基于PLC控制的模塊化液壓實驗平臺的研發(fā)*

吳金文，韓 雪，諸 劍

（南京工業(yè)大學(xué)浦江學(xué)院，江蘇 南京 211112）

基于PLC控制的模塊化液壓實驗平臺的研發(fā)*

吳金文，韓 雪，諸 劍

（南京工業(yè)大學(xué)浦江學(xué)院，江蘇 南京 211112）

隨著工業(yè)控制技術(shù)的發(fā)展，液壓與氣動的應(yīng)用也得以不斷延伸，高校液壓課程實踐教學(xué)的要求也在日益提高，而傳統(tǒng)的液壓試驗臺多采用繼電器等元件進(jìn)行控制，存在可靠性，靈活性差等缺點。文章在傳統(tǒng)控制方法的基礎(chǔ)上，設(shè)計研發(fā)基于PLC控制的多功能液壓教學(xué)實驗平臺，擴大液壓實驗臺的功能范圍，提高控制系統(tǒng)的柔性，有利于培養(yǎng)學(xué)生在機電液綜合控制等方面的綜合能力，方便學(xué)生學(xué)習(xí)和掌握用PLC控制各種液壓回路的技術(shù)。

PLC；液壓；電氣

液壓傳動課程是由基礎(chǔ)理論、液壓元件、液壓系統(tǒng)三部分組成，而液壓系統(tǒng)的回路設(shè)計非常靈活和重要。所以，液壓回路設(shè)計是液壓傳動課程教學(xué)的一個重要組成部分，液壓實驗裝置也是培養(yǎng)學(xué)生技能水平和創(chuàng)新能力的載體。文章根據(jù)要求研發(fā)出能適應(yīng)理工科及大中專院校機電自動化等專業(yè)開設(shè)的《液壓與氣壓傳動》、《PLC可編程序控制器原理及應(yīng)用》等相關(guān)課程的教學(xué)實驗，同時也可作為機、電、液控制多元化的綜合實驗臺。學(xué)生通過課程設(shè)計及操作實驗，可以更形象、更準(zhǔn)確地深入了解和掌握液壓元件的結(jié)構(gòu)、液壓基本回路的控制原理及設(shè)計方法等。也能通過各種實驗，掌握PLC可編程序控制的功能，控制原理及編程技巧。

1 實驗裝置總結(jié)構(gòu)簡介

該實驗裝置由機械部分、電氣控制部分、液壓模塊、PLC控制模塊四個部分組成，結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。實驗工作平臺由實驗工作面板、實驗桌、實驗操作臺等組成。安裝面板為帶“T”槽的鋁合金板材結(jié)構(gòu)，每個液壓元件均配有油路過渡底板，可以很方便的在實驗面板上安裝用來搭接實驗回路。系統(tǒng)的額定工作壓力6.3MPa，由定量齒輪泵和直流電機驅(qū)動，為實際的液壓系統(tǒng)提供一個試驗平臺，既達(dá)到了液壓傳動課程的教學(xué)實驗?zāi)康模旨骖櫫藢嵱眯浴Ｍ瑫r還可以做PLC液壓控制液壓回路實驗。實驗臺為單側(cè)布置，可供一組學(xué)生進(jìn)行操作和實驗。所有實驗元件均為獨立組件，應(yīng)用橡膠軟管由學(xué)生自行設(shè)計、組裝實驗回路。每個工位都有液壓油的供給/回油接口、壓力測試接口和實驗回路的電氣控制輸入/輸出接口等，具有多種功能并可擴展。

圖1 多功能液壓實驗裝置結(jié)構(gòu)簡圖

實驗面板上側(cè)是四組繼電器控制區(qū)域、兩組時間繼電器控制區(qū)域、系統(tǒng)手動啟閉控制按鈕以及液壓站調(diào)速控制與轉(zhuǎn)速顯示區(qū)域，電氣系統(tǒng)采用了安全24伏控制電壓，實驗面板右側(cè)是PLC控制區(qū)域，采用的是西門子S7-200CPU224AC/DC/RLY型號。此PLC擁有14輸入和10輸出，可與計算機進(jìn)行通訊實現(xiàn)計算機智能控制功能，同時以液壓回路為控制對象，增加對PLC控制可編程序控制器的學(xué)習(xí)與工程應(yīng)用，同時實驗的控制部分也可以采用獨立的繼電器控制單元進(jìn)行電氣回路控制，通過兩者的比較，體會PLC可編程序控制的智能性和先進(jìn)性，加深對PLC編程的學(xué)習(xí)和掌握。

實驗臺可完成的實驗項目：①常用液壓元件的性能測試；②液壓傳動16種基本回路的演示實驗；③學(xué)生自行設(shè)計、組裝的擴展液壓回路實驗（可擴展60余種）；④可編程序控制器（PLC）控制實驗，機電液多元控制形式。

2 實驗裝置電氣控制模塊

本液壓實驗臺根據(jù)具體的液壓回路實驗要求，選擇對應(yīng)的液壓元件組合成具體的液壓回路，同時通過電氣部分的控制來完成相關(guān)實驗?zāi)康模哂卸喾N控制形式，不僅能完成液壓常規(guī)實驗，還能完成部分與液壓技術(shù)相關(guān)的機電一體化控制技術(shù)實驗。電氣控制部分分為繼電器控制部分，時間繼電器控制部分，還有液壓泵電機控制部分及相關(guān)的轉(zhuǎn)速顯示表。這部分是通過手動控制繼電器輸入或者由時間繼電器設(shè)置好時間，由繼電器開關(guān)控制液壓回路中的電磁閥得電，從而來控制液壓回路中各執(zhí)行元件的動作。具體繼電器控制部分的電路如圖2、圖3所示。

圖2 繼電器輸出控制電氣原理接線圖

圖3 繼電器控制主電路輸入電氣原理接線圖

3 實驗裝置液壓模塊

液壓裝置按其總體配置分為分散配置型和集中配置型兩種主要結(jié)構(gòu)類型，而集中配置型即為通常所說的液壓站。本設(shè)計的液壓實驗臺采用集中配置型液壓裝置，它是將液壓系統(tǒng)的執(zhí)行器安放在實驗臺上，而將液壓泵及其驅(qū)動電機、輔助元件等獨立安裝在實驗臺之外，即集中設(shè)置所謂液壓站。此實驗臺結(jié)構(gòu)是將液壓站設(shè)置在實驗臺左下方側(cè)，作為執(zhí)行器的液壓缸置于實驗臺鋁制實驗板上，液壓站通過管路將液壓油傳遞至液壓缸中從而進(jìn)行實驗。整個液壓模塊分為以下幾個部分：液壓源部分、壓力測試部分、執(zhí)行器、帶單向閥的快換接頭、液壓元件組件及橡膠軟管、液壓元器件。教學(xué)中常用的雙杠順序控制液壓回路如圖4所示。

圖4 度缸順序控制回路

4 實驗裝置PLC控制模塊

本實驗臺實驗電氣控制部分的關(guān)鍵是西門子的可編程控制器，該控制器能利用其內(nèi)部編寫存儲的程序?qū)σ簤夯芈愤M(jìn)行循環(huán)掃描控制。控制臺上方有輸入/輸出指示燈、編程器輸入信號接口及24V輸出信號插孔。控制器下方設(shè)有編程器與主實驗臺進(jìn)行信號傳輸?shù)妮斎?輸出接口等。輸入/輸出接口采用快捷航空插頭連接，簡化了PLC控制器與實驗臺的具體接線線路等。

本試驗臺所選的S7-200PLC的工作方式為循環(huán)掃描控制。PLC通電工作后，首先進(jìn)行初始化和模塊的檢查，接著按照用戶程序編寫存儲先后順序，CPU開始連續(xù)執(zhí)行用戶程序、任務(wù)的循環(huán)序列，這個過程稱為掃描。掃描的工作過程一般分為三個階段，即輸入采樣、用戶程序執(zhí)行和輸出刷新三個階段。根據(jù)電氣系統(tǒng)的設(shè)計要求，繪制出PLC系統(tǒng)的外部接線圖，PLC輸入有14個，輸出有10個，通過PLC的程序?qū)崿F(xiàn)不同的動作，其接線如圖5所示。

圖5 PLC控制部分電路原理及應(yīng)用圖

多缸順序控制回路，一般應(yīng)用在機床及其他裝置中，要求一個或者多個運動部件按照指定的順序進(jìn)行依次執(zhí)行動作。如專用機床的工作臺的復(fù)位、卡爪夾緊松開，十字滑臺的移動等動作，這些動作需要有一定的順序要求。因此，采用順序回路，以實現(xiàn)順序動作。在操作板上搭建好回路后，在PLC的編程軟件STEP7中編寫好程序（如圖6所示），上傳至PLC中后，就可以觀察液壓缸的動作，從而達(dá)到學(xué)習(xí)目的。

圖6 多缸順序控制回路梯形圖

5 關(guān)鍵點和創(chuàng)新

將可編程控制器用在多功能液壓實驗臺上，再加上傳統(tǒng)的繼電器控制模式，真正實現(xiàn)了機電液控制模式的多樣化。液壓元件和油路為透明材料制成，液壓元件按結(jié)構(gòu)尺寸制造，仿真效果好，直觀性強，且元件承壓可達(dá)5MPa以上，回路無泄漏干凈整潔。利用計算機作為上位機控制，實現(xiàn)液壓回路仿真功能，同時運用組態(tài)軟件實現(xiàn)液壓回路的仿真，提高安全性，能更直觀的體現(xiàn)實驗結(jié)果。

6 結(jié)束語

針對傳統(tǒng)繼電器控制的液壓試驗臺只能手動控制的問題，本課題是將PLC自動化控制技術(shù)應(yīng)用于液壓實驗臺的設(shè)計研發(fā)中，不但保留了傳統(tǒng)液壓控制的功能，也增加了PLC自動控制的功能，這樣學(xué)生能更直觀的對傳統(tǒng)控制方式和自動控制方式進(jìn)行比較。本課題對液壓實驗臺控制系統(tǒng)的設(shè)計，在理論和設(shè)計方面做了一些研究。該實驗臺的自行研制開發(fā)不僅是對青年教師隊伍的培養(yǎng)和鍛煉，同時，所研發(fā)的實驗臺實驗效果強，直觀性好，有助于鍛煉和提高學(xué)生的綜合能力和創(chuàng)新能力，能夠進(jìn)一步提高液壓相關(guān)課程的教學(xué)效果。

[1]郁漢琪.電氣控制與可編程控制器應(yīng)用技術(shù)[M].南京:東南大學(xué)出版社,2010.

[2]劉延俊.液壓與氣壓傳動[M].北京:機械工業(yè)出版社,2013.

[3]張萬忠.可編程控制器應(yīng)用技術(shù)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2008.

[4]黃志堅.液壓系統(tǒng)控制與PLC應(yīng)用[M].北京:中國電力出版社,2012.

V233.91

A

2096-2789（2016）11-0198-02

南京工業(yè)大學(xué)浦江學(xué)院校級課題（njpj2015-2-01）。

吳金文（1984-），男，江蘇南京人，講師，研究方向：機電一體化。