电液比例综合教学设备设计开发*

赵秀华

(山东职业学院 城市轨道学院，山东 济南 250104)

0 引 言

《液压与气压传动》是高职院校机械、机电类专业的一门专业基础课程，液压气动实训室在该课程的教学过程中发挥着重要的作用。在实训室内可开展课程的教、学、做一体化教学、项目教学等。现阶段，液压传动技术的应用已朝着多样化、高精化、智能化的方向发展，电液比例阀是电液控制系统的核心部件，在工业过程控制中获得广泛的应用，代表流体控制技术的发展方向[1-2]。这就迫使我们在教学过程中，在让学生掌握基础知识的同时，还要让学生了解更多的新技术、新知识。同时，为了缩短学生就业后的岗位适应期，让学生能接触到企业现场实际使用的元件及连接方式[3-4]，做到理论与实际应用相结合是非常必要的。

目前，高职院校的液压实训室内的设备在功能上基本都是以液压回路设计和搭接训练为目的，设备中的元件与企业现场实际使用的元件有差别，液压元件间的连接采用快换式接头，与企业现场的连接方式也有所不同。学生在校内很难见到实际使用的液压元件和连接方式，造成所学、所用与实际使用脱节。

针对以上情况，笔者与企业工程师合作共同开发了“电液比例综合教学设备”。教学设备中的所有液压元件和连接方式都是企业中实际使用的，设备综合运用了计算机控制技术、传感器技术、电液比例控制技术、PLC控制技术、人机界面等[5]，将液压泵站、比例阀、位移传感器等应用其中，让学生在学习到液压基础知识的同时，了解液压系统的高精度控制、智能控制，也能将所学的多门课程的知识联系起来。

1 综合教学设备组成

综合教学设备主要由液压泵站(见图1)、控制系统(见图2)、液压缸(见图3)和液压油管四部分组成。各部分之间的关系如图4所示。

图1 液压泵站 图2 控制系统 图3 液压缸

图4 电液比例综合教学设备组成

液压泵站主要为系统提供压力油，对油液进行过滤处理以及油温调节，是驱动液压缸的动力源。

教学设备中的液压缸共有4个，其中1#液压缸带外置传感器，可实现闭环控制。液压泵站和液压缸之间用油管连接。

控制系统主要通过操控台或上位机(PC)上的人机界面控制下位机(PLC)来实现对整个液压系统的控制。控制内容包括开关量和模拟量两部分。

2 液压系统设计

综合教学设备液压系统工作原理图如图5所示[6-7]，液压系统具有如下特点：

图5 液压系统原理图1.液位液温计 2.油箱 3.空气滤清器 4.液位控制器 5.吸油滤油器 6.风冷却器 7.柱塞泵 8.电动机 9.高压过滤器 10.叠加式溢流阀 11.电磁换向阀 12，20.耐震压力表 13.比例溢流阀 14.叠加式减压阀 15.比例节流阀 16.电磁换向阀 17.叠加式液控单向阀 18.叠加式单向节流阀 19.位移传感器 21,22.电磁换向阀 23.手动换向阀 24,25,26,27.液压缸 28.回油滤油器

(1) 液压系统中的4个液压缸，分别用于不同的工作状况。

液压缸24(1#液压缸)带外置位移传感器，回路中的比例节流阀15与位移传感器19构成闭环控制回路，可实现液压缸稳定、快速、准确运行。电磁换向阀采用“Y”型中位机能，中位时实现液压缸的可靠锁紧[8]。

液压缸25所在回路中使用了减压阀，工作压力低于系统工作压力，可以获得所需的低压稳定压力，实现液压缸的低压自动控制。

液压缸26所在回路使用了钢球定位式、带过渡机能的电磁换向阀，可实现液压缸的自动控制。

液压缸27所在回路中采用了手动换向阀，实现液压缸的手动控制。

(2) 液压系统的调压回路中使用了比例溢流阀[9]，系统工作时，系统压力通过比例溢流阀实现无级调节。

(3) 液压系统中国采用电磁溢流阀(10、11)，系统不工作时可使液压泵处于低压卸荷状态，节约能源。

(4) 系统中的液压控制阀均采用叠加阀，阀之间采用工业中常采用的叠加式连接方法，以阀体本身作为连接体，用叠加方式叠装在液压集成块上。该连接方式结构紧凑，也方便元件修理和更换。

3 控制系统设计

综合教学设备的控制系统包含上位机(PC)、下位机(PLC)、操控台等[10-12]。上位机主要用于HMI控制与显示以及程序编制；下位机和操控台用于控制液压系统。如图6所示，为电液比例综合教学设备控制系统的总体结构。

图6 控制系统总体结构

3.1 硬件设计

教学设备选用S7-200西门子PLC作为控制器(内部集成了RS232通讯接口)，信号模块选用EM231、EM232模拟量输入输出模块[13]。

操控台上布置了按钮、比例阀控制面板、指示灯等，PLC与这些输入、输出设备连接，负责对输入、输出状态以及液压系统的工作状态进行控制和监控。在操控台上可实现液压系统的加压、泄压、对比例压力阀压力的无极调节和对比例流量阀流量的无极调节。当液压系统工作异常(滤油器堵塞、油箱液位过低等)时，操控台上以红色指示灯的报警形式显示。

3.2 人机界面设计

设备在上位机(PC)上设计了人机界面，人机界面包括欢迎界面和系统控制界面两部分。系统控制界面如图7所示，在人机界面上也可以实现液压系统加压和泄压、液压缸的运动控制以及比例阀的参数设置，当设备工作过程中出现故障时，可实时显示报警提示[14-15]。

图7 控制系统人机界面

3.3 操作过程

设备的控制过程为：

(1) 启动液压泵站驱动电动机，完成液压泵站的启动。

(2) 对液压系统加压，系统进入正常工作状态。

(3) 完成对各液压缸的自动和手动控制。控制可以在液压系统运动操控台上操作，也可以在人机界面操纵和控制。

(4) 液压泵站的故障报警，包括油温高、液位低、回油堵塞、高压堵塞等，当出现故障报警时，严禁启动电动机，首先应排除故障。

(5) 完成操作后先进行泄压，等几秒后停止电动机。

4 教学实训应用效果

“电液比例综合教学设备”具有先进性、综合性、贴近企业现场的特点，使用该设备可使学生在液压传动、PLC控制、电气控制等各方面的知识得到综合应用，有助于培养学生的实践能力、分析能力以及利用机电液一体化技术进行创新的能力。使用该设备已在2018级、2019级机电一体化技术专业学生中开展一体化教学，并完成了两次“山东省液压与气动系统安装与调试项目师资培训”工作，取得了良好的效果。在学习此设备的基础上，学生开发的“一种基于PLC的液压自平衡系统”在第十三届高等职业院校“发明杯”大学生创新创业大赛中获一等奖。

5 结 语

在电液比例综合教学设备上可开展液压控制阀的叠加式连接、液压油管类型及连接方法、过滤器的类型及安装、油箱的结构及容量、电液比例控制、液压回路调试、液压泵站调试、液压系统故障诊断与排除、机电一体化综合实训等十余种不同的教学内容，能让学生接触企业真实使用的元件和连接方法，培养学生的综合实践能力。

“电液比例综合教学设备”的开发不仅适应了液压传动技术发展的要求，也符合高职院校《液压与气压传动》课程对液压教学设备的各项综合性要求。开发的教学设备采用企业现场实际的液压元件连接方式，把电液比例控制、PLC控制、人机界面等进行结合，实现了液压缸的稳定、快速智能控制，符合新时代创新理念的要求，为开展教学和进行应用研究提供了便利。