基于PLC 的液壓健身器阻力控制系統設計

曹文權 陳東明 趙廣平 李國柱

0 引言

隨著社會的快速發展，健身越來越成為人們日常生活中不可或缺的一部分。當前所使用的健身器材仍然停留在通過手動增加砝碼提高健身強度的階段，由于砝碼質量固定，此種方式很難根據訓練者的自身特點進行調節，影響健身效果。可調液壓阻尼作為健身器材的負荷裝置，沒有回彈和撞擊，安全可靠、使用簡便，使得負荷的無極調整成為可能，但目前多采用手動調節。本文在液壓阻尼系統的基礎上，提出利用PLC 進行電控調節，可以使器材的負載力得到平穩快速的控制，從而提高健身的效果。

1 系統結構原理

健身器液壓阻尼系統結構原理圖如圖1 所示。整個系統主要由油箱、液壓油缸、電動調節閥組成，液壓油缸固定不動，油缸兩側腔體用兩根油管與油箱連接。用戶通過推拉油缸上的活塞桿來進行健身，油管上安裝有電動調節閥，通過電動調節閥實時動態調節閥門開度，改變液體流速，從而在活塞桿上產生所需阻尼力。通過測量油缸兩側腔體的壓差來檢測阻尼力的大小，油缸兩側的壓力分別通過壓力變送器A 和壓力變送器B 來進行測量。

圖1 液壓阻尼系統結構原理圖

當用戶拉動液壓油缸活塞桿向左運動時，電動調節閥開度減小，系統液阻增大，活塞桿上受到的反向阻力增大，該阻力的大小F 如下式：

其中，PA為液壓油缸左側腔壓力，PB為液壓油缸右側腔壓力，A 為油缸活塞有效面積。

當用戶推動液壓油缸活塞桿向右運動時，電動調節閥全開，減小系統液阻，此時用戶可以輕松將活塞桿推至右側，為下一次拉伸做好準備。

2 控制系統設計

系統以西門子公司的LOGO! 8.2 系列PLC 為控制器，主機模塊采用LOGO!24RCE，模擬量輸入模塊采用LOGO! AM2，模擬量輸出模塊采用LOGO! AM2 AQ。LOGO!8.2 系列PLC 是西門子推出的一款小型智能邏輯控制器，具有小巧靈活、編程便捷、功能豐富及性能可靠等優點。此外，LOGO! 8.2 主機模塊集成了Web Server 功能，可以輕松實現通過手機、電腦等移動設備遠程監控LOGO! 運行數據。

圖2 控制系統結構組成

圖2 給出了控制系統的結構組成。24 V 開關電源為系統各模塊提供所需電源。兩個壓力變送器型號為SIN-P300，將壓力轉換為4～20 mA 電流信號送入模擬量輸入模塊。電動調節閥接收來自模擬量輸出模塊的4～20 mA 電流信號，以此來調整自身開度。觸摸屏選用昆侖通態TPC7062KX，通過網線與主機模塊LOGO!24RCE 連接，以PLC 作為服務器端，觸摸屏作為客戶端，將IP 地址配置在同一子網下。

3 系統的軟件設計

系統通過兩個壓力變送器采集液壓油缸兩側的壓力值PA和PB，當PA＜PB時，說明此時用戶在將活塞桿推回，此時將電動調節閥全開；當PA≥PB時，認為此時用戶正在做活塞桿向外拉伸的動作，此時需要增加健身器負荷，通過調節電動調節閥加入阻力控制。液壓健身器阻力控制采用PI 控制規律，控制系統的LOGO! 功能框圖如圖3 所示。

圖3 控制系統LOGO!功能框圖

圖中B005 為PI 控制器，AI1 和AI2 分別是兩個壓力變送器的測量值，模擬量比較器B002 將兩個壓力變送器檢測到的壓力值做差，結果作為PI 控制器的反饋值送入B005。AI3 為用戶設定的阻尼壓力值，通過觸摸屏進行設定后通過網絡通信傳入PLC 中。PI 控制器將用戶設定的壓力值與反饋值進行比較并實施PI 控制，產生的控制量送入AQ2，控制電動調節閥執行相應動作。AQ1 將系統獲得的壓力值傳到觸摸屏上進行顯示。對PI 控制器參數進行反復調試后，控制系統能夠根據設定值動態調整閥門開度，使健身負荷能夠滿足用戶的需求。

4 結論

本文根據健身器的液壓阻尼系統的工作原理和控制要求，設計了基于LOGO! 8.2 系列PLC 的健身器液壓阻力控制系統，通過控制電動調節閥的開度，對液壓油缸兩端的液體壓力進行調節，利用觸摸屏實現了阻力設定和實際測量值的顯示。液壓阻尼健身器結構緊湊、柔性非回彈性，通過增加控制系統使得其負載能夠根據用戶的需要進行連續和實時的變化，使之具有更好的市場前景和商業價值。