基于PLC 的液压健身器阻力控制系统设计

曹文权 陈东明 赵广平 李国柱

0 引言

随着社会的快速发展，健身越来越成为人们日常生活中不可或缺的一部分。当前所使用的健身器材仍然停留在通过手动增加砝码提高健身强度的阶段，由于砝码质量固定，此种方式很难根据训练者的自身特点进行调节，影响健身效果。可调液压阻尼作为健身器材的负荷装置，没有回弹和撞击，安全可靠、使用简便，使得负荷的无极调整成为可能，但目前多采用手动调节。本文在液压阻尼系统的基础上，提出利用PLC 进行电控调节，可以使器材的负载力得到平稳快速的控制，从而提高健身的效果。

1 系统结构原理

健身器液压阻尼系统结构原理图如图1 所示。整个系统主要由油箱、液压油缸、电动调节阀组成，液压油缸固定不动，油缸两侧腔体用两根油管与油箱连接。用户通过推拉油缸上的活塞杆来进行健身，油管上安装有电动调节阀，通过电动调节阀实时动态调节阀门开度，改变液体流速，从而在活塞杆上产生所需阻尼力。通过测量油缸两侧腔体的压差来检测阻尼力的大小，油缸两侧的压力分别通过压力变送器A 和压力变送器B 来进行测量。

图1 液压阻尼系统结构原理图

当用户拉动液压油缸活塞杆向左运动时，电动调节阀开度减小，系统液阻增大，活塞杆上受到的反向阻力增大，该阻力的大小F 如下式：

其中，PA为液压油缸左侧腔压力，PB为液压油缸右侧腔压力，A 为油缸活塞有效面积。

当用户推动液压油缸活塞杆向右运动时，电动调节阀全开，减小系统液阻，此时用户可以轻松将活塞杆推至右侧，为下一次拉伸做好准备。

2 控制系统设计

系统以西门子公司的LOGO! 8.2 系列PLC 为控制器，主机模块采用LOGO!24RCE，模拟量输入模块采用LOGO! AM2，模拟量输出模块采用LOGO! AM2 AQ。LOGO!8.2 系列PLC 是西门子推出的一款小型智能逻辑控制器，具有小巧灵活、编程便捷、功能丰富及性能可靠等优点。此外，LOGO! 8.2 主机模块集成了Web Server 功能，可以轻松实现通过手机、电脑等移动设备远程监控LOGO! 运行数据。

图2 控制系统结构组成

图2 给出了控制系统的结构组成。24 V 开关电源为系统各模块提供所需电源。两个压力变送器型号为SIN-P300，将压力转换为4～20 mA 电流信号送入模拟量输入模块。电动调节阀接收来自模拟量输出模块的4～20 mA 电流信号，以此来调整自身开度。触摸屏选用昆仑通态TPC7062KX，通过网线与主机模块LOGO!24RCE 连接，以PLC 作为服务器端，触摸屏作为客户端，将IP 地址配置在同一子网下。

3 系统的软件设计

系统通过两个压力变送器采集液压油缸两侧的压力值PA和PB，当PA＜PB时，说明此时用户在将活塞杆推回，此时将电动调节阀全开；当PA≥PB时，认为此时用户正在做活塞杆向外拉伸的动作，此时需要增加健身器负荷，通过调节电动调节阀加入阻力控制。液压健身器阻力控制采用PI 控制规律，控制系统的LOGO! 功能框图如图3 所示。

图3 控制系统LOGO!功能框图

图中B005 为PI 控制器，AI1 和AI2 分别是两个压力变送器的测量值，模拟量比较器B002 将两个压力变送器检测到的压力值做差，结果作为PI 控制器的反馈值送入B005。AI3 为用户设定的阻尼压力值，通过触摸屏进行设定后通过网络通信传入PLC 中。PI 控制器将用户设定的压力值与反馈值进行比较并实施PI 控制，产生的控制量送入AQ2，控制电动调节阀执行相应动作。AQ1 将系统获得的压力值传到触摸屏上进行显示。对PI 控制器参数进行反复调试后，控制系统能够根据设定值动态调整阀门开度，使健身负荷能够满足用户的需求。

4 结论

本文根据健身器的液压阻尼系统的工作原理和控制要求，设计了基于LOGO! 8.2 系列PLC 的健身器液压阻力控制系统，通过控制电动调节阀的开度，对液压油缸两端的液体压力进行调节，利用触摸屏实现了阻力设定和实际测量值的显示。液压阻尼健身器结构紧凑、柔性非回弹性，通过增加控制系统使得其负载能够根据用户的需要进行连续和实时的变化，使之具有更好的市场前景和商业价值。