基于PLC的液压实验台控制系统开发与研制

谭月涵

摘 要：针对液压实验台普遍存在自动化控制程度不高的现实情况，文章设计了基于PLC实现的液压实验台控制系统，介绍了液压实验台的功能需求，给出了液压实验台的结构设计方案，在此基础上重点分析了液压实验台控制系统的设计，从上位机与下位机、硬件与软件两个角度探讨了控制系统的设计与实现，对于进一步提高液压实验台控制系统的设计与应用具有较好的借鉴意义。

关键词：PLC；液压实验台；控制系统

中图分类号：TP277 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2013）18-0026-02

液压传动是一种传统的动力传动方式，相较于电力传动和气压传动而言，液压传动的最大优点就在于液压系统能够提供稳定的大功率负载能力，而这是气压和电力传动系统所无法比拟的优势。随着机电一体化技术的发展，现在单独的液压系统已经越来越少，而是将液压控制系统与电力、机电控制技术相结合，逐渐成为机电液一体化系统。因此目前全国各个高校的机电专业都普遍开设了液压传动、液压控制系统、电液伺服控制技术等专业课程，而这些专业课程需要配套的实验台或者实验控制系统进行实验；另一方面，目前我国的液压实验台控制技术仍然远远落后于国外发达国家，由此导致了我国对于液压控制系统的研发，核心技术仍然受制于国外发达国家，对于电液伺服控制技术、高精密液压伺服技术等高新技术领域仍然缺乏合适的实验研究装备。因此，集成液压技术、电力控制技术、自动化控制技术及计算机技术等，开发设计有针对性的液压综合实验台是十分有必要的。

文章在传统的液压缸实验、液压回路实验的基础上，将自动化控制技术、计算机远程技术等结合起来，充分利用液压和电力控制相结合的优势，开发面向机电液一体化的综合实验台装备，为我国液压实验台装备的研发与设计提供可供借鉴的理论和实践指导意义。

1 液压实验台的功能需求分析

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，要能够自动实验对液压元件、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。

3 基于PLC的液压实验台控制系统的设计

3.1 实验台的结构设计

本研究课题所提出的基于PLC实现的液压实验台控制系统，主要由以下几个部分构成。

3.1.1 液压类传感器与液压元件

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。

3.1.2 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模块化设计的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。

3.1.3 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体验，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。

3.2 控制系统设计

3.2.1 选用PLC控制的优点

PLC又称可编程逻辑控制器，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小。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。

3.2.2 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，实现液压试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。

3.2.3 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。

①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。

②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要为PLC控制部分设计24 V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。

3.2.4 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。

①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。

②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。

4 结 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。

本论文主要是将PLC自动化控制技术应用于液压实验台的设计研发中，结合了计算机集成技术设计了具有良好人际交互性的液压实验台，能够满足对各类液压元件及设备的质量检测、参数检验等功能需求，是具有一定的实用价值，因此值得推广和应用。本论文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探讨，对于进一步提高我国液压实验台的生产设计水平具有较好的指导借鉴意义。

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