基于PLC的液壓試驗(yàn)臺(tái)回路設(shè)計(jì)

許曉東+雷福祥+李宜峰+肖愛(ài)玲

摘要：為配合液壓傳動(dòng)課程及PLC自動(dòng)控制課程的教學(xué)改革，研究利用PLC控制液壓教學(xué)試驗(yàn)臺(tái)，根據(jù)需要設(shè)計(jì)液壓回路。詳細(xì)介紹液壓試驗(yàn)臺(tái)的優(yōu)化方案及利用PLC設(shè)計(jì)液壓實(shí)驗(yàn)回路裝置的方法，為提高教學(xué)試驗(yàn)質(zhì)量及學(xué)生的創(chuàng)新能力提供參考。

關(guān)鍵詞：液壓試驗(yàn)臺(tái)；PLC；自動(dòng)控制；優(yōu)化

中圖分類號(hào)：TP271 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-1161（2016）11-0036-04

液壓傳動(dòng)課程是機(jī)電專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課程，實(shí)用性非常強(qiáng)。授課由理論、液壓元件、液壓回路三部分組成，其中液壓系統(tǒng)的回路設(shè)計(jì)非常靈活和重要。傳統(tǒng)教學(xué)利用繼電器組控制回路已經(jīng)不能滿足教學(xué)需要，需要利用PLC（可編程序控制器）技術(shù)將液壓技術(shù)有機(jī)結(jié)合起來(lái)，培養(yǎng)學(xué)生的研究能力和創(chuàng)新能力。PLC具有抗干擾性強(qiáng)、運(yùn)行可靠的優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。利用PLC控制技術(shù)完成液壓回路試驗(yàn)中的回路控制試驗(yàn)，如節(jié)流回路、調(diào)壓回路、減壓回路、順序回路（電氣控制、行程控制）、差動(dòng)回路、綜合回路，學(xué)生不僅能夠掌握液壓系統(tǒng)原理，還能掌握PLC可編程序的控制功能、控制原理及編程技巧。

1 液壓回路試驗(yàn)臺(tái)裝置

為直觀形象地展示液壓元器件的結(jié)構(gòu)原理，及清晰觀察液壓傳動(dòng)油路的工作過(guò)程，試驗(yàn)裝置的所有液壓元件均采用透明有機(jī)玻璃外殼，便于學(xué)生觀察所有液壓元件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及液壓傳動(dòng)油路的工作過(guò)程。利用該系統(tǒng)輔助單個(gè)液壓元件的結(jié)構(gòu)、工作原理及性能教學(xué)時(shí)，還可演習(xí)常見(jiàn)的基本液壓回路試驗(yàn)。采用PLC編程控制模塊實(shí)現(xiàn)PLC智能控制，使機(jī)、電、液控制有機(jī)結(jié)合起來(lái)，優(yōu)化控制方案。

1.1 結(jié)構(gòu)組成

試驗(yàn)裝置由試驗(yàn)臺(tái)架、液壓泵站、常用液壓元件、電氣控制單元等組成。

試驗(yàn)臺(tái)元器件采用透明有機(jī)玻璃外殼，元件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)清晰直觀。通過(guò)透明的油管和紅色液壓油，可以觀察液壓油在液壓元件中的整個(gè)流動(dòng)過(guò)程。獨(dú)立的元件模塊方便安裝。通過(guò)隨意組合各試驗(yàn)?zāi)K，可搭建各種不同的試驗(yàn)回路。液壓元件的最大承受壓力為1.0 Mpa，系統(tǒng)額定工作壓力為0.8 Mpa，是安全的低壓試驗(yàn)系統(tǒng)。采用PLC編程控制模塊實(shí)現(xiàn)PLC智能控制。配有虛擬仿真軟件，可以根據(jù)學(xué)生思路設(shè)計(jì)試驗(yàn)。

1.2 電氣及液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

液壓試驗(yàn)臺(tái)控制系統(tǒng)由液壓動(dòng)力控制和電氣控制兩大系統(tǒng)組成，其中電氣控制系統(tǒng)分為強(qiáng)電部分（即液壓泵電機(jī)控制部分）和弱電部分（即PLC控制部分）。強(qiáng)、弱電部分采用分開隔離設(shè)計(jì)。圖1為液壓泵站的原理圖。

液壓動(dòng)力源控制系統(tǒng)主要由油箱、過(guò)濾器、定量泵、溢流閥、節(jié)流閥、壓力表等液壓元件組成。定量泵2是單作用葉片泵，系統(tǒng)壓力由教師調(diào)節(jié)，一般試驗(yàn)壓力為0.7 MPA。

1.3 電氣控制回路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)電氣控制回路主要由液壓主控回路、液壓繼電器控制回路、液壓PLC控制回路組成。

液壓主控回路主要為控制定量泵開關(guān)及加熱器服務(wù)。試驗(yàn)臺(tái)采用定量泵，額定流量固定，主控回路控制電機(jī)正轉(zhuǎn)。液壓主控回路見(jiàn)圖2。

在圖2中，按下SB13，接觸器KM1得電，定量泵電機(jī)正傳，提供額定壓力壓力油；SB12為停止按鈕；按下SB14，繼電器KM2得電，加熱器工作；如果溫度低于設(shè)定溫度，油溫會(huì)自動(dòng)加熱到設(shè)定溫度；QF4為加熱器開關(guān)按鈕。

液壓PLC接線如圖3所示，PLC型號(hào)為FX-20系列，PLC控制方式有手動(dòng)控制和自動(dòng)控制2種。試驗(yàn)回路搭建完成后需進(jìn)行調(diào)試。調(diào)試時(shí)，先采用手動(dòng)控制方式將PLC程序通過(guò)編程軟件下載到PLC存儲(chǔ)器中，再進(jìn)行手動(dòng)控制，以校驗(yàn)程序是否正確。自動(dòng)模式為通過(guò)專用的工控軟件選擇PLC模式進(jìn)行回路試驗(yàn)。FX1S-20MR有輸入點(diǎn)14個(gè)，繼電器輸出為8個(gè)。

控制臺(tái)PLC的輸入輸出接口見(jiàn)圖4。Y1為液壓泵輸出接口，Y0—Y11為電磁換向閥電磁鐵輸出信號(hào)；X0，X1，X2，X3為實(shí)驗(yàn)啟動(dòng)按鈕；X6—X14為行程開關(guān)輸入信號(hào)或壓力繼電器輸入信號(hào)。

2 基于PLC的液控單向閥鎖緊回路設(shè)計(jì)

利用液控單向閥的自鎖功能，可使液控單向閥鎖緊回路的活塞鎖定在任意位置，且工作可靠。液控單向閥鎖緊回路試驗(yàn)原理見(jiàn)圖5，仿真見(jiàn)圖6。

試驗(yàn)過(guò)程為：葉片定量泵開啟后，電磁閥Y2得電，系統(tǒng)壓力升高；打開液控單向閥，活塞桿右移，當(dāng)觸碰到行程開關(guān)時(shí)，Y5得電，活塞桿左移。

2.1 工控軟件控制液壓鎖緊回路

按原理圖在試驗(yàn)臺(tái)上搭接試驗(yàn)回路，將電磁鐵插頭插入試驗(yàn)臺(tái)擴(kuò)展模板輸出區(qū)對(duì)應(yīng)的插座；試驗(yàn)時(shí)將PLC與繼電器控制旋鈕旋到PLC控制位置。

接線接好后，按軟件中泵啟動(dòng)按鈕，試驗(yàn)開始；按下停止按鈕，試驗(yàn)停止。工控軟件設(shè)置接口要正確，否則試驗(yàn)不能進(jìn)行。

2.2 利用PLC仿真軟件控制鎖緊回路

PLC具有以下特點(diǎn)：可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)；建造工作量小，維護(hù)方便；體積小，質(zhì)量輕，能耗低。當(dāng)前，運(yùn)用PLC控制液壓回路已成為一種趨勢(shì)

確定PLC中需要從PLC輸出給繼電器線圈的輸入、輸出信號(hào)，指示燈及其它執(zhí)行電路，從而計(jì)算PLC輸入、輸出線數(shù)目及IO地址分配。液控鎖緊回路梯形原理如圖7所示。

按下啟動(dòng)按鈕X3，液壓泵啟動(dòng)；按下X0，電磁閥Y2得電，活塞桿右移。當(dāng)接觸到接近開關(guān)X4時(shí)，Y3得電，活塞桿左移；當(dāng)接觸到接近開關(guān)X4時(shí)，Y2得電，活塞桿右移。按下停止按鈕X2，活塞桿停止移動(dòng)，處于鎖緊狀態(tài)。將梯形圖通過(guò)接口下載到PLC程序存儲(chǔ)中，開始試驗(yàn)。

3 結(jié)論

隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的液壓試驗(yàn)設(shè)備的控制手段、實(shí)現(xiàn)功能，已不能適應(yīng)高等教育培養(yǎng)專業(yè)人才的需要。為配合液壓傳動(dòng)課程及PLC自動(dòng)控制課程教學(xué)改革，研究利用PLC控制液壓教學(xué)試驗(yàn)臺(tái)。PLC的邏輯處理功能越來(lái)越完善，液壓系統(tǒng)模塊必須與PLC控制模塊協(xié)同配合，才能最大限度發(fā)揮PLC的精確控制能力。基于PLC的多功能液壓教學(xué)試驗(yàn)裝置，不僅可以應(yīng)用于傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，還可以和計(jì)算機(jī)、P LC控制技術(shù)結(jié)合起來(lái)，進(jìn)行機(jī)電液一體化綜合控制技術(shù)的訓(xùn)練和教學(xué)，應(yīng)用前景廣闊。

參考文獻(xiàn)

[1] 王佳慶，彭芳.基于PLC的博世力士樂(lè)液壓實(shí)驗(yàn)臺(tái)的改造及應(yīng)用[J].機(jī)床與液壓，2013（20）：149-153.

[2] 柳科春.液壓試驗(yàn)臺(tái)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].煤礦機(jī)械，2014（2）：188-189.

[3] 李德英，廖力清.基于PLC的液壓試驗(yàn)臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].國(guó)內(nèi)外機(jī)電一體化技術(shù)，2010（5）：44-46.

Abstract： In order to tie in with teaching reform of hydraulic drive and PLC automatic control course， using PLC control hydraulic teaching experiment platform was studied and the hydraulic loop was designed according to the need. This paper introduced in detail the prioritization scheme of hydraulic test bench and the method used to designed hydraulic test loop device taking advantage of PLC， which provided reference for improving teaching test quality and students' innovation ability.

Key words： hydraulic test bench； PLC； automatic control； optimization