各個傳感器的歷史數(shù)據(jù)報表，由于可編程邏輯控制器的使用，實現(xiàn)了試驗臺架升降和驅(qū)動缸驅(qū)動的精確控制，達到了所需的要求。

參考文獻：

[1]韓志強，劉曉婷.步進電機PLC控制的研究設(shè)計[J].輕工機械，2006，24（4）：114-115.

[2]初航，史進波.三菱FX系列PLC編程及應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2014.

[3]Xi Zhang，Dalong Wang.Design of lifting system in seals of the hydraulic support eccentric loading test bench based on PLC and stepper motor[J].Engineering Solutions for Manufacturing Processes Ⅳ 2014：902-905.

[4]三菱電機自動化（中國）有限公司.FX3U系列微型可編程控制器 用戶手冊[硬件篇][Z].上海：三菱電機自動化（中國）有限公司.

[5]三菱電機自動化（中國）有限公司.FX3G·FX3U·FX3UC系列微型可編程控制器用戶手冊（模擬量控制篇）[Z].上海：三菱電機自動化（中國）有限公司.

摘要：隨著技術(shù)的發(fā)展，在處理開關(guān)量上取代了傳統(tǒng)控制裝置以來，PLC增加了模擬量處理和運動控制等功能。本文以三菱的FX3U系列為例，討論了高壓密封試驗臺的PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計方法。

關(guān)鍵詞：高壓密封試驗臺 可編程邏輯控制器（PLC） FX3U 接線圖

中圖分類號：TP273 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2014）08-0011-02

0 引言

密封圈作為液壓系統(tǒng)中必不可少的一部分，發(fā)揮著無可替代的作用，它可靠性的高低直接決定了整個液壓系統(tǒng)能否正確、穩(wěn)定的運行。研究表明，油液泄漏是威脅液壓系統(tǒng)正常工作最主要的原因之一，而密封圈失效則是造成油液泄漏最主要的原因。所以，對密封圈泄露的研究有著重要的意義。

本實驗臺主要通過檢測不同壓強下，使用不同密封圈時液壓缸內(nèi)油液的溫度、壓力及密封圈與液壓缸摩擦力等數(shù)據(jù)的變化，來檢測密封圈的壽命，壓強最高可達150MPa，使檢驗的結(jié)果更加有實際意義。為更準(zhǔn)確的檢驗出影響密封圈壽命的因素，試驗臺采用了由驅(qū)動缸帶動試驗缸進行往復(fù)運動，使試驗缸內(nèi)油液的壓力更加簡單，盡量排出油液內(nèi)部壓力變化的干擾。

本實驗臺采用以可編程邏輯控制器為核心的電控系統(tǒng)，最終實現(xiàn)試驗臺架的升降和驅(qū)動缸驅(qū)動的控制以及所需傳感器數(shù)據(jù)的采集。

1 PLC控制驅(qū)動缸臺架升降

為實現(xiàn)對不同缸徑的實驗缸均可進行同心及定量偏心加載，試驗臺需可對驅(qū)動缸進行定量的上下調(diào)整。本實驗臺采用步進電機帶動絲杠運動，每給一個脈沖，步進電機便旋轉(zhuǎn)一個步矩角，在絲杠螺距已知的情況下，通過調(diào)整PLC發(fā)出脈沖的頻率及脈沖數(shù)，來調(diào)整驅(qū)動缸臺架上下移動的速度及位移（如圖1所示）。

接線完成后，若步進電機轉(zhuǎn)動方向與要求相反，只需將A+、A-或B+、B-中的一對反接即可。

FX3U-64MT的脈沖輸出程序如上圖，PLSY為脈沖輸出指令，K1000指脈沖產(chǎn)生的頻率為1000Hz，K30000指輸出30000個脈沖后自動停止，若位K0時，脈沖將持續(xù)產(chǎn)生，Y000指脈沖額輸出端口。需要注意的是，步進電機只能在低速時直接啟動，若步進電機需要進行高速旋轉(zhuǎn)，則應(yīng)該有一個加速啟動的的過程，同時停止時也應(yīng)該有一個減速的過程，此時K1000可用斜坡信號產(chǎn)生的數(shù)據(jù)寄存器代替，如下圖所示：

預(yù)先將數(shù)據(jù)存入D2、D3中，通過斜坡指令RAMP使D1中的數(shù)據(jù)由D2變?yōu)镈3，變化時間為1000個掃描周期，如果要使加速時間可控，可通過修改特殊寄存器D8039中的數(shù)據(jù)來恒定PLC的掃描周期。減速停止時只需將D2、D3交換即可。

2 PLC控制驅(qū)動缸往復(fù)運動

驅(qū)動缸動力源由液壓泵站提供，通過活塞桿感應(yīng)接近開關(guān)的位置向PLC傳輸信號，控制三位四通電磁換向閥改變驅(qū)動缸的運動方向，最終實現(xiàn)試驗缸的往復(fù)運動。

若電磁換向閥所需驅(qū)動電流較大，應(yīng)該在PLC與電磁換向閥之間接中間繼電器，以防燒毀PLC觸點。

FX3U-64MT型號的PLC設(shè)有S/S端，當(dāng)需要漏型輸入時，短接24V與S/S端，X端與0V形成控制；當(dāng)需要源型輸入時，短接0V與S/S端，X端與24V形成控制回路。以本實驗臺為例，選用的是NPN型接近開關(guān)，接線如圖2所示。

3 傳感器數(shù)據(jù)采集

由于PLC本質(zhì)上仍然是一種工業(yè)控制計算機，只能夠處理數(shù)字量信息，因此無法直接處理像溫度等連續(xù)變化的模擬量信息，因此必須通過外設(shè)硬件進行處理，將模擬量轉(zhuǎn)化成數(shù)字量，然后進入PLC進行處理。

根據(jù)需要所借的傳感器的個數(shù)，最終選用FX3U-4AD特殊功能模塊，該模塊可同時接收四個模擬量輸入，可識別多種電流、電壓信號，并且可以通過數(shù)字濾波設(shè)定，讀取穩(wěn)定的A/D轉(zhuǎn)換值。該模塊的接線如圖3所示。

使用電流輸入時，必須連接U+和I+端子。如果外部接線中有電氣干擾，可以接一個平滑電容器，同時應(yīng)該使用屏蔽電纜，并且要有良好的接地。

模塊的寫入及讀取程序如上圖所示，F(xiàn)MOVP為多點傳送指令，BMOVP為呈批傳送指令，U0指與可編程控制器連接的第一個特殊功能模塊，G2/G10指該模塊的緩沖存儲器，K4指傳送的個數(shù)，D5為寫入的第一個數(shù)據(jù)寄存器。

4 高壓實驗臺的工作流程

高壓實驗臺的工作流程如圖4所示，開始時，高壓實驗臺通電，通過PLC控制步進電機調(diào)整驅(qū)動缸臺架的高度，當(dāng)驅(qū)動缸與試驗鋼對齊后，停止步進電機的運轉(zhuǎn)，啟動泵站上的三相異步電機，帶動液壓泵運動，通過電磁換向閥實現(xiàn)驅(qū)動缸的往復(fù)運動，進而帶動試驗缸運動，直到往復(fù)次數(shù)達到計數(shù)器的要求，實驗完成后，高壓試驗臺斷電，全部按鍵復(fù)位。在實驗過程中，完成對傳感器數(shù)據(jù)的采集及保存。

5 結(jié)語

高壓密封試驗臺采用可編程邏輯控制器控制后，控制系統(tǒng)更加簡單可靠，接線及維護更加方便，通過數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊，可同時采集多個傳感器的數(shù)據(jù)，可以形成各個傳感器的歷史數(shù)據(jù)報表，由于可編程邏輯控制器的使用，實現(xiàn)了試驗臺架升降和驅(qū)動缸驅(qū)動的精確控制，達到了所需的要求。

參考文獻：

[1]韓志強，劉曉婷.步進電機PLC控制的研究設(shè)計[J].輕工機械，2006，24（4）：114-115.

[2]初航，史進波.三菱FX系列PLC編程及應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2014.

[3]Xi Zhang，Dalong Wang.Design of lifting system in seals of the hydraulic support eccentric loading test bench based on PLC and stepper motor[J].Engineering Solutions for Manufacturing Processes Ⅳ 2014：902-905.

[4]三菱電機自動化（中國）有限公司.FX3U系列微型可編程控制器 用戶手冊[硬件篇][Z].上海：三菱電機自動化（中國）有限公司.

[5]三菱電機自動化（中國）有限公司.FX3G·FX3U·FX3UC系列微型可編程控制器用戶手冊（模擬量控制篇）[Z].上海：三菱電機自動化（中國）有限公司.

摘要：隨著技術(shù)的發(fā)展，在處理開關(guān)量上取代了傳統(tǒng)控制裝置以來，PLC增加了模擬量處理和運動控制等功能。本文以三菱的FX3U系列為例，討論了高壓密封試驗臺的PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計方法。

關(guān)鍵詞：高壓密封試驗臺 可編程邏輯控制器（PLC） FX3U 接線圖

中圖分類號：TP273 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2014）08-0011-02

0 引言

密封圈作為液壓系統(tǒng)中必不可少的一部分，發(fā)揮著無可替代的作用，它可靠性的高低直接決定了整個液壓系統(tǒng)能否正確、穩(wěn)定的運行。研究表明，油液泄漏是威脅液壓系統(tǒng)正常工作最主要的原因之一，而密封圈失效則是造成油液泄漏最主要的原因。所以，對密封圈泄露的研究有著重要的意義。

本實驗臺主要通過檢測不同壓強下，使用不同密封圈時液壓缸內(nèi)油液的溫度、壓力及密封圈與液壓缸摩擦力等數(shù)據(jù)的變化，來檢測密封圈的壽命，壓強最高可達150MPa，使檢驗的結(jié)果更加有實際意義。為更準(zhǔn)確的檢驗出影響密封圈壽命的因素，試驗臺采用了由驅(qū)動缸帶動試驗缸進行往復(fù)運動，使試驗缸內(nèi)油液的壓力更加簡單，盡量排出油液內(nèi)部壓力變化的干擾。

本實驗臺采用以可編程邏輯控制器為核心的電控系統(tǒng)，最終實現(xiàn)試驗臺架的升降和驅(qū)動缸驅(qū)動的控制以及所需傳感器數(shù)據(jù)的采集。

1 PLC控制驅(qū)動缸臺架升降

為實現(xiàn)對不同缸徑的實驗缸均可進行同心及定量偏心加載，試驗臺需可對驅(qū)動缸進行定量的上下調(diào)整。本實驗臺采用步進電機帶動絲杠運動，每給一個脈沖，步進電機便旋轉(zhuǎn)一個步矩角，在絲杠螺距已知的情況下，通過調(diào)整PLC發(fā)出脈沖的頻率及脈沖數(shù)，來調(diào)整驅(qū)動缸臺架上下移動的速度及位移（如圖1所示）。

接線完成后，若步進電機轉(zhuǎn)動方向與要求相反，只需將A+、A-或B+、B-中的一對反接即可。

FX3U-64MT的脈沖輸出程序如上圖，PLSY為脈沖輸出指令，K1000指脈沖產(chǎn)生的頻率為1000Hz，K30000指輸出30000個脈沖后自動停止，若位K0時，脈沖將持續(xù)產(chǎn)生，Y000指脈沖額輸出端口。需要注意的是，步進電機只能在低速時直接啟動，若步進電機需要進行高速旋轉(zhuǎn)，則應(yīng)該有一個加速啟動的的過程，同時停止時也應(yīng)該有一個減速的過程，此時K1000可用斜坡信號產(chǎn)生的數(shù)據(jù)寄存器代替，如下圖所示：

預(yù)先將數(shù)據(jù)存入D2、D3中，通過斜坡指令RAMP使D1中的數(shù)據(jù)由D2變?yōu)镈3，變化時間為1000個掃描周期，如果要使加速時間可控，可通過修改特殊寄存器D8039中的數(shù)據(jù)來恒定PLC的掃描周期。減速停止時只需將D2、D3交換即可。

2 PLC控制驅(qū)動缸往復(fù)運動

驅(qū)動缸動力源由液壓泵站提供，通過活塞桿感應(yīng)接近開關(guān)的位置向PLC傳輸信號，控制三位四通電磁換向閥改變驅(qū)動缸的運動方向，最終實現(xiàn)試驗缸的往復(fù)運動。

若電磁換向閥所需驅(qū)動電流較大，應(yīng)該在PLC與電磁換向閥之間接中間繼電器，以防燒毀PLC觸點。

FX3U-64MT型號的PLC設(shè)有S/S端，當(dāng)需要漏型輸入時，短接24V與S/S端，X端與0V形成控制；當(dāng)需要源型輸入時，短接0V與S/S端，X端與24V形成控制回路。以本實驗臺為例，選用的是NPN型接近開關(guān)，接線如圖2所示。

3 傳感器數(shù)據(jù)采集

由于PLC本質(zhì)上仍然是一種工業(yè)控制計算機，只能夠處理數(shù)字量信息，因此無法直接處理像溫度等連續(xù)變化的模擬量信息，因此必須通過外設(shè)硬件進行處理，將模擬量轉(zhuǎn)化成數(shù)字量，然后進入PLC進行處理。

根據(jù)需要所借的傳感器的個數(shù)，最終選用FX3U-4AD特殊功能模塊，該模塊可同時接收四個模擬量輸入，可識別多種電流、電壓信號，并且可以通過數(shù)字濾波設(shè)定，讀取穩(wěn)定的A/D轉(zhuǎn)換值。該模塊的接線如圖3所示。

使用電流輸入時，必須連接U+和I+端子。如果外部接線中有電氣干擾，可以接一個平滑電容器，同時應(yīng)該使用屏蔽電纜，并且要有良好的接地。

模塊的寫入及讀取程序如上圖所示，F(xiàn)MOVP為多點傳送指令，BMOVP為呈批傳送指令，U0指與可編程控制器連接的第一個特殊功能模塊，G2/G10指該模塊的緩沖存儲器，K4指傳送的個數(shù)，D5為寫入的第一個數(shù)據(jù)寄存器。

4 高壓實驗臺的工作流程

高壓實驗臺的工作流程如圖4所示，開始時，高壓實驗臺通電，通過PLC控制步進電機調(diào)整驅(qū)動缸臺架的高度，當(dāng)驅(qū)動缸與試驗鋼對齊后，停止步進電機的運轉(zhuǎn)，啟動泵站上的三相異步電機，帶動液壓泵運動，通過電磁換向閥實現(xiàn)驅(qū)動缸的往復(fù)運動，進而帶動試驗缸運動，直到往復(fù)次數(shù)達到計數(shù)器的要求，實驗完成后，高壓試驗臺斷電，全部按鍵復(fù)位。在實驗過程中，完成對傳感器數(shù)據(jù)的采集及保存。

5 結(jié)語

高壓密封試驗臺采用可編程邏輯控制器控制后，控制系統(tǒng)更加簡單可靠，接線及維護更加方便，通過數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊，可同時采集多個傳感器的數(shù)據(jù)，可以形成各個傳感器的歷史數(shù)據(jù)報表，由于可編程邏輯控制器的使用，實現(xiàn)了試驗臺架升降和驅(qū)動缸驅(qū)動的精確控制，達到了所需的要求。

參考文獻：

[1]韓志強，劉曉婷.步進電機PLC控制的研究設(shè)計[J].輕工機械，2006，24（4）：114-115.

[2]初航，史進波.三菱FX系列PLC編程及應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2014.

[3]Xi Zhang，Dalong Wang.Design of lifting system in seals of the hydraulic support eccentric loading test bench based on PLC and stepper motor[J].Engineering Solutions for Manufacturing Processes Ⅳ 2014：902-905.

[4]三菱電機自動化（中國）有限公司.FX3U系列微型可編程控制器 用戶手冊[硬件篇][Z].上海：三菱電機自動化（中國）有限公司.

[5]三菱電機自動化（中國）有限公司.FX3G·FX3U·FX3UC系列微型可編程控制器用戶手冊（模擬量控制篇）[Z].上海：三菱電機自動化（中國）有限公司.