液压试验台PLC控制系统设计.doc

第一章 绪论1.1 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、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机，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2.1 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液压元件的性能测试。2.2 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2.3 液压试验台电气控制系统系统性能指标和系统组成：(1)系统采用AC380V供电，电磁阀的电磁铁采用DC24V供电;(2)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;(3)能够实现液压电磁阀进行回路实验所需的阀位机能控制;(4)能够实现对液压缸伸缩运动位置的行程信号采集;(5)电气系统工作安全可靠。该系统主要由以下几部分组成:(1)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，分别为液压电磁阀电磁铁和电磁阀控制继电器供电。(2)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。(3)变量泵电动机M2控制电路:使用按钮SB2, SB4通过对接触器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。(4) 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。2.4 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。图2-1 CPM2A系列外观表2.1 CPU单元一般规格表2.2 CPM2A性能规格2.6 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。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AD041,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、精度高、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Al2O3、硬质合金不起腐蚀作用，且无纤维、颗粒等杂质的液体。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(ExmIIT6),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510-6m2/s的介质，对于粘度大于510-6m2/s的液体，要对传感器进行实液标定后使用。3.3.2 插板式功率放大器10系列比例阀用功率放大器（本产品用于驱动装有10电磁铁的比例压力阀和比列流量阀） 表3.1 型号说明AMEDI12410系列代号功能形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 性能参数项目名称AME-D-I1-24-10形式直流输入式最大输出电流1A(10电磁铁)最大输入电流DC+10V输入阻抗10K最大增益1A/5V温漂0.2mA/电源电压DC 24V输入功率24*1VA环境温度050外部设定用电阻1K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路模拟量输入.CPU 单元扩展I/O单元模拟量O单元CPM2AH扩展I/O 单元CPM1A-20EDR1CPM1A-20EDTCPM1A-AD041 最多可以连接3个扩展单元，包括扩展I/O单元4路模拟量输入图3.2 CPM2AH规格项目CPM1AAD041输入点数4点 (分配4个通道) 输入信号范围-1010V 05V 010V 020mA15V 420mA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 0BB8 Hex其他输入范围（满量程）: 0000 to 1770 Hex输入阻抗电压输入： 1M min电流输入： 250最大输入信号范围电压输入： 15V电流输入： 30mA精度电压输入电流输入250.3% 满量程0.4%满量程0 550.6% 满量程0.8% 满量程平均值功能支持断线检测功能支持隔离方式输入端子与内部电路采用光耦隔离，输入端子之间无隔离。转换时间2 ms/点功率3.0W重量200g max尺寸86(W)50(H)90(D)mm模拟量输入信号范围模拟量输入单元将输入的模拟量转换为数字量。数字量的输出范围如下图所示。010 V010 V的电压输入对应于十六进制数0000 1770(00006000)。 完整的数据输出范围是FED4 189C(-