基于PLC控制的液压实验台电气设计
开篇：润墨网以专业的文秘视角，为您筛选了一篇基于PLC控制的液压实验台电气设计范文，如需获取更多写作素材，在线客服老师一对一协助。欢迎您的阅读与分享！
摘要：机电一体化的重要内容包括液压传动技术，而液压实验台则是为了研究、生产和开发液压元件以及液压系统的重要实验设备。以往从事液压实验的液压实验台设备组成固定不变，且控制方式简单唯一，自动化程度低，不具备可扩展性。随着科学技术的发展，也随着液压传动技术研究和生产的不断深入，对液压实验台的设备要求越来越高。因此，急需开发自动化程度高、控制稳定可靠，并且可扩展，具有机电液一体化功能的电气控制系统。本文将主要针对PLC控制系统概述、PLC控制系统设计的基本要求、PLC控制系统的选择、液压实验台的功能需求、基于plc的液压实验台控制系统的设计以及系统总体设计进行简要分析。
关键词：PLC；液压实验台；电气控制系统
中图分类号：F407文献标识码： A
一、PLC控制系统概述
PLC全称是Programmable Logic Controller,即可编程逻辑控制器,最初主要用于代替继电器实现逻辑控制。PLC是一种数字运算操作的电子系统,专为在工业环境下应用而设计。它采用了可编程序的存储器,用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令。并通过数字式和模拟式的输入和输出,控制各种类型的机械或生产过程。随着技术的发展,功能不断扩展和完善,逐步在工控领域中占主导地位。传统的继电器控制系统中使用了大量的中间继电器、时间继电器，由于触点接触不良,容易出现故障。PLC用软件代替大量的中间继电器和时间继电器,仅剩下与输入和输出有关的少量硬件,接线可减少继电器控制系统的1/10-1/100,因此由于触点接触不良造成的故障大为减少。PLC及其有关外部设备,易与工业系统连成一个整体,扩充其功能也比较容易。
PLC是以微处理器为基础,综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术,具有通用性好、实用性强、硬件配套齐全、编程方法简单易学、维修方便等优点,被广泛应用于工业领域中。由PLC为主要组成的工业系统代表着当前机电设备电器控制的先进水平,它发展迅速,前景广阔。
二、PLC控制系统设计的基本要求
PLC控制系统中软件与硬件可独立进行设计,它与继电器控制系统有本质区别。为了使被控制对象实现工艺要求并提高产品质量,PLC设计时应依据以下要求:设计前,应深入现场进行调查研究,搜集各种资料,与实际设计和操作人员密切配合,共同商讨实际运行中可能出现的问题,初步制定方案；要保证系统的安全性、可靠性,并力求系统结构简单、经济实用、使用方便。同时,还应使控制系统能够方便地进行功能扩展、升级；人机界面的设计应使用户方便、操作容易；系统的设计、安装、调试工作量少。在完成了系统的安装和接线后,可以通过现场的统调过程发现问题,一般通过修改程序就可以得到解决,系统的调试时间应比继电器系统少得多。
三、PLC控制系统的选择
随着PLC系统的快速发展,其种类越来越多,应在满足所需条件下,保证安全可靠合理的结构。
1、操作方便以及较高的性价比
应在满足所需功能要求的前提具体参照以下要求。在环境条件较好、工艺过程较固定的情况下,需要用整体式结构PLC；在环境条件较差、工艺过程变动性较大的情况下,需要用模块式结构。
2、首先要满足功能方面的要求
例如,对于以开关量控制为主、带少量模拟量控制的工程项目,可选用含有A/D转换的模拟量输入模块和含有D/A转换的模拟量输出模块；对于控制较复杂、控制功能要求较高的工程项目,主要应用高档机；对于控制对象分布在不同地域的项目,应根据具体要求具体分析。
3、PLC对环境的适应性
虽然大部分厂家在设计时,都把它设计成能在恶劣环境中安全可靠工作,但是它们环境技术条件仍然是不同的,所以用户在选用PLC系统时,应充分考虑工作环境条件。可编程序控制器产品已经标准化、系列化、模块化,用户可以灵活的进行系统配置,即可组成不同功能、不同规模的系统。在选择PLC系统时,应充分考虑上述因素,才能使选择的类型不但满足所需的功能要求,还能大大提高运行效率。除此之外,还可以根据具体的需要,考虑是否在线编程、是否使机型统一等方面。
作为面向液压类专业性、工业性实验的需求，该实验台应当能够满足以下几个方面的功能需求：
1、满足液压控制系统的各项测试功能
液压实验台的首要功能就是应当能够满足液压控制系统的各个测试功能，包括测试液压元件的性能参数，测试液压阀的性能曲线，液压控制系统的负载特性测量，液压泵的实验等等面向各类液压元件、液压类设备或者装备开展的各项测试、测量、实验，这是液压实验台的首要功能。
2、满足自动化测量与控制的功能
传统的液压实验台几乎都是手动控制，因此，必须要将手动控制改为全自动控制，要能够自动实现对液压元件、液压系统的相关液压参数的采集、测量、计算、分析、处理，以及对输出执行元件的自动化控制、加载、卸载及对机电液一体化装备的动力传输和传递，这些是机电液一体化设备自动化测量与控制必须要满足的功能。
3、要具备良好的人机交互功能
过去提到液压实验台，给人的第一印象就是油乎乎、脏兮兮，很多液压实验台由于缺乏良好的人机交互性，使得操作人员不愿意去操作实验台，为此，本研究课题所设计的液压实验台应当采用基于计算机技术实现的虚拟采集、测量与控制系统，为操作人员提供友好的人机交互系统和体验，这也是液压实验台控制系统的必然发展趋势之一。
五、基于PLC的液压实验台控制系统的设计
1、实验台的结构设计
1.1传感器与液压元件
为了完成液压类测试实验，必要的传感器与液压元件必不可少，比如压力传感器、温度传感器、液位传感器、液压比例阀、液压伺服阀、管道压力表、功率计、流量计等，这些基本设备共同构成了液压实验台的底层数据源。
1.2自动化采集与测量PLC
本液压实验台最大的核心就在于采用了的PLC模块，直接采用模拟量扩展模块和数字量扩展模块，实现对实验台底层数据源的采集与测量，将相关数据传输到液压实验台的控制中心。
1.3控制中心――工控机
工控机作为液压实验台的控制中心，一方面为整个液压实验台提供数据加工处理功能，另一方面为用户提供良好的人机交互界面，通过专门开发的组态程序，直接读取来自于PLC的数据，并将数据按照用户的需求进行处理和显示，极大的简化了液压实验台上位机的程序开发设计的工作量。
2、控制系统设计
2.1选用PLC控制的优点
PLC具有非常高的可靠性，其抗干扰能力远胜于单片机系统，因此采用PLC作为实验台控制系统的下位机，实验台的测试检验质量得到了可靠的保障；同时，PLC还具有操作简单，扩展容易，模块化设计等优势，即使是初学人员也能够快速上手，这就决定了该实验台后期的维护保养成本比较低。另外，采用PLC作为控制系统的一部分，通过扩展模拟量模块和数字量模块，能够方便的接入各种液压元件、传感器及液压类装置，这使得液压实验台具有一定的通用性，大大的提高了液压实验台的应用范围。
2.2控制系统结构
本液压实验台采用PLC+PC机的主从控制系统模式，即PLC作为下位机，主要负责对各类液压元件、传感器及液压装置的数据、参数的采集与测量；PC机作为上位机，利用PC机强大的图形、数据处理能力及良好的人机交互能力，实现液压实验的各项数据按照操作人员的需求进行数据处理及显示，并提供各项数据管理功能，极大的丰富了液压实验台的功能及操作互动能力。
2.3控制系统硬件设计
控制系统的硬件主要包括实验台控制系统硬件的选型设计及电气设计两个部分。
硬件选型设计。控制系统的硬件主要是对PLC的选型及PC机的选型。本研究课题中，PLC选用西门子的S7-200系列PLC，该PLC功能强大，性能稳定可靠，在市场上一直处于领先地位，对于用户而言开发难度也不高，容易实现各项控制功能的开发与维护；PC机选用研华工控机，极大的提高了上位机系统的稳定性和可靠性。
电气设计。电气系统主要是针对下位机PLC控制系统而言的，由于PLC属于弱电工程，因此需要为下位机配置专门的PLC控制机柜及电气设计。电气系统设计主要是为PLC控制部分设计24V直流开关电源、断路器、短路保险丝等，以确保下位机能够顺利可靠的实现对液压元件及传感器数据的采集，以及对液压实验台状态参数、性能参数的实时监测。
2.4控制系统软件设计
液压实验台控制系统的软件，主要包括下位机PLC程序和上位机组态程序两个部分。
下位机PLC程序。PLC程序采用梯形图设计，由于该程序主要是面向各类模拟量和数字量进行设计，主要的任务是实现对液压元件和传感器等数据源的采集，因此下位机PLC程序的开发难度较低，只需要处理好数据源的点位与寄存器的关系即可。
上位机组态程序。上位机组态程序采用与西门子PLC相配套的WinCC组态程序进行开发，利用组态程序的最大优势在于无需开发面向过程或者面向对象的复杂语言程序，仅需要按照液压实验台的实际操作流程组织好相关数据流，就能够为所有采集到的液压实验台数据提供统一的数据分析、计算及处理、显示等数据管理功能，并且能够利用组态程序实现对液压实验台工作状态的实时监控，实现故障诊断，极大的降低了后期维护保养的难度。
六、系统总体设计
PLC是一种执行数字运算操作的电子系统，主要应用于工业生产中，它以微处理器为核心，结合了计算机技术、自动化控制技术以及通信技术于一体，因为PLC具有体积小、抗干扰能力强、功能强大、程序简单、灵活通用和维护方便等特点，而使得PLC成为目前工业自动化过程控制中应用最为广泛的控制器之一。
以PLC为核心的自动化控制系统从根本上取代了传统的继电器控制系统。传统的继电器控制系统的实现原理是通过接线来实现整个控制逻辑的，而PLC控制系统的控制逻辑全部体现在程序中，通过程序语言来描述控制原理和控制过程，结合PLC的数字量或者模拟量输入，从而改变PLC的输出量。
1、系统总体设计
如图1所示，控制系统由上位机计算机和下位机PLC组成。由计算机对压力、位移等实验参数进行数据采集、处理、显示等。实验过程中，计算机还可以根据设定值以及传感器的反馈值，对执行机构进行控制，实现控制系统对实验台的监测、跟踪和控制。
图1控制系统总体框图
2、PLC控制系统组成
PLC控制系统组成如图2所示，压力传感器测得的压力数据首先经过AD转换，转换成数字量然后发送给PLC；液压油缸的位移也同样经过AD转换之后发送到PLC；同时PLC还能采集到接近开关的状态量。PLC能够输出控制量，由于PLC输出的控制量是数字量，所以需要先进行DA转换，然后去控制电磁换向阀。
图2PLC控制系统组成
3、液压实验台控制系统软件设计
采用组态软件WinCC作为上位机软件的开发平台，上位机软件主要用来实现人机对话。软件的结构如图3所示。上位机软件主要包括以下几个内容：按钮部分。上位机软件有一些按钮，用于对执行机构进行操作，包括水泵的启停等；总览部分。总览部分对整个实验台系统有个大致的介绍和描述，便于工作人员了解；界面部分。上位机软件的界面包括用户管理界面、监控界面、报警界面、趋势界面、归档界面以及报表打印界面等内容。用户管理界面帮助用户对输入输出端口进行设置管理以及对相关参数进行设置等；监控界面包括一些实验台的视频信号等；趋势界面用于显示传感器连续输出，便于工作人员了解参数的动态变化过程。
图3上位机软件组成框图
4、报警与故障显示
系统还设计了超限报警功能，当某个传感器的测量数据超出了限制的范围，系统则会通过PLC输出一个控制信号，控制报警器（本文为蜂鸣器报警），提醒工作人员有故障发生。系统还能够实时地监测实验台现场设备的运行状态和当前位移状况、压力大小以及油路的运行状态等。控制系统还具有简单的自诊断能力，确保整个系统安全可靠的运行。
结束语
液压实验台在实际工业生产中有着广泛的用途，普遍作为液压泵、液压缸以及其他液压类元件或者设备出厂质量检验的重要设备之一，液压实验台的质量、可靠性直接决定了液压元件及液压设备的质量和稳定性、可靠性。因此，对于液压实验台的设计，在很大程度上能够体现一个国家液压工业生产制造的真正水平。
参考文献
[1]路甬祥.电液比例控制技术[M].北京:机械工业出版社,2013.
[2]傅海轮,李建华.液压缸综合试验台测控系统的研制[J].机床与液压,2013,(2).
[3]马俊功,王世富,王占林.用电液比例阀改造液压油缸试验台[J].机械工程,2012,(2).
[4]李文新.液压缸综合性能检测技术的理论研究与系统开发[D].合肥:合肥工业大学,2013.