電液比例綜合教學設備設計開發*

趙秀華

(山東職業學院 城市軌道學院，山東 濟南 250104)

0 引 言

《液壓與氣壓傳動》是高職院校機械、機電類專業的一門專業基礎課程，液壓氣動實訓室在該課程的教學過程中發揮著重要的作用。在實訓室內可開展課程的教、學、做一體化教學、項目教學等。現階段，液壓傳動技術的應用已朝著多樣化、高精化、智能化的方向發展，電液比例閥是電液控制系統的核心部件，在工業過程控制中獲得廣泛的應用，代表流體控制技術的發展方向[1-2]。這就迫使我們在教學過程中，在讓學生掌握基礎知識的同時，還要讓學生了解更多的新技術、新知識。同時，為了縮短學生就業后的崗位適應期，讓學生能接觸到企業現場實際使用的元件及連接方式[3-4]，做到理論與實際應用相結合是非常必要的。

目前，高職院校的液壓實訓室內的設備在功能上基本都是以液壓回路設計和搭接訓練為目的，設備中的元件與企業現場實際使用的元件有差別，液壓元件間的連接采用快換式接頭，與企業現場的連接方式也有所不同。學生在校內很難見到實際使用的液壓元件和連接方式，造成所學、所用與實際使用脫節。

針對以上情況，筆者與企業工程師合作共同開發了“電液比例綜合教學設備”。教學設備中的所有液壓元件和連接方式都是企業中實際使用的，設備綜合運用了計算機控制技術、傳感器技術、電液比例控制技術、PLC控制技術、人機界面等[5]，將液壓泵站、比例閥、位移傳感器等應用其中，讓學生在學習到液壓基礎知識的同時，了解液壓系統的高精度控制、智能控制，也能將所學的多門課程的知識聯系起來。

1 綜合教學設備組成

綜合教學設備主要由液壓泵站(見圖1)、控制系統(見圖2)、液壓缸(見圖3)和液壓油管四部分組成。各部分之間的關系如圖4所示。

圖1 液壓泵站 圖2 控制系統 圖3 液壓缸

圖4 電液比例綜合教學設備組成

液壓泵站主要為系統提供壓力油，對油液進行過濾處理以及油溫調節，是驅動液壓缸的動力源。

教學設備中的液壓缸共有4個，其中1#液壓缸帶外置傳感器，可實現閉環控制。液壓泵站和液壓缸之間用油管連接。

控制系統主要通過操控臺或上位機(PC)上的人機界面控制下位機(PLC)來實現對整個液壓系統的控制。控制內容包括開關量和模擬量兩部分。

2 液壓系統設計

綜合教學設備液壓系統工作原理圖如圖5所示[6-7]，液壓系統具有如下特點：

圖5 液壓系統原理圖1.液位液溫計 2.油箱 3.空氣濾清器 4.液位控制器 5.吸油濾油器 6.風冷卻器 7.柱塞泵 8.電動機 9.高壓過濾器 10.疊加式溢流閥 11.電磁換向閥 12，20.耐震壓力表 13.比例溢流閥 14.疊加式減壓閥 15.比例節流閥 16.電磁換向閥 17.疊加式液控單向閥 18.疊加式單向節流閥 19.位移傳感器 21,22.電磁換向閥 23.手動換向閥 24,25,26,27.液壓缸 28.回油濾油器

(1) 液壓系統中的4個液壓缸，分別用于不同的工作狀況。

液壓缸24(1#液壓缸)帶外置位移傳感器，回路中的比例節流閥15與位移傳感器19構成閉環控制回路，可實現液壓缸穩定、快速、準確運行。電磁換向閥采用“Y”型中位機能，中位時實現液壓缸的可靠鎖緊[8]。

液壓缸25所在回路中使用了減壓閥，工作壓力低于系統工作壓力，可以獲得所需的低壓穩定壓力，實現液壓缸的低壓自動控制。

液壓缸26所在回路使用了鋼球定位式、帶過渡機能的電磁換向閥，可實現液壓缸的自動控制。

液壓缸27所在回路中采用了手動換向閥，實現液壓缸的手動控制。

(2) 液壓系統的調壓回路中使用了比例溢流閥[9]，系統工作時，系統壓力通過比例溢流閥實現無級調節。

(3) 液壓系統中國采用電磁溢流閥(10、11)，系統不工作時可使液壓泵處于低壓卸荷狀態，節約能源。

(4) 系統中的液壓控制閥均采用疊加閥，閥之間采用工業中常采用的疊加式連接方法，以閥體本身作為連接體，用疊加方式疊裝在液壓集成塊上。該連接方式結構緊湊，也方便元件修理和更換。

3 控制系統設計

綜合教學設備的控制系統包含上位機(PC)、下位機(PLC)、操控臺等[10-12]。上位機主要用于HMI控制與顯示以及程序編制；下位機和操控臺用于控制液壓系統。如圖6所示，為電液比例綜合教學設備控制系統的總體結構。

圖6 控制系統總體結構

3.1 硬件設計

教學設備選用S7-200西門子PLC作為控制器(內部集成了RS232通訊接口)，信號模塊選用EM231、EM232模擬量輸入輸出模塊[13]。

操控臺上布置了按鈕、比例閥控制面板、指示燈等，PLC與這些輸入、輸出設備連接，負責對輸入、輸出狀態以及液壓系統的工作狀態進行控制和監控。在操控臺上可實現液壓系統的加壓、泄壓、對比例壓力閥壓力的無極調節和對比例流量閥流量的無極調節。當液壓系統工作異常(濾油器堵塞、油箱液位過低等)時，操控臺上以紅色指示燈的報警形式顯示。

3.2 人機界面設計

設備在上位機(PC)上設計了人機界面，人機界面包括歡迎界面和系統控制界面兩部分。系統控制界面如圖7所示，在人機界面上也可以實現液壓系統加壓和泄壓、液壓缸的運動控制以及比例閥的參數設置，當設備工作過程中出現故障時，可實時顯示報警提示[14-15]。

圖7 控制系統人機界面

3.3 操作過程

設備的控制過程為：

(1) 啟動液壓泵站驅動電動機，完成液壓泵站的啟動。

(2) 對液壓系統加壓，系統進入正常工作狀態。

(3) 完成對各液壓缸的自動和手動控制。控制可以在液壓系統運動操控臺上操作，也可以在人機界面操縱和控制。

(4) 液壓泵站的故障報警，包括油溫高、液位低、回油堵塞、高壓堵塞等，當出現故障報警時，嚴禁啟動電動機，首先應排除故障。

(5) 完成操作后先進行泄壓，等幾秒后停止電動機。

4 教學實訓應用效果

“電液比例綜合教學設備”具有先進性、綜合性、貼近企業現場的特點，使用該設備可使學生在液壓傳動、PLC控制、電氣控制等各方面的知識得到綜合應用，有助于培養學生的實踐能力、分析能力以及利用機電液一體化技術進行創新的能力。使用該設備已在2018級、2019級機電一體化技術專業學生中開展一體化教學，并完成了兩次“山東省液壓與氣動系統安裝與調試項目師資培訓”工作，取得了良好的效果。在學習此設備的基礎上，學生開發的“一種基于PLC的液壓自平衡系統”在第十三屆高等職業院校“發明杯”大學生創新創業大賽中獲一等獎。

5 結 語

在電液比例綜合教學設備上可開展液壓控制閥的疊加式連接、液壓油管類型及連接方法、過濾器的類型及安裝、油箱的結構及容量、電液比例控制、液壓回路調試、液壓泵站調試、液壓系統故障診斷與排除、機電一體化綜合實訓等十余種不同的教學內容，能讓學生接觸企業真實使用的元件和連接方法，培養學生的綜合實踐能力。

“電液比例綜合教學設備”的開發不僅適應了液壓傳動技術發展的要求，也符合高職院校《液壓與氣壓傳動》課程對液壓教學設備的各項綜合性要求。開發的教學設備采用企業現場實際的液壓元件連接方式，把電液比例控制、PLC控制、人機界面等進行結合，實現了液壓缸的穩定、快速智能控制，符合新時代創新理念的要求，為開展教學和進行應用研究提供了便利。