一種基于PLC控制的液壓實(shí)訓(xùn)臺(tái)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

林金英，陳清彬

（福建船政交通職業(yè)學(xué)院，福建福州，350007）

1 控制要求

液壓實(shí)訓(xùn)臺(tái)控制系統(tǒng)主要包括：液壓運(yùn)行控制系統(tǒng),液壓系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),模擬故障設(shè)置系統(tǒng)。

整個(gè)控制系統(tǒng)既可以實(shí)現(xiàn)本地集中控制也可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程教室控制，主要通過(guò)遠(yuǎn)程/本地切換開(kāi)關(guān)。當(dāng)系統(tǒng)處于本地控制模式下遠(yuǎn)程控制臺(tái)失效，本地控制臺(tái)的PLC模塊可以控制相應(yīng)執(zhí)行器的動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)實(shí)訓(xùn)臺(tái)各個(gè)機(jī)構(gòu)同步操作并將系統(tǒng)狀態(tài)傳遞到多媒體狀態(tài)顯示畫(huà)面實(shí)現(xiàn)本地教學(xué)任務(wù)；當(dāng)系統(tǒng)處于遠(yuǎn)程控制模式下本地控制臺(tái)失效，遠(yuǎn)程控制臺(tái)分站PLC模塊采集操作按鈕指令實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程的操作，并將系統(tǒng)狀態(tài)傳遞到多媒體狀態(tài)顯示畫(huà)面和主控制柜的觸摸屏上。

2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

為實(shí)現(xiàn)液壓系統(tǒng)的控制要求，采用主從站集中管理的方式，兩個(gè)操作臺(tái)PLC分站與主控制柜的PLC主站采用Profibus總線進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，主從站間的傳送和接收的數(shù)據(jù)主要是控制方式、狀態(tài)信號(hào)、閥的控制指令等；變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)與主PLC系統(tǒng)通過(guò)Profibus總線連接，實(shí)現(xiàn)主泵電機(jī)的運(yùn)行控制和主泵電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控。主PLC與多媒體系統(tǒng)通過(guò)以太網(wǎng)進(jìn)行連接，以TCP/IP協(xié)議的方式實(shí)現(xiàn)通訊。觸摸屏通過(guò)MPI與主PLC進(jìn)行連接，在屏幕上顯示狀態(tài)信號(hào)或?qū)刂葡到y(tǒng)操作。PLC控制網(wǎng)絡(luò)如圖1所示。

圖1 PLC控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)

3 實(shí)訓(xùn)臺(tái)電氣控制系統(tǒng)硬件選型

電氣控制系統(tǒng)除滿足液壓控制要求，還要具備數(shù)據(jù)采集和通訊要求,選用PLC產(chǎn)品型號(hào)為西門子系列中的S7-300產(chǎn)品。其模塊化結(jié)構(gòu)、易于實(shí)現(xiàn)分布式的配置以及性價(jià)比高、電磁兼容性強(qiáng)、抗震動(dòng)沖擊性能好。主要特點(diǎn)有：循環(huán)周期短、處理速度高；指令集功能強(qiáng)大，可用于復(fù)雜功能；模塊化結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)更加靈活；功能模塊和I/O模塊可選擇等。

■3.1 信號(hào)模塊的選擇

信號(hào)模塊是連接PLC與外部設(shè)備的接口模塊，主要是對(duì)輸入或輸出信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的轉(zhuǎn)換，便于信號(hào)的處理和執(zhí)行。包含數(shù)字輸入/輸出模塊、模擬量輸入/輸出模塊。

(1)數(shù)字輸入（DI）模塊的選用

系統(tǒng)中現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)元件和模塊間的距離較近，故選用24V DC電壓可以滿足要求。選用 SM321模塊，具體型號(hào)為6ES73211BL00-0AA0，考慮到點(diǎn)數(shù)的冗余，主PLC的SM321模塊數(shù)量為1，子PLC的SM321模塊數(shù)量為4。具體參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 輸入模塊參數(shù)

(2)數(shù)字輸出（DO）模塊的選用

系統(tǒng)輸出元件主要是電磁閥和指示燈。系統(tǒng)選用SM322模塊。型號(hào)為6ES73221BL00-0AA0，主PLC的SM321模塊數(shù)量為2，子PLC的SM321模塊數(shù)量為10，具體參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 數(shù)字輸出模塊參數(shù)

?

(3)模擬輸入（AI）模塊的選用

該控制系統(tǒng)中選用8×12位模塊SM331（8通道）。型號(hào)6ES7 331-7KF02-0AB0，主PLC的SM321模塊數(shù)量為1，子PLC的SM321模塊數(shù)量為6，具體參數(shù)如表3所示。

表3 模擬輸入模塊參數(shù)

(4)模擬輸出（AO）模塊的選用

模擬量輸出模塊采用4通道的4×12位SM332。型號(hào)為6ES7 332-5HF00-0AB0，主PLC的SM321模塊數(shù)量為0，子PLC的SM321模塊數(shù)量為8，具體參數(shù)見(jiàn)表4。

表4 模擬輸出模塊參數(shù)

(5)接口模塊

ET200M是一款高度模塊化的分布式I/O系統(tǒng)，防護(hù)等級(jí)為IP20。它使用S7-300可編程序控制器的信號(hào)模塊，功能模塊和通訊模塊進(jìn)行擴(kuò)展。防護(hù)等級(jí)為IP20，特別適用于高密度且復(fù)雜的自動(dòng)化任務(wù)。同時(shí)支持Profibus和Profinet現(xiàn)場(chǎng)總線；使用S7-300信號(hào)模塊，功能模塊和通訊模塊；可以最多擴(kuò)展8或12個(gè)S7-300信號(hào)模塊；通過(guò)配置有源背板總線模塊，ET 200M可以支持帶電熱插拔功能；可以將故障安全型模塊與標(biāo)準(zhǔn)模塊配置在同一站點(diǎn)內(nèi)。

(6)以太網(wǎng)模塊CP343-1

CP可以方便的把第三方系統(tǒng)連接到SIMATIC S7上。由于CP具有極高的靈活性，可以實(shí)現(xiàn)多種不同的物理傳輸介質(zhì)、傳輸速率，甚至可以自定義傳輸協(xié)議。

■3.2 其他主要元件選型

按鈕及指示燈選型:按鈕及指示燈選擇施耐德公司的產(chǎn)品。

壓力開(kāi)關(guān)/傳感器：在實(shí)訓(xùn)臺(tái)液壓控制系統(tǒng)中，需要實(shí)時(shí)檢測(cè)管路中的工作壓力情況同時(shí)也要反饋到PLC系統(tǒng)中。在選型中，選擇常開(kāi)常閉的雙觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)，參數(shù)如表5所示。

表5 電感式接近傳感器參數(shù)表

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

(1)程序系統(tǒng)組態(tài)

程序采用模塊化編程，PLC程序主要包括實(shí)訓(xùn)臺(tái)本地和遠(yuǎn)程兩種形式下的相關(guān)控制以及主從站之間數(shù)據(jù)的傳送和接收。主從站之間傳送和接收的數(shù)據(jù)主要包括相應(yīng)的控制方式、采集信號(hào)、電磁閥線圈控制信號(hào)、比例閥控制信號(hào)等。組態(tài)完成后的結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 實(shí)訓(xùn)臺(tái)網(wǎng)絡(luò)組態(tài)圖

(2)主要程序功能塊和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

不論是本地操作臺(tái)控制還是遠(yuǎn)程控制模式下，存在共同的控制程序，即電機(jī)運(yùn)行、閥控制模塊、實(shí)訓(xùn)臺(tái)系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集、故障模擬設(shè)置、多媒體系統(tǒng)連接等。因此在整個(gè)程序設(shè)計(jì)中，將該五部分的程序?qū)懭氲轿鍌€(gè)功能塊。在主PLC程序和子PLC程序中調(diào)用該功能塊。調(diào)用功能塊的程序結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 實(shí)訓(xùn)臺(tái)程序結(jié)構(gòu)

(3)控制方式選擇流程圖

系統(tǒng)運(yùn)行開(kāi)始，主程序檢測(cè)控制系統(tǒng)在沒(méi)有預(yù)設(shè)的系統(tǒng)故障前提下，實(shí)訓(xùn)臺(tái)進(jìn)入操作允許狀態(tài)。操作允許狀態(tài)與各允許條件滿足的情況下可以通過(guò)選擇開(kāi)關(guān)來(lái)啟動(dòng)本地控制臺(tái)或遠(yuǎn)程教室操作臺(tái)。流程圖如圖4所示。

圖4 本地/遠(yuǎn)程控制流程

本地操作控制臺(tái)采用“油電混合”的控制系統(tǒng)，手柄、腳剎等與常規(guī)挖機(jī)系統(tǒng)一致。遠(yuǎn)程操作臺(tái)主要是用電的方式模擬液壓系統(tǒng)指令，用絕對(duì)值編碼器模擬液壓“油門”的大小，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程的控制。

(4)HMI觸摸屏的布局組態(tài)

本地主控制柜上安裝的觸摸屏組態(tài)主要包括四部分：基本信息塊、運(yùn)行狀態(tài)塊、故障信息塊、故障模擬系統(tǒng)塊等。

基本信息塊主要包含基本的操作臺(tái)控制按鈕：控制合/停、電機(jī)啟/停、本地控制、遠(yuǎn)程控制、同步操作、壓載操作等。通過(guò)按鈕的切換實(shí)現(xiàn)不同的操作。

運(yùn)行狀態(tài)塊主要包括系統(tǒng)的過(guò)程參數(shù)：電機(jī)運(yùn)行過(guò)程參數(shù)（電流/電壓/轉(zhuǎn)速）、液壓系統(tǒng)壓力、各節(jié)點(diǎn)流量和壓力、各運(yùn)行機(jī)構(gòu)油缸長(zhǎng)度等。

故障信息塊通過(guò)實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)故障信息和故障處理的幫助信息，主要用在控制系統(tǒng)維護(hù)。故障模擬系統(tǒng)塊通過(guò)觸發(fā)預(yù)先設(shè)置的模擬故障選項(xiàng)，干預(yù)系統(tǒng)的正常運(yùn)行模擬系統(tǒng)故障存在，可以真實(shí)的反映故障發(fā)生時(shí)的各種現(xiàn)象?？梢酝ㄟ^(guò)模擬排除故障達(dá)到教學(xué)要求，挖掘機(jī)故障模擬界面如圖5所示。

圖5 挖掘機(jī)故障模擬

(5)主泵電機(jī)控制程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)電機(jī)是液壓站中液壓主泵電機(jī)。液壓泵電機(jī)起動(dòng)時(shí)，電機(jī)一般是輕載或者空載起動(dòng)，起動(dòng)難度不大，但由于本實(shí)訓(xùn)臺(tái)模擬挖機(jī)系統(tǒng)使用電機(jī)功率大，起動(dòng)電流過(guò)大，起動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)，會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成不利影響。因此本系統(tǒng)對(duì)電機(jī)起動(dòng)和電機(jī)保護(hù)要求較高，采用變頻器來(lái)起動(dòng)，其起動(dòng)性能較好，系統(tǒng)中主電機(jī)需要調(diào)速功能，同時(shí)必須對(duì)電機(jī)的運(yùn)行過(guò)程做數(shù)據(jù)采集。在程序功能塊FC5中通過(guò)DP通訊讀取變頻器的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，解析數(shù)據(jù)組傳輸?shù)玫轿覀冃枰碾姍C(jī)運(yùn)行過(guò)程參數(shù)。

圖6 顯示屏信息

(6)多媒體系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

程序功能塊FC9主要用于多媒體顯示屏通訊。FC9通過(guò)以太網(wǎng)與多媒體主機(jī)連接，按TCP/IP通訊方式把采集到液壓實(shí)訓(xùn)臺(tái)系統(tǒng)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)參數(shù)、各管路壓力開(kāi)關(guān)狀態(tài)發(fā)送到多媒體實(shí)訓(xùn)臺(tái)管理系統(tǒng)，顯示屏部分信息見(jiàn)圖6。管理系統(tǒng)的液壓原理圖在收到FC9送過(guò)來(lái)的狀態(tài)值切換原理圖上的顏色實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)變換。數(shù)據(jù)0代表管路未導(dǎo)通或無(wú)工作指令，多媒體顯示為灰色；數(shù)據(jù)1代表管路導(dǎo)通或觸發(fā)，多媒體顯示為綠色；數(shù)據(jù)2代表響應(yīng)管理位置或液壓元器件故障，多媒體顯示為紅色，同時(shí)系統(tǒng)的故障信息模塊會(huì)提示相應(yīng)的故障代碼和幫助信息。