摘 要：針對機(jī)電液綜合控制系統(tǒng)開發(fā)對實(shí)驗(yàn)臺的要求，本文提出了基于組態(tài)軟件和PLC的機(jī)電液綜合控制實(shí)驗(yàn)臺總體方案。首先依據(jù) PLC 的機(jī)電液綜合控制系統(tǒng)的基本原理，采用模塊化的設(shè)計思想構(gòu)建實(shí)驗(yàn)臺的硬件平臺;然后依據(jù)實(shí)驗(yàn)要求構(gòu)建機(jī)電液綜合控制系統(tǒng)，采用組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)機(jī)電液綜合控制系統(tǒng)進(jìn)行組態(tài)監(jiān)控和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集;最后根據(jù)采集到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，利用Matlab軟件分析機(jī)電液綜合控制系統(tǒng)性能。實(shí)踐表明，該機(jī)電液綜合控制實(shí)驗(yàn)臺模塊齊備，能夠組建中等復(fù)雜的機(jī)電液綜合控制系統(tǒng)，且實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集方便，可對系統(tǒng)運(yùn)行進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，既能可用于機(jī)電液綜合控制實(shí)驗(yàn)教學(xué)，又能用于工礦企業(yè)機(jī)電液綜合控制系統(tǒng)開發(fā)。 

　　　　引言

　　以水作為工作介質(zhì)的液壓傳動最早出現(xiàn)于 17 世紀(jì)末。直到 19 世紀(jì)末，礦油基液壓油逐漸取代了水。隨著電氣自動控制技術(shù)、傳感器技術(shù)應(yīng)用于液壓傳動系統(tǒng)，逐漸形成機(jī)電液一體化系統(tǒng)，這種系統(tǒng)既具有液壓傳動系統(tǒng)功率重量比大，體積小，頻響高，壓力、流量可控性好，可柔性傳送動力，易實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動等優(yōu)點(diǎn)，又有解決液壓系統(tǒng)高精度定位控制、速度控制、自適應(yīng)控制、自診斷、校正、補(bǔ)償、再現(xiàn)、檢索等自動控制要求，大大提高液壓系統(tǒng)的系能。機(jī)電液綜合控制實(shí)驗(yàn)臺為實(shí)驗(yàn)教學(xué)及系統(tǒng)開發(fā)提供了一個良好的研發(fā)平臺，因此實(shí)驗(yàn)臺的開發(fā)必須考慮機(jī)電液綜合控制系統(tǒng)的基本特點(diǎn)。目前使用較多的機(jī)電液綜合實(shí)驗(yàn)臺，均只考慮了機(jī)電液系統(tǒng)動作過程的驗(yàn)證，而忽略了一個重要的內(nèi)容———系統(tǒng)性能的驗(yàn)證與分析。同時隨著組態(tài)監(jiān)控技術(shù)的發(fā)展，機(jī)電液綜合控制系統(tǒng)組態(tài)監(jiān)控對實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的可靠運(yùn)行也是非常重要的。

　　基于以上考慮，本文提出了基于組態(tài)軟件和 PLC 的機(jī)電液綜合控制實(shí)驗(yàn)臺方案，依據(jù) PLC 機(jī)電液綜合控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)，采用模塊化的設(shè)計思想提出了實(shí)驗(yàn)臺的硬件設(shè)計方案，然后利用組態(tài)軟件進(jìn)行組態(tài)監(jiān)控和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集，最后通過 M atlab 軟件實(shí)現(xiàn)液壓系統(tǒng)分析。

　　1 機(jī)電液綜合控制系統(tǒng)基本原理及實(shí)驗(yàn)臺設(shè)計總體方案

　　機(jī)電液綜合控制系統(tǒng)一般由動力系統(tǒng)、機(jī)械本體、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、檢測部分、控制和信號處理單元以及驅(qū)動部分組成。動力系統(tǒng)在控制信息作用下，提供動力，驅(qū)動各執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成各種動作和功能，主要是指電動機(jī);機(jī)械本體一般包括液壓傳動和機(jī)械結(jié)構(gòu)(即殼體、機(jī)身、支座等支撐結(jié)構(gòu));執(zhí)行機(jī)構(gòu)電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)及其配套的機(jī)械部分;檢測部分包括各種傳感器和位置開關(guān);控制和信號處理單元是機(jī)電液一體化系統(tǒng)的核心部分，一般由工控機(jī)、單片機(jī)、各種控制器和可編程序控制器(PLC)、數(shù)控裝置以及邏輯電路、A/D(模 /數(shù))與 D/A(數(shù) /模)轉(zhuǎn)換、I/O(輸入 /輸出)接口和計算機(jī)外部設(shè)備等組成;驅(qū)動部分實(shí)現(xiàn)信號的交換、放大和傳遞，是連接弱電設(shè)備和強(qiáng)電設(shè)備的紐帶。如圖 1 所示的基于 PLC 機(jī)電液綜合控制系統(tǒng)基本原理圖可知，基于 PLC 機(jī)電液綜合控制系統(tǒng)主要包括 PLC 控制器、動力系統(tǒng)、機(jī)械、液壓傳動系統(tǒng)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、模擬量和開關(guān)量傳感器、驅(qū)動裝置及輸入電路、電源(圖中未示出)等部分，其核心是 PLC 控制器。

　　綜合分析可得如圖 2 所示的基于 PLC 和組態(tài)軟件的機(jī)電液綜合控制實(shí)驗(yàn)臺總體設(shè)計方案：首先依據(jù)機(jī)械和電氣元件在機(jī)電液綜合控制系統(tǒng)的作用，采用模塊化的設(shè)計思想，建立構(gòu)成實(shí)驗(yàn)臺的功能模塊;然后根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求，選擇合適的功能模塊構(gòu)成相應(yīng)機(jī)電液綜合控制系統(tǒng)，利用 PLC 提供模擬量輸入通道實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，并通過組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)機(jī)電液綜合控制系統(tǒng)組態(tài)監(jiān)控，利用 M atlab實(shí)現(xiàn)機(jī)電液系統(tǒng)性能分析.

　　2機(jī)電液綜合控制實(shí)驗(yàn)臺硬件設(shè)計

　　由機(jī)電液綜合控制實(shí)驗(yàn)臺設(shè)計總體方案可知，實(shí)驗(yàn)臺由工作臺和各種功能模塊構(gòu)成。如圖 3 所示的根據(jù)機(jī)電液綜合控制系統(tǒng)的組成及工作原理，可將其分為電氣控制和機(jī)械液壓兩部分組成。電氣控制主要包括 PLC 、開關(guān)電路、電源、按鈕開關(guān)、驅(qū)動、信號顯示等模塊。機(jī)液壓部分主要包括液壓模塊、機(jī)電傳動模塊以及安裝在系統(tǒng)中的各種傳感器。

　　2.1 電氣控制部分設(shè)計

　　電氣控制的核心是 PLC 控制及數(shù)據(jù)采集。而要構(gòu)建一個完成 PLC 控制系統(tǒng)，除了需要 PLC 模塊之外，還需要輸入電器(按鈕開關(guān)模塊)、輸出模塊(驅(qū)動模塊、信號顯示模塊)以及電源模塊等模塊，各模塊之間的關(guān)系如圖 3所示。為了利用 PLC 獲得傳感器采集到的模擬信號，PLC必須提供的足夠數(shù)量模擬量輸入通道。電氣控制模塊的設(shè)計要點(diǎn)是：1)對電源模塊設(shè)計，考慮到電源分為控制電源和動力電源，因此必須將控制電源模塊和動力電源模塊分開，并且提供最常用規(guī)格的電源輸出;2)各模塊在工作臺上的位置關(guān)系參考圖 2 所示的邏輯關(guān)系合理布置，方便接線。3)液壓泵站主電路固定，只向用戶提供控制端口，用戶可根據(jù)系統(tǒng)的要求來控制液壓泵電動機(jī)。4)PLC模塊、輸入模塊和輸出模塊之間開始沒有任何連線，在實(shí)驗(yàn)時，用戶應(yīng)根據(jù)液壓系統(tǒng)的控制系統(tǒng)要求自行連線;5)PLC 只能處理數(shù)字信號，凡遇到模擬量的地方，都必須進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換(A/D ))和數(shù)模轉(zhuǎn)換(D/A )，目前的 PLC 都提供有模擬量輸入、輸出通道[2]。為采集傳感器輸出信號，選用的PLC 必須有足夠數(shù)量模擬量輸入通道。

　　2.2 機(jī)械液壓部分設(shè)計

　　機(jī)械液壓部分的基本設(shè)計思路：采用各種傳感器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集;提供常用的機(jī)械傳動模塊以及常用的液壓元件模塊，模塊之間開始是沒有任何關(guān)系的，實(shí)驗(yàn)時根據(jù)需要選擇元件進(jìn)行組合，構(gòu)成所需系統(tǒng)。基于以上考慮，機(jī)械液壓部分主要由機(jī)電傳動模塊、液壓模塊和傳感器等三部分組成(如圖 3 所示)。機(jī)電傳動模塊包括步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動直線運(yùn)動模塊、十字滑臺等。液壓模塊包括可裝拆液壓元件、液壓泵站等。傳感器包括壓力、流量、扭矩,轉(zhuǎn)速等模擬量傳感器和壓力繼電器、位置開關(guān)等開關(guān)量傳感器。

　　3 基于組態(tài)軟件的機(jī)電液綜合控制系統(tǒng)組態(tài)監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集

　　組態(tài)軟件提供了良好的用戶開發(fā)界面和簡捷的工程實(shí)現(xiàn)方法，它提供了預(yù)設(shè)了豐富功能模塊來進(jìn)行系統(tǒng)組態(tài)。在建立具體的組態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)時，首先選擇組態(tài)軟件預(yù)置的各種功能模塊來模擬被監(jiān)控系統(tǒng)中的相應(yīng)元件，并根據(jù)元件之間的關(guān)系進(jìn)行組態(tài)。組態(tài)時，在組態(tài)軟件中利用向?qū)?nbsp;PLC 的輸入、輸出端口的內(nèi)部寄存器建立實(shí)時數(shù)據(jù)庫變量，將實(shí)時數(shù)據(jù)庫變量與仿真界面的各種圖案連接，則可實(shí)時顯示各設(shè)備的狀態(tài)變化，同時也可以通過仿真開關(guān)向 PLC 發(fā)出控制指令。實(shí)時數(shù)據(jù)變量的定義來源于 PLC 程序設(shè)計及仿真設(shè)備的動畫設(shè)計[3,4,5]，同時利用實(shí)時數(shù)據(jù)庫變量可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集。圖 4 為基于組態(tài)軟件的機(jī)電液綜合控制系統(tǒng)組態(tài)監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集原理圖。

　　4 機(jī)電液綜合控制系統(tǒng)性能分析

　　要實(shí)現(xiàn)機(jī)電液綜合控制系統(tǒng)性能分析，就必須將采集的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)存儲起來，并方便分析軟件訪問。考慮到組態(tài)軟件、M atlab 軟件，均能訪問 Access 數(shù)據(jù)庫，因此采用Access 數(shù)據(jù)庫作為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)存儲和交換的橋梁，實(shí)現(xiàn)M atlab 與組態(tài)軟件之間的數(shù)據(jù)交換[6]，如圖 5 所示。

　　數(shù)據(jù)采集時，在接到數(shù)據(jù)采集指令時，讀取 PLC 寄存器對應(yīng)的數(shù)據(jù)變量，將數(shù)據(jù)變量中讀取的數(shù)據(jù)通過 ODBC數(shù)據(jù)源存入 Access 數(shù)據(jù)庫中，然后判斷動作是否結(jié)束，如果動作未結(jié)束，則延時之后，再次讀取數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫，如此反復(fù)，直到動作結(jié)束，完成數(shù)據(jù)采集。

　　數(shù)據(jù)分析時，首先由 M atlab 通過 ODBC 數(shù)據(jù)源，取出存放在 Access 數(shù)據(jù)庫中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并放入 M atlab 變量中，然后利用 M atlab 軟件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析。

　　5結(jié)束語

　　機(jī)電液綜合控制系統(tǒng)的設(shè)計開發(fā)、性能測試和技術(shù)人才培養(yǎng)等方面都離不開實(shí)驗(yàn)。本文從實(shí)驗(yàn)臺硬件設(shè)計、基于組態(tài)軟件實(shí)時監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集、基于 M atlab 機(jī)電液綜合控制系統(tǒng)性能分析等三個方面分析機(jī)電液綜合控制試驗(yàn)臺設(shè)計。實(shí)踐表明，該實(shí)驗(yàn)臺功能完備，操作控制簡單，既能夠用于機(jī)電液綜合控制實(shí)驗(yàn)教學(xué)，也能夠滿足工礦企業(yè)進(jìn)行機(jī)電液綜合控制系統(tǒng)開發(fā)的要求。

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