液壓系統中PLC電氣控制可視化教學實驗系統

邵雪

（云南工業技師學院，云南 曲靖 655000）

液壓傳動具有“大力大矩”和無極調速以及易于自動化和高效的功率體積比等特點，成為工程機械設備中不可或缺的傳動方式之一。目前液壓系統的電氣控制系統可分為繼電器控制系統和PLC控制系統，其中PLC控制系統具有控制速度快、觸點多、調試和修改方便等優點，常用于控制功能要求較多、可靠性與穩定性要求高的場合。液壓系統的電氣控制所學習的內容，一般是控制信號在控制系統的硬件內部如何去傳輸和相互作用。這些內容無法直觀地體驗到，學生在學習中難免感覺抽象、不容易理解。所以開發液壓系統PLC電氣控制可視化教學實驗系統，實現液壓系統電氣控制中的控制信號的直觀可視化，有助于教師的授課和學生的理解。利用VISIO、FLASH動畫、SolidWorks三維建模軟件等可視化軟件，可方便構筑液壓傳動系統，VISIO可進行液壓傳動系統的工程圖紙出圖，FLASH等動畫軟件可動態模擬液壓傳動系統中的工作介質回路，流體仿真分析軟件能夠計算分析液壓回路中工作介質的流動狀態，計算壓力變化，最終可清晰直觀地看出液壓回路中有哪些不合理的機械結構等。

1 可視化教學實驗平臺

液壓傳動系統可視化教學實驗平臺有多種，如VISIO思維導圖可視化、基于透明液壓元件與三維造型軟件的教學實驗可視化、FLASH動畫可視化、液壓仿真軟件可視化和基于液壓實驗室的開放式教學。對于出圖液壓傳動系統的工程圖，許多該行業人士都喜愛使用MS VISIO軟件，VISIO出圖的液壓系統工程圖簡潔美觀、符合工程實際對工程圖的要求，所以VISIO在許多高校、研究院等相關液壓傳動系統研究領域的應用十分廣泛。FLASH動畫制作主要應用于教師的課件制作，FLASH動畫本身不能真實反映液壓傳動系統中工作介質、控制閥的運動，也不能進行相應的流體狀態和壓力等計算，只是較為直觀地展示工作介質在液壓系統中的流動方向、經過了哪些液壓元件等。許多三維建模軟件都集成了流體分析的功能，如SolidWorks，比較專業的流體分析軟件應屬Fluent和ANSYS兩大軟件，Fluent流體分析軟件為研究人員提供了許多流體分析解決方案，流體力學相關理論都集成在Fluent里。部分高校的研究人員使用Fluent軟件做微流控的仿真分析，如T型通道微液滴的成型研究、微米級的化學反應實驗室等。ANSYS是多功能的專業的多物理場仿真分析軟件，其分析能力涵蓋了機械結構仿真、有限元分析、磁場分析、電場分析、流場分析、不同物理量的耦合分析等。ANSYS流體分析模塊與Fluent分析功能類似，使用ANSYS分析還是Fluent分析的結果，并沒有太大的差別。Fluent采用完全非結構化網格，具有基于網格節點和網格單元的梯度算法，能夠快速進行非定常系統的模擬，支持不連續網格、滑動網格和混動網格等，可進行非耦合隱式算法求解、耦合顯示算法求解和耦合隱式算法求解。

（1）VISIO思維導圖。MS Office Visio 是一款就復雜信息、系統、流程和部件與組件進行繪圖的軟件，其中內置有許多行業領域的基本圖形模塊和流程圖模塊，VISIO繪制的液壓系統圖簡潔美觀，在許多高校、研究院等相關液壓傳動系統研究領域得到較為普遍的應用。思維導圖和綱要圖是綜合運用色彩、線條、符號和圖像等組織和概括信息的結構圖形。利用VISIO可便捷地將液壓傳動課程的知識點模塊化，使學生能夠整體地把握知識點間的關聯，并進行知識點的梳理和總結，便于教師對不同的液壓元件之間的異同點進行對比。

（2）三維造型軟件。液壓元件的種類很多，各元件的工作原理不盡相同。如果學生單單從書本上的結構圖和原理圖進行學習，難免覺得乏味枯燥。學生對能夠看得見、摸得著的實物的興趣更大，所以在授課時可適當地利用透明的液壓元件模型，對液壓系統的工作原理進行講解，方便學生觀察液壓元件的內部結構和流道。SolidWorks、UG NX、Pro/E等三維造型軟件繪制的3D圖，可幫助教師對元液壓元件的組成部分進行解構，將對液壓元件知識點的講解空間化、動態化，幫助學生加深對液壓元件的理解和記憶。SolidWorks集成有流體分析的插件Flow Simulation。通過流體仿真也可讓學生直觀地觀察到液壓系統的工作介質在液壓元件中是如何流動的。Pro/E也是許多企業使用的軟件之一，目前已有Pro/E的升級版本，名稱改為Creo，Pro/E的可操作度沒有SolidWorks簡單方便，建模命令常使人感覺抽象，不易理解。UG NX為機械產品從設計、分析、仿真到制造等一系列過程提供了一整套的解決方案，其建模功能十分強大，為用戶提供了豐富的解決方法，其計算機輔助制造（CAM）模塊被廣泛應用于數控加工、數控編程等領域，極大方便了使用者和編程者的工作量，提高數控的加工效率和加工質量。

（3）液壓仿真軟件。液壓仿真軟件是對液壓系統的工作介質流動情況、壓力變化情況等進行計算和模擬仿真的軟件。通過Flash動畫演示，將工作介質的流動方向、液壓控制閥閥芯的運動等液壓元件的工作狀態，生動地展示出來，加深學生對液壓系統的理解。對于液壓系統回路，也可通過動畫形象生動地展示出來。在講解復雜的液壓回路時，可有效地演示各系統中各液壓元件的工作順序，便于分析液壓回路的功能。利用液壓仿真軟件，可對液壓系統進行定量分析，液壓系統仿真軟件有FluidSIM、AMESim等，其中FluidSIM是一個專門用于液壓與氣壓傳動的教學軟件，軟件內置有多種液壓元件及其實物圖，可通過設置液壓元件的工作參數來改變執行元件的工作速度與壓力。

2 PLC控制液壓系統

PLC控制液壓系統可視化教學實驗系統其實是一個虛擬教學實驗系統，一般由5部分構成：虛擬液壓系統模塊、虛擬PLC模塊、虛擬操作臺模塊、通訊模塊和實驗管理模塊。

（1）仿真圖形畫面的設計。通過Flash動畫制作軟件和三維設計軟件，可建立虛擬的二維和三維液壓系統動作模型。組態王軟件可根據虛擬PLC輸出的控制信號進行動作的編程和調用，根據液壓系統的工作原理和電氣控制的要求以及實際的電氣控制系統的接線圖，在組態王軟件的畫面開發系統可插入相應的圖片、按鈕、管道和連線等，從而可建立出虛擬操作臺、虛擬液壓系統和實驗管理模塊。

（2）PLC開發環境。以三菱PLC為例，三菱PLC的實現是依靠三菱PLC編程與仿真軟件GX Developer和GX Simulator。GX Developer是提供三菱PLC程序的圖形化編輯平臺，在GX Developer中可完成三菱系列PLC的編程、監控、調試和維護等工作，支持梯形圖編程、指令表編程、SFC編程、ST和FB編程。GX Simulator是調用編寫好的PLC程序，實現程序的下載和虛擬PLC的模擬運行。三菱PLC的編程較其它計算機語言，如C語言、JAVA語言、VB語言等，具有獨特的優勢，其編程方式類似于圖形化的組合編程，功能模塊從庫中選出，通過各功能之間的聯系組合而成程序流程。PLC一般都集成有數據總線，如SPI、RS-232、IIC等，目的就是為了方便PLC與其它外設的直接連接，省去許多的附帶驅動硬件。虛擬PLC模塊與虛擬液壓系統模塊和虛擬操作臺模塊通過MX OPC Server進行信號的傳輸。在MX OPC Configurator 中，通過建立虛擬實驗系統通訊數據庫來連接虛擬PLC模塊和對虛擬PLC模塊的輸入、輸出變量進行定義。實現MX OPC Server與組態王軟件的通訊，應在組態王軟件的OPC服務器中選擇由MX OPC Server提供的Mitsubishi．MXOPC．1OPC服務器并在組態王軟件的數據詞典中建立相應的變量，并與OPC服務器中虛擬PLC對應的變量進行連接，同時對變量的名稱、類型、連接設備、采集頻率和寄存器讀寫屬性等進行設置。

3 結語

液壓傳動是工程機械設備中不可或缺的傳動方式之一，液壓系統的電氣控制所學習的內容無法直觀體驗到，學生難免感覺抽象、不易理解。液壓傳動系統可視化教學實驗平臺有VISIO思維導圖可視化、基于透明液壓元件與三維造型軟件的教學實驗可視化、FLASH動畫可視化、液壓仿真軟件可視化和基于液壓實驗室的開放式教學等。PLC控制液壓系統可視化教學實驗系統是一個虛擬教學實驗系統，由虛擬液壓系統模塊、虛擬PLC模塊、虛擬操作臺模塊、通訊模塊和實驗管理模塊5部分構成，通過這5部分的相互通信、相互作用，實現PLC控制液壓系統的可視化過程。

[1]王健．能力培養導向下的液壓傳動教學方法研究與探索[J]．教育現代化,2017，(42):331-332．

[2]霍輝,史瑋．FluidSIM仿真軟件在氣液壓傳動教學中的應用[J]．時代農機,2017，(05):195，197．