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，既達到了液壓傳動課程的教學(xué)實驗?zāi)康?，又兼顧了實用性。同時還可以做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性，加深對PLC編程的學(xué)習和掌握。

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?，具有多種控制形式，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行循環(huán)掃描控制?？刂婆_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?？刂破飨路皆O(shè)有編程器與主實驗臺進行信號傳輸?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，從而達到學(xué)習目的。

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。