液压系统中PLC电气控制可视化教学实验系统

邵雪

（云南工业技师学院，云南 曲靖 655000）

液压传动具有“大力大矩”和无极调速以及易于自动化和高效的功率体积比等特点，成为工程机械设备中不可或缺的传动方式之一。目前液压系统的电气控制系统可分为继电器控制系统和PLC控制系统，其中PLC控制系统具有控制速度快、触点多、调试和修改方便等优点，常用于控制功能要求较多、可靠性与稳定性要求高的场合。液压系统的电气控制所学习的内容，一般是控制信号在控制系统的硬件内部如何去传输和相互作用。这些内容无法直观地体验到，学生在学习中难免感觉抽象、不容易理解。所以开发液压系统PLC电气控制可视化教学实验系统，实现液压系统电气控制中的控制信号的直观可视化，有助于教师的授课和学生的理解。利用VISIO、FLASH动画、SolidWorks三维建模软件等可视化软件，可方便构筑液压传动系统，VISIO可进行液压传动系统的工程图纸出图，FLASH等动画软件可动态模拟液压传动系统中的工作介质回路，流体仿真分析软件能够计算分析液压回路中工作介质的流动状态，计算压力变化，最终可清晰直观地看出液压回路中有哪些不合理的机械结构等。

1 可视化教学实验平台

液压传动系统可视化教学实验平台有多种，如VISIO思维导图可视化、基于透明液压元件与三维造型软件的教学实验可视化、FLASH动画可视化、液压仿真软件可视化和基于液压实验室的开放式教学。对于出图液压传动系统的工程图，许多该行业人士都喜爱使用MS VISIO软件，VISIO出图的液压系统工程图简洁美观、符合工程实际对工程图的要求，所以VISIO在许多高校、研究院等相关液压传动系统研究领域的应用十分广泛。FLASH动画制作主要应用于教师的课件制作，FLASH动画本身不能真实反映液压传动系统中工作介质、控制阀的运动，也不能进行相应的流体状态和压力等计算，只是较为直观地展示工作介质在液压系统中的流动方向、经过了哪些液压元件等。许多三维建模软件都集成了流体分析的功能，如SolidWorks，比较专业的流体分析软件应属Fluent和ANSYS两大软件，Fluent流体分析软件为研究人员提供了许多流体分析解决方案，流体力学相关理论都集成在Fluent里。部分高校的研究人员使用Fluent软件做微流控的仿真分析，如T型通道微液滴的成型研究、微米级的化学反应实验室等。ANSYS是多功能的专业的多物理场仿真分析软件，其分析能力涵盖了机械结构仿真、有限元分析、磁场分析、电场分析、流场分析、不同物理量的耦合分析等。ANSYS流体分析模块与Fluent分析功能类似，使用ANSYS分析还是Fluent分析的结果，并没有太大的差别。Fluent采用完全非结构化网格，具有基于网格节点和网格单元的梯度算法，能够快速进行非定常系统的模拟，支持不连续网格、滑动网格和混动网格等，可进行非耦合隐式算法求解、耦合显示算法求解和耦合隐式算法求解。

（1）VISIO思维导图。MS Office Visio 是一款就复杂信息、系统、流程和部件与组件进行绘图的软件，其中内置有许多行业领域的基本图形模块和流程图模块，VISIO绘制的液压系统图简洁美观，在许多高校、研究院等相关液压传动系统研究领域得到较为普遍的应用。思维导图和纲要图是综合运用色彩、线条、符号和图像等组织和概括信息的结构图形。利用VISIO可便捷地将液压传动课程的知识点模块化，使学生能够整体地把握知识点间的关联，并进行知识点的梳理和总结，便于教师对不同的液压元件之间的异同点进行对比。

（2）三维造型软件。液压元件的种类很多，各元件的工作原理不尽相同。如果学生单单从书本上的结构图和原理图进行学习，难免觉得乏味枯燥。学生对能够看得见、摸得着的实物的兴趣更大，所以在授课时可适当地利用透明的液压元件模型，对液压系统的工作原理进行讲解，方便学生观察液压元件的内部结构和流道。SolidWorks、UG NX、Pro/E等三维造型软件绘制的3D图，可帮助教师对元液压元件的组成部分进行解构，将对液压元件知识点的讲解空间化、动态化，帮助学生加深对液压元件的理解和记忆。SolidWorks集成有流体分析的插件Flow Simulation。通过流体仿真也可让学生直观地观察到液压系统的工作介质在液压元件中是如何流动的。Pro/E也是许多企业使用的软件之一，目前已有Pro/E的升级版本，名称改为Creo，Pro/E的可操作度没有SolidWorks简单方便，建模命令常使人感觉抽象，不易理解。UG NX为机械产品从设计、分析、仿真到制造等一系列过程提供了一整套的解决方案，其建模功能十分强大，为用户提供了丰富的解决方法，其计算机辅助制造（CAM）模块被广泛应用于数控加工、数控编程等领域，极大方便了使用者和编程者的工作量，提高数控的加工效率和加工质量。

（3）液压仿真软件。液压仿真软件是对液压系统的工作介质流动情况、压力变化情况等进行计算和模拟仿真的软件。通过Flash动画演示，将工作介质的流动方向、液压控制阀阀芯的运动等液压元件的工作状态，生动地展示出来，加深学生对液压系统的理解。对于液压系统回路，也可通过动画形象生动地展示出来。在讲解复杂的液压回路时，可有效地演示各系统中各液压元件的工作顺序，便于分析液压回路的功能。利用液压仿真软件，可对液压系统进行定量分析，液压系统仿真软件有FluidSIM、AMESim等，其中FluidSIM是一个专门用于液压与气压传动的教学软件，软件内置有多种液压元件及其实物图，可通过设置液压元件的工作参数来改变执行元件的工作速度与压力。

2 PLC控制液压系统

PLC控制液压系统可视化教学实验系统其实是一个虚拟教学实验系统，一般由5部分构成：虚拟液压系统模块、虚拟PLC模块、虚拟操作台模块、通讯模块和实验管理模块。

（1）仿真图形画面的设计。通过Flash动画制作软件和三维设计软件，可建立虚拟的二维和三维液压系统动作模型。组态王软件可根据虚拟PLC输出的控制信号进行动作的编程和调用，根据液压系统的工作原理和电气控制的要求以及实际的电气控制系统的接线图，在组态王软件的画面开发系统可插入相应的图片、按钮、管道和连线等，从而可建立出虚拟操作台、虚拟液压系统和实验管理模块。

（2）PLC开发环境。以三菱PLC为例，三菱PLC的实现是依靠三菱PLC编程与仿真软件GX Developer和GX Simulator。GX Developer是提供三菱PLC程序的图形化编辑平台，在GX Developer中可完成三菱系列PLC的编程、监控、调试和维护等工作，支持梯形图编程、指令表编程、SFC编程、ST和FB编程。GX Simulator是调用编写好的PLC程序，实现程序的下载和虚拟PLC的模拟运行。三菱PLC的编程较其它计算机语言，如C语言、JAVA语言、VB语言等，具有独特的优势，其编程方式类似于图形化的组合编程，功能模块从库中选出，通过各功能之间的联系组合而成程序流程。PLC一般都集成有数据总线，如SPI、RS-232、IIC等，目的就是为了方便PLC与其它外设的直接连接，省去许多的附带驱动硬件。虚拟PLC模块与虚拟液压系统模块和虚拟操作台模块通过MX OPC Server进行信号的传输。在MX OPC Configurator 中，通过建立虚拟实验系统通讯数据库来连接虚拟PLC模块和对虚拟PLC模块的输入、输出变量进行定义。实现MX OPC Server与组态王软件的通讯，应在组态王软件的OPC服务器中选择由MX OPC Server提供的Mitsubishi．MXOPC．1OPC服务器并在组态王软件的数据词典中建立相应的变量，并与OPC服务器中虚拟PLC对应的变量进行连接，同时对变量的名称、类型、连接设备、采集频率和寄存器读写属性等进行设置。

3 结语

液压传动是工程机械设备中不可或缺的传动方式之一，液压系统的电气控制所学习的内容无法直观体验到，学生难免感觉抽象、不易理解。液压传动系统可视化教学实验平台有VISIO思维导图可视化、基于透明液压元件与三维造型软件的教学实验可视化、FLASH动画可视化、液压仿真软件可视化和基于液压实验室的开放式教学等。PLC控制液压系统可视化教学实验系统是一个虚拟教学实验系统，由虚拟液压系统模块、虚拟PLC模块、虚拟操作台模块、通讯模块和实验管理模块5部分构成，通过这5部分的相互通信、相互作用，实现PLC控制液压系统的可视化过程。

[1]王健．能力培养导向下的液压传动教学方法研究与探索[J]．教育现代化,2017，(42):331-332．

[2]霍辉,史玮．FluidSIM仿真软件在气液压传动教学中的应用[J]．时代农机,2017，(05):195，197．