液压试验台PLC控制系统设计

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 CPM2AH CPM2AH 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 图图 2 1 CPM2A 系列外观系列外观 表表 2 1 CPU 单元一般规格单元一般规格 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 图图 3 13 1 数据采集系统总体设计方案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 5 10 6m2 s 的介质 对 于粘度大于 5 10 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 表表 3 13 1 型号说明型号说明 AME D I1 24 10 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 24V 10 表表 3 2 性能参数性能参数 项目 AME D I1 24 10 名称 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 0 50 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 20EDT CPM1A 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 图图 3 2 CPM2AH 规格规格 项目CPM1A AD041 输入点数4 点 分配 4 个通道 输入信号范围 10 10V 0 5V 0 10V 0 20mA 1 5V 4 20mA 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 电压输入 1M min 输入阻抗 电流输入 250 电压输入 15V最大输入信号范 围电流输入 30mA 电压输入电流输入 25 0 3 满量 程 0 4 满量程精 度 0 55 0 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 0 10 V 0 10 V 的电压输入对应于十六进制数 0000 1770 0000 6000 完整的数据输出范围是 FED4 189C 300 6