基于PLCQCS003B液压教学实验台控制系统的改造(实验报告仿宋)1解读

1、基于 PLC的 QCS003B液压教学实验台控制系统的改造1. 前 言1.1QCS-003B液压教学实验台的概况QCS-003B液压教学实验台是上世纪 80年代的产品，集液压泵性能、 溢流阀静态特性、 节流调速性能实验于一体，是我院液压技术课程和液压、气压传动及夹具设计课 程的主要实验设备之一。图 1 为实验台的外形图，图 2 是用新的电气符号绘制的对应的原 继电器接触器控制线路图。图 3是 QCS003B型液压实验台的液压系统原理图。设计制作完成的过程 收集资料； 了解 QCS003B 实验台的原继电器 -接触器控制系统及其实验项目，对该实验台的液 压系统原理图进行改进，明确被控对象并确定控

2、制思路； 对三菱 FX2N 型号的 PLC 的硬件结构及其编程软件 GX Developer 和仿真软件 GX Simulator 进行深入学习，掌握其主要编程方法； 采用三菱 PLC 对实验台的控制系统进行改造 （包括硬件选型， 绘制外部接线图， 编 程 PLC 控制程序等）； 对液压仿真软件 FluidSIM 进行深入学习，并使用液压仿真软件 FluidSIM 对改进后 的实验台的相应实验项目进行仿真。设计的主要内容本课题包括使用 PLC 对实验台原继电器 - 接触器控制系统的改造和使用仿真软件FluidSIM 对改造后的实验台的相应实验项目进行仿真两个方面的内容。 使用 PLC 对实验台

3、原继电器 - 接触器控制系统的改造参考原实验台的使用说明书，以及搜集和查阅该实验台的相关资料，对实验台的继电器-接触器控制系统及其实验项目进行深入的了解和研究；对该实验台的液压系统原理图进行改进，使得实验项目由原来的 3 个扩展为 7 个， 并明确改进后实验台控制系统的被控对象 （2 个液压泵的电动机、 7个电磁阀、 2 个液压缸、 3 个指示灯、速度缸 17 的位移和实验压力） ；对三菱 FX2N 型号的 PLC 的硬件结构及其编程软件 GX Developer 深入学习；根据 确定整套系统需要模拟量输入共 2 点，数字量输入点 19 点，数字量输出共 14 点 ，总 I/O 的点数为 35

4、 点。并使用三菱的编程软件 GX Developer 编制了 PLC 控制主程序。 使用仿真软件 FluidSIM 对改造后的实验台的相应实验项目进行仿真 对液压仿真软件 FluidSIM 进行深入学习； 使用液压仿真软件 FluidSIM 对改进后的实验台的相应实验项目进行仿真。U11V12W13V22U2KM1QF1FU1YA12SA2FU5FR1SA3M13YA15SA4 YA15YA16YA16303SBE SB1KM1KM1SA1KM2KM2FU4FR2FR1FR2YA3YA3液压泵1电机液压泵8电机图 2 QCS003B 型液压实验台原继电器接触器控制线路图图 3 QCS003B型

5、液压实验台的液统原理图1.4 结论和展望1.4.1 结论 该实验台是上世纪 80 年代的产品，使用国家标准规定的新电气符号改画了实验台 原继电器接触器控制线路的电气接线图； 在原实验台的基础上，增加了一个二位二通电磁阀 （元件 24）和一个二位三通电磁 阀（元件 25）及行程开关（ SQ1-SQ5），使得实验台的实验项目由原来的 3 个增加到 7个， 并画出了改进后的的液压系统原理图。 使用三菱的编程软件 GX Developer和仿真软件 GX Simulator 编制了控制程序，并 对控制程序进行了仿真调试。 使用液压仿真软件 FluidSIM 对改进后的实验台的相应实验项目进行仿真，这为

6、实 验项目的可行性提供了很重要的参考。1.4.2 展望该项目目前只是限于理论设计阶段，还没有将研究的成果应用实践中，研究成果的正 确性有待于实践的检验；对应液压调速回路可以考虑使用变频调速来实现，对于实验过程 中压力、流量等数据的采集可以使用组态软件开发监控界面来实现数据的实时采集、监控 和管理等。1.4.3 个人心得通过此项目的学习，使我们全面的了解 PLC 控制系统设计的全过程。更重要的是把我 们大学里所学的理论知识运用到实践当中，并与实际相结合。此项目在指导老师的帮助下 经过各组员共同讨论、学习、调研，过程中虽然遇到了种种困难但最终较好的完成了全部 任务。但是，本系统作为一个实践性的系统

7、依然在理论设计阶段，由于种种原因未能在实 际环境中进行验证，其实用性及高效性不能进行验证，让我们在完成任务之余有一丝遗憾， 希望在以后的学习工作过程中能有机会接触到实际现场并对此系统加以验证，让所学习的 只是与实践紧密的结合起来！2QCS-003B液压教学实验台的改造QCS-003B液压教学实验台原液压系统的改进QCS003B 型液压实验台仅能进行 3 个实验项目，并随着设备的老化和液压元件的损坏， 部分液压元件的性能落后已不能满足实验要求，更不能满足液压新技术发展的需求。为此， 为了适应液压技术发展的需求和实践教学环节的需要，现对 QCS-003 液压实验台采用 PLC 进行了改造（经过改进

8、后，实验的项目可以由原来的 3 个扩展到 7 个）。图 4 是改进后的 QCS003B 型液压实验台的液压系统原理图。 在新的液压系统原理图中， 增加了一个二位二 通电磁阀（元件 24）和一个二位三通电磁阀（元件 25）及行程开关（ SQ1-SQ5）。另外为 了我提高测试精度和测试效率。用压力传感器和速度传感器对实验压力和液压缸的速度进 行测试，使用 4 路模拟量输入的特殊模块采集压力信号和速度信号并通过总线电缆 FX2N-4AD 与 PLC 进行数据交换。液压系统功能和每项实验的工作原理如表 1 所示。在何 进行一个实验时，按下相应的实验选择按钮，相应的电磁阀就会分别通断电动作，同时， 调节

9、有关控制阀，并观察液体压力表、流量计的变化及两油缸的动作情况，即可完成不同的实验（表 1 中 “ +表”示电磁铁通电。 ）。5图 4 改进后的 QCS003B 型液压实验台的液压系统原理图表 1 电磁阀通断电状态动作表实验名称实验内容YA3YA3YA12YA12YAYAYAYAYA转换（左）（右）（左）（右）1115162425指令实验一 液压泵的测试液压泵的性能SB1性能实验实验二 节流调油缸 18 加载SB2SQ4SQ3SQ1速性能实验油缸 17 进SQ5SB3油缸 17 退、油缸 18 进SB4油缸 17 停SB5退油缸 18 停SQ2SQ3实 验三 溢流阀静态性能实验测试溢流阀的静态性

10、能SQ1SB6SQ2SQ4实验四 液压泵 8液压泵 8 卸荷SQ1SQ5卸荷实验SB7SQ4实 验五 速度液油缸 17 差动快进SQ2SQ3压缸 17 的快速运动回路实验油缸 17 工进油缸 17 快退SQ3SQ1SQ5油缸 17 停实 验六 速度液油缸 17 差动进压缸 17 和加载缸油缸 17 停、油缸 18 进18 的顺序动作回油缸 18 停、油缸 17 退路实验油缸 17 停、油缸 18 退7由于实验项目增加以后系统控制要求较为复杂，对系统的安全性、可靠性要求较高，并 要求时间的测试和显示，因此选用 PLC 做为系统的控制核心，也便于实验台的进一步升级设 计。根据存储容量、运行速度、被

11、控对象的点数（该控制系统的输入点数为 21 点，输出点数 为 17 点，总的 I/O 点数为 38 点。），同时还要留有 10 15的 I/O 点数的余量、扩展能力 以及计时器和计数器的数量等指标。 最终选用三菱 FX2N 系列的 PLC FX2N-48MR（AC 电源， DC 输入型），该控制器具有 24 点输入和 24 点输出。对应实验压力和液压缸的运动速度分别 采用压力传感器和速度传感器，选用 4 路模拟量输入的特殊模块采集压力信号和速度信号并 通过扩展总线 FX2N-4AD （其内部有 32 个 16 位的缓冲寄存器 （BMF） ，用于与主机交换数据。 FX2n-4AD 占用 FX2n

12、 扩展总线的 8 个点）与 PLC 进行数据交换。 PLC 的接线图如图 5。基于 PLC 的 QCS-003B 液压教学实验台控制系统的软件编制使用三菱 PLC 编程软件 GX Developer 编制 QCS-003B液压教学实验台控制系统的程序。 控制主程序如图 6 所示。N0X014 X015Y014X016 X017X000 T1Y015M1M1M10M2X007N0 M70Y014MCN0M20实验1程序段T2 Y014实验2程序段MCRN0Y014Y015M1M2T7 Y014 Y015 M7MCN0M70实验7程序段MCRN0END图6 PLC控制主程序使用 FluidSIM

13、软件对改进后的 QCS003B型液压实验台的液压回路实验进行仿真FluidSIM 是目前较为流行的典型气动控制仿真软件，它将 CAD 功能与仿真功能紧密结 合在一起，可对基于元件物理模型的回路图进行实际仿真，包括 FluidSIM-P 和 FluidSIM-H 两部分。充分应用 FluidSIM-H 强大的仿真功能对 QCS003B型液压实验台的 7 个液压回路实 验进行相关仿真。FU1L16.3VFR110VL2380V FU6220VCOM1Y0FU3YA3YA3SB1SB2SB3SB4SB5SB6SB7ST1ST2ST3ST4ST5SB8SB9SB10SB11SB12SB14SB13NC

14、OM24X0X1X2X3X4X5X6X7X10X11X12X13X14X15X16X17X20X21X22X23X24X25X26X27Y1Y2Y3COM2Y4Y5Y6Y7COM3Y10Y11N-48MRY12Y13COM4Y14Y15Y16Y17COM5Y20Y21Y22YA12YA12YA11YA15YA16YA24YA25KM1KM2FU2Y23Y24Y25Y26Y27扩展总线图 5 PLC 外部接线图10HL1HL2HL3使用 FluidSIM 软件对液压泵的性能实验（实验一）进行仿真使用 FluidSIM 软件，在 FluidSIM-H 环境中搭接液压泵特性实验仿真的液压回路。如图

15、7 所示。图 7 关闭节流阀 10 时液压泵的特性实验油路的仿真画面说明：电缆和液压管路的颜色颜色含义深蓝色气压管路：压力大于或等于最大压力的 50淡蓝色气压管路：压力小于最大压力的 50淡红色电 缆：有电流流动实验步骤：1、将电磁阀 12 的控制旋钮置于 “0位”，使电磁阀 12 处于中位，电磁阀 11 的控制旋钮置于 “0位”，阀11断电处于下位。 全部打开节流阀 10和溢流阀 9，接 通电源，让被试泵 8 空载运转几分钟，排除系统内的空气。2、关闭节流阀 10，慢慢关小溢流阀 9，将压力 P调至 6. 86 MPa，然后用锁 母将溢流阀 9 锁住。3、逐渐开大节流阀 10 的通流截面，使

16、系统压力 P 降至泵的额定压力 6.178 MPa，观测被试泵的压力脉动值（做两次）114、全部打开节流阀 10，使被试泵的压力为零（或接近零） ，测出此时的流 量，此即为空载流量。再逐渐关小节流阀 10 的通流截面，作为泵的不同负载， 对应测出压力 p、流量 q和电动机的输入功率 N 表。注意，节流阀每次调节后， 须运转一、两分钟后，再测有关数据。压力 p从压力表 p6 上直接读数；流量 q用秒表测量椭圆齿轮流量计指针旋转一周所需时间，根据公式Vqt 求出流量 q ；电动机的输入功率 N 表 从功率表 19 上直接读数（电动机效率曲线由实验 室给出）；图 8 节流阀 10 打开 10 时液压

17、泵的特性实验油路的仿真画面使用 FluidSIM 软件对节流调速性能实验（实验二）进行仿真图 4 为 QCS003B 型液压实验台节流调速回路性能实验的液压系统原理图。 该液压系统由两个回路组成。图 4 的左半部是调速回路，右半部则是加载回路。在加载回路中，当压力油进入加载液压缸 18 右腔时，由于加载液压缸活塞12杆与调速回路液压缸 17（以后简称工作液压缸）的活塞杆将处于同心位置直接 对顶，而且它们的缸筒都固定在工作台上， 因此工作液压缸的活塞杆受到一个向 左的作用力（负载 FL），调节溢流阀 9可以改变 FL 的大小。在调速回路中，工作液压缸 17的活塞杆的工作速度 V 与节流阀的通流面

18、积 a、溢流阀调定压力 P1（泵 1的供油压力）及负载 FL 有关。而在一次工作过程 中，a和P1都预先调定不再变化，此时活塞杆运动速度 V 只与负载 FL 有关。V 与 FL 之间的关系，称为节流调速回路的速度负载特性。 a 和 P1确定之后，改变 负载 FL 的大小，同时测出相应的工作液压缸活塞杆速度 V ，就可测得一条速度 负载特性曲线。3.2.1 采用节流阀的进油路节流调速回路使用 FluidSIM 软件，在 FluidSIM-H 环境中搭接液压泵特性实验仿真的液压 回路。如图 9 所示。图9 节流阀 5打开50时进油路节流调速实验油路的仿真画面13图 10 节流阀 5 打开 90 时

19、进油路节流调速实验油路的仿真画面3.2.2 采用节流阀的回油路节流调速回路图 11 节流阀 6 打开 40 时回油路节流调速实验油路的仿真画面14图 12 节流阀 6 打开 90 时回油路节流调速实验油路的仿真画面3.2.3 采用节流阀的旁油路节流调速回路图 13 节流阀 7 打开 40 时旁油路节流调速实验油路的仿真画面15图 14 节流阀 7 打开 80 时旁油路节流调速实验油路的仿真画面3.2.4 采用调速阀的进油路节流调速回路图 15 调速阀 8 流量为 1L/m 时旁油路节流调速实验油路的仿真画面16图 16 调速阀 8 流量为 6L/m 时旁油路节流调速实验油路的仿真画面使用 Fl

20、uidSIM 软件对溢流阀静态性能实验（实验三）进行仿真使用 FluidSIM 软件，在 FluidSIM-H 环境中搭接液压泵特性实验仿真的液压回路。如图 17 所示。图 17 溢流阀静态性能实验液压系统原理图18试验内容171调压范围及压力稳定性1）逐步打开溢流阀 14 的调压手柄，通过压力表 p12 2，观察压力下降的 情况，看是否均匀，是否有突变或滞后等现象，并读出调压范围最小值。再逐步 拧紧调压手柄， 观察压力的变化情况， 读出调压范围最大值。 反复实验不是少于 3 次。2）调节被压阀 14，在调压范围取 5 个压力值，（其中包括调压范围最高值 63kgf/ cm2），每次用压力表

21、p122分别测量各压力下的压力振摆值，并指出最 大压力振摆值。3）调节被试阀 14 至调压范围最高值 63kgf/cm2，压力表 p122，测量一分 钟内的压力偏移值。2卸荷压力和压力损失1） 卸荷压力将被试阀 14 的压力调至调压范围的最高值（ 63kgf/ cm2），此时流过阀的溢 流量为试验流量。然后将二位二通电磁换向阀 16 通电，被试阀的额卸荷口（远 程控制口）即通油箱。用压力表 p122 测量压力值，即为卸荷压力。注意：当被试阀的压力调好之后应将 p122 压力表开关转至 O 位，待 16 通 电后，再将压力表开关转至压力接点读出卸荷压力值， 这样可以保护压力表不被 打坏。2）压力

22、损失在实验流量下，调节被压阀 14 的调压手轮至全开位置，用压力表 p122， 测量压力值。3起闭特性18关闭溢流阀 11，调节被试阀 14至调压范围的最高值 63kgf/ cm2，并锁紧其 调节手柄，使通过被试阀 14 的流量为试验流量。1）闭合特性慢慢松开溢流阀 11的手柄，使系统压力分 10 档逐渐降低，每次记录过被试 阀 14 的流量，直到被试阀 14 的溢流量减少到额定流量的 1% （小流量时用量杯 测量）。此时的压力为闭合压力（由压力表 p122 读出）。继续松开溢流阀 11的 手柄，直到全部流量从溢流阀 11 流走。2）开启特性反向拧紧溢流阀 11 的手柄，从被试阀 14 不溢流

23、开始，使系统压力逐渐升高， 当被试阀 14 的溢流量达到实验流量的 1%时，此时的压力为开启压力， 再继续拧 紧溢流阀 11的手柄，分 10 档逐渐升压，一直升到被试阀 14 的调压范围最高值 63kgf/ cm2。记下每次相应的压力和流量。注意：为了减少测量误差，启闭特性实验中溢流阀 11 的调压手柄应始终向响应的方向旋转。图 18 溢流阀 11 压力为 6.86MPa 时溢流阀静态性能实验的仿真画面19图 19 溢流阀 14 压力为 6.2MPa 时溢流阀静态性能实验的仿真画面图 20 溢流阀 11 关闭后溢流阀静态性能实验的仿真画面使用 FluidSIM 软件对液压泵 8 卸荷实验（实验四）进行仿真在图 4 中，当二位二通电磁阀 11和二位二通电磁阀 15 都通电，液压泵的出口通过溢流阀 14的的远程控制口 k和二位二通电磁阀 15回油箱。液压泵 8卸荷。由于 FluidSIM 软件中