基于PLC控制的模块化液压实验平台的研发*

吴金文，韩 雪，诸 剑

（南京工业大学浦江学院，江苏 南京 211112）

基于PLC控制的模块化液压实验平台的研发*

吴金文，韩 雪，诸 剑

（南京工业大学浦江学院，江苏 南京 211112）

随着工业控制技术的发展，液压与气动的应用也得以不断延伸，高校液压课程实践教学的要求也在日益提高，而传统的液压试验台多采用继电器等元件进行控制，存在可靠性，灵活性差等缺点。文章在传统控制方法的基础上，设计研发基于PLC控制的多功能液压教学实验平台，扩大液压实验台的功能范围，提高控制系统的柔性，有利于培养学生在机电液综合控制等方面的综合能力，方便学生学习和掌握用PLC控制各种液压回路的技术。

PLC；液压；电气

液压传动课程是由基础理论、液压元件、液压系统三部分组成，而液压系统的回路设计非常灵活和重要。所以，液压回路设计是液压传动课程教学的一个重要组成部分，液压实验装置也是培养学生技能水平和创新能力的载体。文章根据要求研发出能适应理工科及大中专院校机电自动化等专业开设的《液压与气压传动》、《PLC可编程序控制器原理及应用》等相关课程的教学实验，同时也可作为机、电、液控制多元化的综合实验台。学生通过课程设计及操作实验，可以更形象、更准确地深入了解和掌握液压元件的结构、液压基本回路的控制原理及设计方法等。也能通过各种实验，掌握PLC可编程序控制的功能，控制原理及编程技巧。

1 实验装置总结构简介

该实验装置由机械部分、电气控制部分、液压模块、PLC控制模块四个部分组成，结构示意如图1所示。实验工作平台由实验工作面板、实验桌、实验操作台等组成。安装面板为带“T”槽的铝合金板材结构，每个液压元件均配有油路过渡底板，可以很方便的在实验面板上安装用来搭接实验回路。系统的额定工作压力6.3MPa，由定量齿轮泵和直流电机驱动，为实际的液压系统提供一个试验平台，既达到了液压传动课程的教学实验目的，又兼顾了实用性。同时还可以做PLC液压控制液压回路实验。实验台为单侧布置，可供一组学生进行操作和实验。所有实验元件均为独立组件，应用橡胶软管由学生自行设计、组装实验回路。每个工位都有液压油的供给/回油接口、压力测试接口和实验回路的电气控制输入/输出接口等，具有多种功能并可扩展。

图1 多功能液压实验装置结构简图

实验面板上侧是四组继电器控制区域、两组时间继电器控制区域、系统手动启闭控制按钮以及液压站调速控制与转速显示区域，电气系统采用了安全24伏控制电压，实验面板右侧是PLC控制区域，采用的是西门子S7-200CPU224AC/DC/RLY型号。此PLC拥有14输入和10输出，可与计算机进行通讯实现计算机智能控制功能，同时以液压回路为控制对象，增加对PLC控制可编程序控制器的学习与工程应用，同时实验的控制部分也可以采用独立的继电器控制单元进行电气回路控制，通过两者的比较，体会PLC可编程序控制的智能性和先进性，加深对PLC编程的学习和掌握。

实验台可完成的实验项目：①常用液压元件的性能测试；②液压传动16种基本回路的演示实验；③学生自行设计、组装的扩展液压回路实验（可扩展60余种）；④可编程序控制器（PLC）控制实验，机电液多元控制形式。

2 实验装置电气控制模块

本液压实验台根据具体的液压回路实验要求，选择对应的液压元件组合成具体的液压回路，同时通过电气部分的控制来完成相关实验目的，具有多种控制形式，不仅能完成液压常规实验，还能完成部分与液压技术相关的机电一体化控制技术实验。电气控制部分分为继电器控制部分，时间继电器控制部分，还有液压泵电机控制部分及相关的转速显示表。这部分是通过手动控制继电器输入或者由时间继电器设置好时间，由继电器开关控制液压回路中的电磁阀得电，从而来控制液压回路中各执行元件的动作。具体继电器控制部分的电路如图2、图3所示。

图2 继电器输出控制电气原理接线图

图3 继电器控制主电路输入电气原理接线图

3 实验装置液压模块

液压装置按其总体配置分为分散配置型和集中配置型两种主要结构类型，而集中配置型即为通常所说的液压站。本设计的液压实验台采用集中配置型液压装置，它是将液压系统的执行器安放在实验台上，而将液压泵及其驱动电机、辅助元件等独立安装在实验台之外，即集中设置所谓液压站。此实验台结构是将液压站设置在实验台左下方侧，作为执行器的液压缸置于实验台铝制实验板上，液压站通过管路将液压油传递至液压缸中从而进行实验。整个液压模块分为以下几个部分：液压源部分、压力测试部分、执行器、带单向阀的快换接头、液压元件组件及橡胶软管、液压元器件。教学中常用的双杠顺序控制液压回路如图4所示。

图4 度缸顺序控制回路

4 实验装置PLC控制模块

本实验台实验电气控制部分的关键是西门子的可编程控制器，该控制器能利用其内部编写存储的程序对液压回路进行循环扫描控制。控制台上方有输入/输出指示灯、编程器输入信号接口及24V输出信号插孔。控制器下方设有编程器与主实验台进行信号传输的输入/输出接口等。输入/输出接口采用快捷航空插头连接，简化了PLC控制器与实验台的具体接线线路等。

本试验台所选的S7-200PLC的工作方式为循环扫描控制。PLC通电工作后，首先进行初始化和模块的检查，接着按照用户程序编写存储先后顺序，CPU开始连续执行用户程序、任务的循环序列，这个过程称为扫描。扫描的工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。根据电气系统的设计要求，绘制出PLC系统的外部接线图，PLC输入有14个，输出有10个，通过PLC的程序实现不同的动作，其接线如图5所示。

图5 PLC控制部分电路原理及应用图

多缸顺序控制回路，一般应用在机床及其他装置中，要求一个或者多个运动部件按照指定的顺序进行依次执行动作。如专用机床的工作台的复位、卡爪夹紧松开，十字滑台的移动等动作，这些动作需要有一定的顺序要求。因此，采用顺序回路，以实现顺序动作。在操作板上搭建好回路后，在PLC的编程软件STEP7中编写好程序（如图6所示），上传至PLC中后，就可以观察液压缸的动作，从而达到学习目的。

图6 多缸顺序控制回路梯形图

5 关键点和创新

将可编程控制器用在多功能液压实验台上，再加上传统的继电器控制模式，真正实现了机电液控制模式的多样化。液压元件和油路为透明材料制成，液压元件按结构尺寸制造，仿真效果好，直观性强，且元件承压可达5MPa以上，回路无泄漏干净整洁。利用计算机作为上位机控制，实现液压回路仿真功能，同时运用组态软件实现液压回路的仿真，提高安全性，能更直观的体现实验结果。

6 结束语

针对传统继电器控制的液压试验台只能手动控制的问题，本课题是将PLC自动化控制技术应用于液压实验台的设计研发中，不但保留了传统液压控制的功能，也增加了PLC自动控制的功能，这样学生能更直观的对传统控制方式和自动控制方式进行比较。本课题对液压实验台控制系统的设计，在理论和设计方面做了一些研究。该实验台的自行研制开发不仅是对青年教师队伍的培养和锻炼，同时，所研发的实验台实验效果强，直观性好，有助于锻炼和提高学生的综合能力和创新能力，能够进一步提高液压相关课程的教学效果。

[1]郁汉琪.电气控制与可编程控制器应用技术[M].南京:东南大学出版社,2010.

[2]刘延俊.液压与气压传动[M].北京:机械工业出版社,2013.

[3]张万忠.可编程控制器应用技术[M].北京:化学工业出版社,2008.

[4]黄志坚.液压系统控制与PLC应用[M].北京:中国电力出版社,2012.

V233.91

A

2096-2789（2016）11-0198-02

南京工业大学浦江学院校级课题（njpj2015-2-01）。

吴金文（1984-），男，江苏南京人，讲师，研究方向：机电一体化。