液压系统电气控制虚拟实验系统的开发

岳大灵+魏列江+刘增光+赵君+黄昭雪

摘 要 基于组态王和三菱PLC软件，开发一套液压系统电气控制可视化虚拟教学实验系统，利用该系统可实现液压系统的继电器控制或PLC控制实验。以机床工作台液压系统继电器控制为例，介绍整个虚拟实验系统的构成方案和详细实现过程。仿真运行和教学效果表明：该虚拟实验系统可实现从虚拟操作台操作、继电器触点动作和虚拟液压系统动作的实时全联动，能够直观、逼真地显示真实液压系统继电器控制中控制信号传递及相互作用全过程，解决学生学习液压系统微机控制专业课程中对隐藏于液压系统电气控制系统硬件内部的控制信号感觉抽象、难以理解的问题。

关键词 液压系统；电气控制；组态王；虚拟教学实验系统

中图分类号：TH137 文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2016）20-0043-04

1 引言

“液压系统微机控制”是兰州理工大学液压专业学生一门重要的专业课程，目的是培养学生掌握液压系统电气控制的软硬件构成和基本工作原理，使学生具备解决液压系统一般电气控制的工程应用能力。目前液压系统的电气控制可分为继电器控制和PLC控制。继电器控制主要用于小型液压系统的简单逻辑控制，PLC控制由于PLC内部为半导体集成电路而使其具有触点无限多、控制速度快、调试修改方便等优点，用于控制功能多、可靠性要求高的场合[1]??。

液压系统电气控制中不论是继电器控制还是PLC控制，学习的核心内容都是控制信号在控制系统硬件内部如何传输、相互影响和作用。这些内容即使用真实的液压系统电气控制实验设备实验时也无法直观看到和学到，学生在学习中对此也感觉抽象、不易理解。因此，本项目组设计开发液压系统电气控制虚拟实验系统，实现液压系统电气控制中控制信号的直观可视化。

2 虚拟实验系统的构成方案

本虚拟实验系统的构成方案如图1所示，主要由模拟PLC、数据接口和模拟液压系统三部分构成。

1）模拟PLC部分用来模拟一台真实的PLC，进行已编PLC程序的下载、运行和数据输入、运算结果的输出。PLC的模拟仿真是依靠计算机上安装的三菱PLC编程软件GX Developer、三菱PLC仿真软件GX Simulator来实现的。其中，GX Developer主要提供PLC程序的图形化编辑平台，在GX Developer中可完成三菱全系列PLC的编程、监控、调试和维护工作，支持梯形图、指令表、SFC、ST及FB编程。编写好的PLC控制程序通过调用GX Simulator实现已编控制程序的下载和虚拟PLC的模拟运行。

2）模拟液压系统部分是依靠在组态软件组态王中通过新建液压系统电气控制画面、编写命令语言、建立数据变量和OPC服务连接等实现操作者操作信号输入、模拟PLC运行结果的输入及其对应的虚拟液压系统动作响应过程的模拟。

3）数据接口部分是依靠在三菱MX OPC Server软件中建立模拟PLC对应的数据库并提供OPC服务，实现模拟PLC与模拟液压系统间控制信号数据的交换。

3 机床工作台液压系统继电器控制的实现

仿真图形画面设计 根据机床工作台的液压系统工作原理以及需要的电气控制要求和实际电气控制系统的接线图，在组态王软件的画面开发系统中插入相应的按钮、图片、管道、连线等，建立机床工作台液压系统继电器控制的仿真画面（如图2所示）。为了能实时显示各个继电器、接触器触点的动作过程，自建继电器、接触器触点的组合图素，通过调用组合图素的水平移动来模拟各触点的闭合与断开。

继电器逻辑控制 机床工作台液压系统继电器逻辑控制过程为：按下启动按钮SB2，接触器线圈KM1得电，与SB2并联的KM1常开触点闭合，KM1主触点闭合，电机带动液压泵转动；当SA1处于手动模式时，其对应的触点断开，按下左移按钮SB3，继电器KA1线圈得电，KA1的常开触点闭合，电磁换向阀线圈YA0通电，换向阀给液压缸右腔供油，液压缸带动工作台左移，当工作台左移碰触到行程开关SQ1后KA1线圈失电，YA0断电工作台停止左移；按下右移按钮SB4，继电器KA2线圈得电，电磁换向阀线圈YA1通电，换向阀给液压缸左腔供油，液压缸带动工作台右移，当工作台右移碰触到行程开关SQ2后KA2线圈失电，YA1断电工作台停止右移；当SA1切换到自动模式时，工作台自动执行上述左移、右移的动作；按下停止按钮SB1时，所有接触器、继电器和电磁铁失电，工作台停止运动。

考虑到用PLC梯形图进行逻辑控制时具有编程简单、运行状态直观、调试方便等优点，因此通过编写梯形图程序来实现继电器控制元件之间的逻辑运算关系。继电器控制元件与PLC地址间的对应关系见表1。在三菱编程软件GX Developer下实现继电器控制逻辑运算关系对应的梯形图程序如图3所示。

建立数据接口数据库 在MX OPC Configurator中建立虚拟实验系统通信数据库，并激活数据库来连接GX Simu-lator软件虚拟的PLC（名称为XuNiPLC），对XuNiPLC的输入、输出变量进行定义。在MX OPC Configurator中建立数据库及输入、输出变量的定义，如图4所示。

模拟动作过程的动画实现 首先在组态王软件的OPC服务器中选择由MX OPC Server提供的Mitsubishi.MXOPC.4服务器；其次在组态王软件数据词典中建立相应的变量并与0PC服务器中虚拟的PLC中对应的变量进行连接。建立的变量及OPC连接如图5所示。

1）触点动作动画的实现。以继电器KA1常开触点为例，当KA1线圈得电后（Y0高电平），常开触点KA1左移闭合。该触点动作条件及动作过程是通过对KA1常开触点的水平移动连接进行相应设置来实现的。KA1常开触点动画设置如图6所示。

2）活塞连续动作动画的实现。活塞的移动与触点的动作一样也是通过设置水平移动连接来实现的，但是由于活塞是做连续水平移动且运动到左右极限位置会触发行程开关SQ1、SQ2的动作，因而需要建立一个内存整形变量M0来表示活塞当前的位置，两个内存离散变量N0、N1来表示行程开关SQ1、SQ2的状态。活塞移动的表达式、移动距离及对应值的设置如图7所示。要实现活塞的连续移动及行程开关SQ1、SQ2状态的相应变化，需要在应用程序命令语言窗口下进行相应程序的编写，实现M0值连续变化和满足条件后N0、N1状态的变化。编写的程序命令语言如图8所示。

4 模拟仿真运行

打开GX Developer并调用梯形图逻辑测试启动命令下载所编梯形图并使模拟PLC开始运行，同时打开组态王运行机床工作台液压系统继电器控制画面即可进行虚拟仿真实验。图9和图10分别是机床工作台液压系统处于自动状态左移运动时的仿真画面和对应的梯形图运行状态监控图。

5 总结

利用虚拟现实技术、计算机信息技术开发的液压系统电气控制虚拟教学实验系统具有以下特点。

1）可实现液压系统继电器控制从操作者操作、控制元件间的逻辑运算到被控液压系统动作响应的整个控制过程的全程可视化，将隐藏在整个电气控制系统硬件内部的控制信号间相互作用和传递的全过程直观、形象、逼真、生动地显示出来，改变了教学方式和方法，取得了较好的教学效果。

2）本虚拟实验系统具有开放性和极好的扩展性，将举例的机床工作台液压系统继电器控制虚拟实验系统稍作修改，就可实现机床工作台液压系统PLC控制虚拟实验系统。以本虚拟实验系统为基础，后续可开发出其他被控系统（如水泵系统、风力机系统等）的电气控制虚拟实验项目，可满足学校其他专业学生控制类课程的实验教学需求。

参考文献

[1]魏列江.液压系统微机控制[M].北京：电子工业出版社，2014.

[2]叶力.基于GX与MCGS的全虚拟PLC控制系统研究[J].中国现代教育装备，2007（12）：39-41.

[3]高丽萍，郑萍.基于MCGS的PLC虚拟控制系统研究[J].西华大学学报：自然科学版，2006，25（1）：94-96.

[4]王海涛，郑萍.基于易控组态软件全虚拟PLC的实现及应用[J].微计算机信息，2010，26（25）：83-85.

[5]陈海生.全虚拟PLC远程试验系统的研究与实现[J].自动化仪表，2013，34（3）：28-30.

[6]任丰兰.基于组态王和PLC的虚拟仿真教学实验系统的开发[J].机电工程技术，2012（3）：43-47.