液压试验台PLC控制系统设计完整

1、第一章 绪论概述液压传动技术是机电一体化技术的重要组成部分，而且液压传 动相对于机械传动来说是一门新技术，随着流体力学、自动控制、 计算机等技术的不断发展，液压传动技术已经发展成为包括传动、 控制、检测技术、机电一体化的一门完整的自动化技术，并且在工 业生产、设备控制等方面都得到了广泛应用。液压实验台是生产和 开发液压元件和液压系统的重要实验设备。传统的液压实验台内容 固定、控制方式单一。随着液压技术和现代控制技术的发展，传统液压实验台的缺陷 愈来愈明显，已不能很好地适应生产和研究的需要。为了可以更好 的适应教学的发展，增强学生解决实际问题的能力，以及满足现代 科研的需求，在传统液压试验台的基

2、础上， 加入 PLC 先进控制技术， 构建了由PLC作为下位机控制现场设备，由PC作为上位机在线监 控的控制系统，可以实现机、电、液、计算机的完美结合，实现实 验处理的自动化， 实时监控等。 采用了由 PLC 控制技术来控制液压 试验台的自动控制响应快、智能化，学生不仅可以根据需求搭建各 种液压回路或液压系统， 还可以独立的进行液压设计、 安装、调试、 编写 PLC 程序、等，有利于提高学生在机电液计算机综合控制等方 面的综合能力。1.2液压传动的发展及其研究对象液压传动技术的发展， 可追溯到 17世纪帕斯卡提出了著名的帕 斯卡定律，开始奠定了流体静压传动的理论基础。 从 18世纪末英国 制成

3、了世界上第一台水压机算起，已经有近300 年的历史，但真正的发展只是在第二次世界大战后，液压技术由军用工业迅速转向民 用工业，而我国的液压工业只经过 40余年的发展， 就已经形成门类 齐全、有一定的技术水平并初具规模的生产科研体系，其生产的液 压产品广泛应用于工业、农业和国防等各个部门。近 20 年来，我国液压工业通过引进先进技术， 科研攻关， 产品 应用技术飞快发展，设计生产了许多新型的液压元件。此外通过计 算机辅助技术（ Computer Aided Design ，简称 CAD ）、计算机辅助 测试（Computer Aided Translation，简称 CAT）、污染控制、故障 诊

4、断、机电一体化等方面研究成果的应用，液压技术水平得到很大 的提高。 当前液压技术正向着高效率、 高精度、 高性能等方向发展； 液压元件向着体积小、重量轻、微型化和集成化、易维护的方向发 展。因此急需加速人才培养和技术创新，使我国液压工业尽早达到 世界先进水平。液压传动技术的发展旨在研究液压系统各类元件结构、作用、 工作原理、应用方法，以及组成液压系统的特点。人们经过理论与 实践的有机结合，能够很快的掌控液压传动设备的安装、调试、维 护及操作。1.3液压试验台的国内外研究现状 随着液压技术、控制理论、微型计算机、测量测试技术、教学 信息处理、 可靠性技术的发展， 新的液压试验台已朝着高速、 高效

5、、 智能化、多功能化、多样化的液压计算机辅助测试（ CAT）方向发 展，早期按照“传感器 +模拟二次仪表”的模式组成液压设备试验 系统已停产或停止使用， 基于虚拟仪器技术的液压 CAT 系统广泛应 用于新的液压试验台制造及应用。 采用的计算方法有平均值滤波法、 中值滤波法、 自适应滤波法、 新型 PID 算法等。采用有 VB6 等应用 软件开发液压 CAT 实验软件。由于原有设备的陈旧或故障面积太 大，仅发现用 MCS-51 单片机技术对旧式液压实验台重新开发与利 用，因此，很少发现采用液压计算机辅助测试（ CAT）对旧式液压 试验台重新开发与利用，对旧式液压试验台重新开发与利用有一定 的推广

6、应用价值。1.4课题来源与研究意义本课题是在QCS-014液压实验台基础上完成电气控制系统的研 究，使其成为由PLC控制，并能将液压系统工作过程中的压力、流 量变化数据和各电器状态信号经单片机组成的数据采集系统（下位机）转换后传送给上位PC札PC机通过编好的相应的操作界面对各 个实验过程进行实时仿真与数据处理，形成控制手段先进、实验条 件优良、基于虚拟仪器的完成数据采集处理的新型实验设备。该系 统在满足系统功能的条件下，价格低廉、操作方便，满足开设设计 性、创新性实验的需要，有利于学生实践能力和创新能力的培养，并为科研工作创造良好的实验条件。1.5 主要研究工作本课题主要研究的内容是进行液压试

7、验台的 PLC 电气控制系 统设计，流量信号、电器状态反馈信号等试验数据的采集系统。主 要内容如下：（ 1）PLC 电气控制系统的设计。（2）液压试验台 PLC 控制系统实验。第二章 液压回路试验台 PLC 电气控制系统设计概述 液压试验台是液压元件试验台适用于各类通用液压元件的性能 测试，可满足不同用户的测试要求。液压试验台分五个品种：即液压阀试验台、液压泵试验台、液 压马达试验台、液压缸试验台和综合试验台。液压试验台由动力驱动系统、液压控制系统、过滤温控循环系 统、漏油回收系统、 电气控制系统、 计算机控制与测试系统等组成。液压试验台适用于冶金、石油、机械、航天、船舶等领域的主 机所配套的

8、液压元件的性能测试。液压试验台的选择QCS-014型液压实验台采用液压元件装拆式， 可以实现12种基 本液压教学实验回路，是高等院校进行“液压传动”课程实践教学 的主要设备。它采用一只YB,-4定量泵和一只YBX-16变量泵作为系 统泵源，在工作台框架内可以布置 20个元件阀板， 管路连接采用快 速接头和胶管总成，装拆方便。本章通过采用 PLC 控制方式对液压实验台中各电器元件的控 制，完成液压实验台的液压回路工作过程的控制，并且通过设置必 要的保护环节保证电气系统的正常工作，达到系统工作的控制要求液压试验台电气控制系统系统性能指标和系统组成：系统采用AC380V供电，电磁阀的电磁铁采用 DC

9、24V供电；能够实现对液压系统中定量泵电动机 Ml、变量泵电动机M2 分别进行起动、停止控制 ;能够实现液压电磁阀进行回路实验所需的阀位机能控制;能够实现对液压缸伸缩运动位置的行程信号采集 ;电气系统工作安全可靠。该系统主要由以下几部分组成 :电源部分:系统采用AC380V供电，该电源可直接为定量泵电 动机M1、变量泵电动机M2供电，但由于系统中的电动机控制接触 器KM1, KM2采用AC110V,液压电磁阀电磁铁 YA1-YA8及电磁阀 控制继电器 KA11-KA18 采用 DC24V 供电，因此设置一变压器将 AC220V变压提供AC110V,经变压及整流提供两个 DC24V电源， 分别为

10、液压电磁阀电磁铁和电磁阀控制继电器供电。定量泵电动机M1控制电路:使用按钮SB1, SB3通过对接触器 KM1 的通断电控制实现对定量泵电动机的起动、 停止控制， 并在其 起动按钮 SB1 两端并联 KM1 常开触点提供自锁，保证泵电机起动 后能够长期运行。变量泵电动机M2控制电路使用按钮SB2, SB4S过对接触器 KM2 的通断电控制实现对变量泵电动机的起动、 停止控制， 并在其 起动按钮SB2两端并联KM2常开触点提供自锁，保证泵电机起动 后能够长期运行。DC24 V电源控制电路：为了使在液压系统没有调试完成时液 压电磁阀的阀位机能保持常态，保证液压实验的正确进行，应使DC24V 电源只

11、有在系统调试完成并起动泵电机后才能为电磁阀的 控制供电，因此利用泵电机的控制接触器 KM1, KM2 的常开触点控 制接触器 KM3 的通断电作为 DC24V 电源的控制开关。（5）保护环节:在定量泵电机M1、变量泵电机M2的主电路中分 别设置热继电器KR1, KR2，将其常闭触点串联在控制电路主干电路 中实现过载保护；分别在定量泵电机 M1、变量泵电机M2主电路、 控制电路、AC110V电源电路、两个DC24V电源电路中设置熔断器 FUl-FU6 进行短路保护 ；并在控制电路主干电路中设置紧急式按钮， 作为系统工作异常时的急停按钮。PLC控制系统简介（ 1）输入信号定量泵和变量泵能够分别进行

12、起动和停止控制，SB1, SB2分别为变量泵、定量泵的起动按钮，SB3, SB4分别为定量泵、变量泵 的停止按钮。4个行程开关SQ1-SQ4, 1个压力继电器开关。增加PLC手动控制、顺序控制转换开关。在PLC手动控制状态下，可利用手动开关 QS1-QS5分别实 现对电磁阀的手动通断电控制。（ 2）输出信号定量泵、变量泵电机控制接触器KM1, KM2的驱动继电器KA1, KA2 。电磁阀 YA1-YA8 的驱动继电器 KAll-KA18。（3）PLC 简介QCS-014 型液压实验台采用欧姆龙 PLC 可编程控制器 CPM2AHCPM2AH 在一个小巧的单元内综合有各种性能， 包括同步脉冲 控

13、制，中断输入，脉冲输出，模拟量设定，和时钟功能等。 CPM2A CPU 单元又是一个独立单元，能处理广泛的机械控制应用，所以它 是在设备内用作内装控制单元的理想产品，完整的通信功能保证了 与个人计算机、其它 OMRON PC 和 OMRON 可编程终端的通信。 这些通信能力使用户能设计一个经济的分布生产系统。:,*： I I I I4 f rf -|ICPU航他20丸30也40点或60点I心J为使总fiW&提高釦20点IQ碾入护展I/O单元口也可以与模拟创解jiCompoB船 阳紬0O転魏.0Tniwifc w：.小一腿端口各難设帖其対号的OMRON PC軌解血这牛端口也砸于上位RS-232C

14、 端口 这牛端口制甘上I端 扳无协认1:1 PC链抓 或 1:1 NT OilSo图2-1 CPM2A系列外观项目业亂0 CPU鱼元30劇0 CPU单元40点UO CPU单元60点UOCPU单元AC电收1肌240匚訓60血DC电瀬2+VDCIftSfiffiBAC4X85- 264表AO cpu单元一般规格DC电需 ACM60 锻 macDC电源20 W max.沖击电浇AC4864 A max.DG电源3fiAmax卿电源 俶眦电昶）电鯉压21VDCtmM）叭只用于输入设能不釧理动铀 消將电源过躺翊虬牆卿电聪下舐无PC按胫停也鱗电阻（在500WK时）t在外SAC垢伸黜融鼾Z亂SJOOVACS

15、MHzIitW.糾胡徒代附樓地端子Z此謂电卮10mA65WConf(xms-IEC610044； 1W (电澹线 J10-57 Hz. 1075 mm5, 57-150 Hz, W：必8砒耳）為间系肌8分ItX累轟因子10=总时丽轴）(,YtUZrf方舗射击147 nVs2.儿脫身方向上轉个方向二饥环期哎运怔 0-55cC 辰 4T-75C10%-m (无O更麻陳州端TW寸M3电洞中翩冋AJiSt 10 ms 以上DC电為2 M媒电漁下飆蹲览锤的瞬比电测嘶邮延屁则:s生电测嘛）CPU転鏗AC电液型BSOgtlT700gttT800 g tnIJMgElTDC电逊55Qg以下60Cg以下TOOg

16、ftT900 gT扩刪0单元鶴20 点 IK）单元：300 g UT8側出单忌250gttT8牆人单元：200gtlF护贋転重量樓拥曇I/O单无（讽帥作 g以下 帥量阳帧（MAW： 250 g以下 駆酬髀无250 gTConpoBus用御心議接单元:200 g以下 De祇隔削0懑单无 200 g以下表2.2 CPM2A性能规格珈方式存睹样序方贰方式hm接轴出的甜耳扫摊（fuioRFon可宜斤立m.）pm礦瓯揩令1步珮描釧5字IS令基本指俘：2条号用折符：他劉S令.185变壘执疗时同舄本描的Q,&4*s（LD描令专用揣令t匸8 ”醐6/指令程停霹量4,096 7出大怕 容量仪CPU单XL加占30

17、氏4060占带扩展I/O单元最監90点t100熬彌存储粘it丙；2.048字(DMC000-DM2W7J * HiJr 456字(DWI 6144DM 6599)PC设骯 56Y (DM 5600-DM6655 *DM 2000-DM 2021含甘構谋记余中断处理外部中Wh 4【以外那中浙输入（计数辭方式）扣怏理啊底输入共用.旨陽计时器中断1 （频定中断方宣或单审罵方武高速计如1高理计数詛20kHz单相kHz .ftl （钱性计数方沖 计監器屮断1 （KH值比较豉垃置值范闹比较）屮MttA(il It器方式)4山输入为外部中斷输入计数器方式）和快速唱应输扎翼用M数器申断* 4 （为外部屮断需入

18、和快建申眦输入具用）脉冲轴出2点.无風理俶屈10Hz?-10kHz*无定向西t 1点.购阳加渤緬速10Hz-l0kH2.宦向控制.2点可变占空率输川*（K冲输出只朗刚晶体管输Hh它们不施用零电踽出）同歩辦控制诫T亦嚨111可4逋迪!迺说孙寂神输出组件幷将讣数易It朋入氐冲竹賢乘肖宦因数 产生（这伟岀只能用品休管箱岀，它不能用樂电曙输出）快速响应输人4点（晟小君入脉冲宽度：JS大50 -喪担控制2牛控制+设定他围 0-2002.6 PLC接线根据对PLC的输入、输出信号分析设计 PLC接线图，如图2.2所示。SBLOOOQQami5B200003SO?C0006QCDUQQIOOOOLQlQ対D

19、C血00104COMC24VQ0CO4OOD05QS2QS1SQ4P001C5B401000 vCHQ1XI * 一 01 DO 0 0 01003C1!Q 训 w wow CH 01007 o -01100 oCT01430 VIO! DDOOM -CDRtA Olltn erCHCOM OK24VKA1KA2KAHKA 12KA13KAMKAI5KAlfiKAHKA 19图2.2 PLC接线图根据对PLC的输入、输出信号分析设计PLC接线图，如图2. 2所示。工/0地址分配如表2-4所示表2-4 I/O地址分配表器件壮称地址号I说明输入(16 点)SB100000定竄泵起动按钮SB2000

20、01变議泵起动按钮SB300002定量泵停止按诳SB400003变量泵停止按锻SQ1SQ40000400007行程开关DP00008压力继电器QS1QS50000900101电磁阀于功控制幵关S100102PLC/矩阵控制转换开关S200104PLC顺序/手动转换开关输Hi(it)点)01000定量泵驱动继电議KA201001变量泵驱动继电器KAH KA180100201102电磁阀说明:(1)可编程序控制器供电电源采用原系统中变压器提供的交流110V、50Hz 电源。可编程序控制器的输入端子电源采用 PLC的自带直流24V电源 供电，输出端子利用外部直流 24V电源供电。第三章 液压试验台数

21、据采集硬件设计3.1引言本设计要求将液压系统实验过程中的流量数据传输到上位机， 由上位机数据处理软件实现电压信号一压力值、流量值的转换和记 录，并根据实验要求实现数据的处理、特性曲线的绘制和实验结果 的打印输出，同时可以通过上位机界面上的系统示意图进行实验过 程的动态仿真。数据采集系统负责完成液压系统中各种电器的工作 状态和实验过程中压力、流量变化数据的采集。3.2液压试验台数据采集系统总体设计方案流量传感器ADOilRS232溢流阖DAO41_计算机组态监控图3-1数据采集系统总体设计方案计算机数据采集系统如图所示，LWGY型涡轮流量传感器采集 信号，将模拟量信号通过 PLC模拟量输入模块A

22、D041,数据转换,传给PLC, PLC反馈信号通过模拟量输出模块DA041，数据转换,驱动溢流阀动作。上位机通过RS232总线与PLC通信，组态王实时 监控。3.3液压实验台所需元器件介绍3.3.1 LWGY型涡轮流量传感器LWGY系列涡轮流量传感器（以下简称传感器）基于力矩平衡原理，属于速度式流量仪表。传感器具有结构简单、轻巧、精度咼、复现性好、反应灵敏，安装维护使用方便等特点，广泛用于石油、 化工、冶金、供水、造纸等行业，是流量计量和节能的理想仪表。传感器与显示仪表配套使用，适用于测量封闭管道中与不锈钢1Cr18Ni9Ti、2Cr13及刚玉AI2O3、硬质合金不起腐蚀作用，且无纤 维、颗

23、粒等杂质的液体。若与具有特殊功能的显示仪表配套，还可 以进行定量控制、超量报警等。选用本产品的防爆型式（ExmllT6）,可在有爆炸危险的环境中使用。传感器适用于在工作温度下粘度小于 5X 106m2/s的介质，对 于粘度大于5X 1（06m2/s的液体，要对传感器进行实液标定后使用。插板式功率放大器10Q系列比例阀用功率放大器（本产品用于驱动装有10Q电磁铁的比例压力阀和比列流量阀）表3.1型号说明AMED112410系列代号形 匕匕 厶冃功式安装形式电源电压设计号AME直流输入插板式单路直流24V10表3.2性能参数项目AME -D-I1 -24 -10名称形式直流输入式最大输1A（10

24、Q电磁铁）出电流最大输DC+10V入电流输入阻10KQ抗最大增1A/5V、人益温漂0.2mA/ C电源电DC 24V压输入功24*1VA率环境温050C度外部设1K Q定用电阻重量0.15kg本控制器有两种控制信号输入方式：一是由控制器本身提供+9v电源（端于32A）3.3.3 CPM1A-AD041（1）规格CPM1A-AD041是模拟量输入单元.CPM2AH最多可以连接 3 个扩展单元，包括扩展I/O 单元，CPM1A-AD041以及 CPM1A-DA041（模拟量输出单元）.CPM1A-AD041包含4路模拟量输 入，在CPM2AH全部接模拟量输入单元的情况下，系统最多可提供 12路模拟

25、量输入.最多可以连接3个扩展单元，包括扩展I/O单元CrCPU单元扩展I/扩展单模拟量CPM2AHCPM1A-20EDCPM1A-20EDCPM,1A-AD0414路模拟量输入图3.2 CPM2AH规格项目CPM1A-AD041输入点数4点（分配4个通道）-10 10V05V输入信号范围0 10V020mA15V420mA分辨率1/6000（满量程）A/D转换数据16位二进制 （4-位十六进制）-10 to 10V （满量程）：F448 to 0BB8Hex其他输入范围（满量程）：0000 to 1770Hex输入阻抗电压输入：1MQ min电流输入：250 Q最大输入信号范围电压输入：士 15V电流输入：士 30mA精度电压输入电流输入25 C士 0.3%满量程士 0.4%满量程0 55C士 0.6%满量程士 0.8%满量程平均