基于PLC的液壓實驗臺控制系統開發與研制

譚月涵

摘 要：針對液壓實驗臺普遍存在自動化控制程度不高的現實情況，文章設計了基于PLC實現的液壓實驗臺控制系統，介紹了液壓實驗臺的功能需求，給出了液壓實驗臺的結構設計方案，在此基礎上重點分析了液壓實驗臺控制系統的設計，從上位機與下位機、硬件與軟件兩個角度探討了控制系統的設計與實現，對于進一步提高液壓實驗臺控制系統的設計與應用具有較好的借鑒意義。

關鍵詞：PLC；液壓實驗臺；控制系統

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

液壓傳動是一種傳統的動力傳動方式，相較于電力傳動和氣壓傳動而言，液壓傳動的最大優點就在于液壓系統能夠提供穩定的大功率負載能力，而這是氣壓和電力傳動系統所無法比擬的優勢。隨著機電一體化技術的發展，現在單獨的液壓系統已經越來越少，而是將液壓控制系統與電力、機電控制技術相結合，逐漸成為機電液一體化系統。因此目前全國各個高校的機電專業都普遍開設了液壓傳動、液壓控制系統、電液伺服控制技術等專業課程，而這些專業課程需要配套的實驗臺或者實驗控制系統進行實驗；另一方面，目前我國的液壓實驗臺控制技術仍然遠遠落后于國外發達國家，由此導致了我國對于液壓控制系統的研發，核心技術仍然受制于國外發達國家，對于電液伺服控制技術、高精密液壓伺服技術等高新技術領域仍然缺乏合適的實驗研究裝備。因此，集成液壓技術、電力控制技術、自動化控制技術及計算機技術等，開發設計有針對性的液壓綜合實驗臺是十分有必要的。

文章在傳統的液壓缸實驗、液壓回路實驗的基礎上，將自動化控制技術、計算機遠程技術等結合起來，充分利用液壓和電力控制相結合的優勢，開發面向機電液一體化的綜合實驗臺裝備，為我國液壓實驗臺裝備的研發與設計提供可供借鑒的理論和實踐指導意義。

1 液壓實驗臺的功能需求分析

作為面向液壓類專業性、工業性實驗的需求，該實驗臺應當能夠滿足以下幾個方面的功能需求：

①滿足液壓控制系統的各項測試功能。液壓實驗臺的首要功能就是應當能夠滿足液壓控制系統的各個測試功能，包括測試液壓元件的性能參數，測試液壓閥的性能曲線，液壓控制系統的負載特性測量，液壓泵的實驗等等，面向各類液壓元件、液壓類設備或者裝備開展的各項測試、測量實驗，這是液壓實驗臺的首要功能。

②滿足自動化測量與控制的功能。傳統的液壓實驗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，要能夠自動實驗對液壓元件、液壓系統的相關液壓參數的采集、測量、計算、分析、處理，以及對輸出執行元件的自動化控制、加載、卸載及對機電液一體化裝備的動力傳輸和傳遞，這些是機電液一體化設備自動化測量與控制必須要滿足的功能。

③要具備良好的人機交互功能。過去提到液壓實驗臺，給人的第一印象就是油乎乎、臟兮兮，很多液壓實驗臺由于缺乏良好的人機交互性，使得操作人員不愿意去操作實驗臺，為此，本研究課題所設計的液壓實驗臺應當采用基于計算機技術實現的虛擬采集、測量與控制系統，為操作人員提供友好的人機交互系統和體驗，這也是液壓實驗臺控制系統的必然發展趨勢之一。

3 基于PLC的液壓實驗臺控制系統的設計

3.1 實驗臺的結構設計

本研究課題所提出的基于PLC實現的液壓實驗臺控制系統，主要由以下幾個部分構成。

3.1.1 液壓類傳感器與液壓元件

為了完成液壓類測試實驗，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、流量計等，這些基本設備共同構成了液壓實驗臺的底層數據源。

3.1.2 自動化采集與測量PLC

本液壓實驗臺最大的核心就在于采用了模塊化設計的PLC模塊，直接采用模擬量擴展模塊和數字量擴展模塊，實現對實驗臺底層數據源的采集與測量，將相關數據傳輸到液壓實驗臺的控制中心。

3.1.3 控制中心——工控機

工控機作為液壓實驗臺的控制中心，一方面為整個液壓實驗臺提供數據加工處理功能，另一方面為用戶提供良好的人機交互體驗，通過專門開發的組態程序，直接讀取來自于PLC的數據，并將數據按照用戶的需求進行處理和顯示，極大的簡化了液壓實驗臺上位機的程序開發設計的工作量。

3.2 控制系統設計

3.2.1 選用PLC控制的優點

PLC又稱可編程邏輯控制器，具有非常高的可靠性，其抗干擾能力遠勝于單片機系統，因此采用PLC作為實驗臺控制系統的下位機，實驗臺的測試檢驗質量得到了可靠的保障；同時，PLC還具有操作簡單，擴展容易，模塊化設計等優勢，即使是初學人員也能夠快速上手，這就決定了該實驗臺后期的維護保養成本比較小。另外，采用PLC作為控制系統的一部分，通過擴展模擬量模塊和數字量模塊，能夠方便的接入各種液壓元件、傳感器及液壓類裝置，這使得液壓實驗臺具有一定的通用性，大大的提高了液壓實驗臺的應用范圍。

3.2.2 控制系統結構

本液壓實驗臺采用PLC+PC機的主從控制系統模式，即PLC作為下位機，主要負責對各類液壓元件、傳感器及液壓裝置的數據、參數的采集與測量；PC機作為上位機，利用PC機強大的圖形、數據處理能力及良好的人機交互能力，實現液壓試驗的各項數據按照操作人員的需求進行數據處理及顯示，并提供各項數據管理功能，極大的豐富了液壓實驗臺的功能及操作互動能力。

3.2.3 控制系統硬件設計

控制系統的硬件主要包括實驗臺控制系統硬件的選型設計及電氣設計兩個部分。

①硬件選型設計。控制系統的硬件主要是對PLC的選型及PC機的選型。本研究課題中，PLC選用西門子的S7-200系列PLC，該PLC功能強大，性能穩定可靠，在市場上一直處于領先地位，對于用戶而言開發難度也不高，容易實現各項控制功能的開發與維護；PC機選用研華工控機，極大的提高了上位機系統的穩定性和可靠性。

②電氣設計。電氣系統主要是針對下位機PLC控制系統而言的，由于PLC屬于弱電工程，因此需要為下位機配置專門的PLC控制機柜及電氣設計。電氣系統設計主要是要為PLC控制部分設計24 V直流開關電源，斷路器，短路保險絲等，以確保下位機能夠順利可靠的實現對液壓元件及傳感器數據的采集，以及對液壓實驗臺狀態參數、性能參數的實時監測。

3.2.4 控制系統軟件設計

液壓實驗臺控制系統的軟件，主要包括下位機PLC程序和上位機組態程序兩個部分。

①下位機PLC程序。PLC程序采用梯形圖設計，由于該程序主要是面向各類模擬量和數字量進行設計，主要的任務是實現對液壓元件和傳感器等數據源的采集，因此下位機PLC程序的開發難度較低，只需要處理好數據源的點位與寄存器的關系即可。

②上位機組態程序。上位機組態程序采用與西門子PLC相配套的WINCC組態程序進行開發，利用組態程序最大優勢在于無需開發面向過程或者面向對象的復雜語言程序，僅需要按照液壓實驗臺的實際操作流程組織好相關數據流，就能夠為所有采集到的液壓實驗臺數據提供統一的數據分析、計算及處理、顯示等數據管理功能，并且能夠利用組態程序實現對液壓實驗臺工作狀態的實時監控，實現故障診斷，極大的降低了后期維護保養的難度。

4 結 語

液壓實驗臺在實際工業生產中有著廣泛的用途，普遍作為液壓泵、液壓缸以及其他液壓類元件或者設備出廠質量檢驗的重要設備之一，液壓實驗臺的質量、可靠性直接決定了液壓元件及液壓設備的質量和穩定性、可靠性。因此，對于液壓實驗臺的設計，在很大程度上能夠體現一個國家液壓工業生產制造的真正水平。

本論文主要是將PLC自動化控制技術應用于液壓實驗臺的設計研發中，結合了計算機集成技術設計了具有良好人際交互性的液壓實驗臺，能夠滿足對各類液壓元件及設備的質量檢測、參數檢驗等功能需求，是具有一定的實用價值，因此值得推廣和應用。本論文對液壓實驗臺控制系統的設計，在理論和設計方面做了一些探討，對于進一步提高我國液壓實驗臺的生產設計水平具有較好的指導借鑒意義。

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