發布日期：2022-07-20 點擊率：93
摘 要：針對機電液綜合控制系統開發對實驗臺的要求，本文提出了基于組態軟件和PLC的機電液綜合控制實驗臺總體方案。首先依據 PLC 的機電液綜合控制系統的基本原理，采用模塊化的設計思想構建實驗臺的硬件平臺;然后依據實驗要求構建機電液綜合控制系統，采用組態軟件實現機電液綜合控制系統進行組態監控和實驗數據采集;最后根據采集到的實驗數據，利用Matlab軟件分析機電液綜合控制系統性能。實踐表明，該機電液綜合控制實驗臺模塊齊備，能夠組建中等復雜的機電液綜合控制系統，且實驗數據采集方便，可對系統運行進行實時監控，既能可用于機電液綜合控制實驗教學，又能用于工礦企業機電液綜合控制系統開發。
引言
以水作為工作介質的液壓傳動最早出現于 17 世紀末。直到 19 世紀末，礦油基液壓油逐漸取代了水。隨著電氣自動控制技術、傳感器技術應用于液壓傳動系統，逐漸形成機電液一體化系統，這種系統既具有液壓傳動系統功率重量比大，體積小，頻響高，壓力、流量可控性好，可柔性傳送動力，易實現直線運動等優點，又有解決液壓系統高精度定位控制、速度控制、自適應控制、自診斷、校正、補償、再現、檢索等自動控制要求，大大提高液壓系統的系能。機電液綜合控制實驗臺為實驗教學及系統開發提供了一個良好的研發平臺，因此實驗臺的開發必須考慮機電液綜合控制系統的基本特點。目前使用較多的機電液綜合實驗臺，均只考慮了機電液系統動作過程的驗證，而忽略了一個重要的內容———系統性能的驗證與分析。同時隨著組態監控技術的發展，機電液綜合控制系統組態監控對實驗系統的可靠運行也是非常重要的。
基于以上考慮，本文提出了基于組態軟件和 PLC 的機電液綜合控制實驗臺方案，依據 PLC 機電液綜合控制系統的基本結構，采用模塊化的設計思想提出了實驗臺的硬件設計方案，然后利用組態軟件進行組態監控和實驗數據采集，最后通過 M atlab 軟件實現液壓系統分析。
1 機電液綜合控制系統基本原理及實驗臺設計總體方案
機電液綜合控制系統一般由動力系統、機械本體、執行機構、檢測部分、控制和信號處理單元以及驅動部分組成。動力系統在控制信息作用下，提供動力，驅動各執行機構完成各種動作和功能，主要是指電動機;機械本體一般包括液壓傳動和機械結構(即殼體、機身、支座等支撐結構);執行機構電動執行機構液壓執行機構及其配套的機械部分;檢測部分包括各種傳感器和位置開關;控制和信號處理單元是機電液一體化系統的核心部分，一般由工控機、單片機、各種控制器和可編程序控制器(PLC)、數控裝置以及邏輯電路、A/D(模 /數)與 D/A(數 /模)轉換、I/O(輸入 /輸出)接口和計算機外部設備等組成;驅動部分實現信號的交換、放大和傳遞，是連接弱電設備和強電設備的紐帶。如圖 1 所示的基于 PLC 機電液綜合控制系統基本原理圖可知，基于 PLC 機電液綜合控制系統主要包括 PLC 控制器、動力系統、機械、液壓傳動系統、執行機構、模擬量和開關量傳感器、驅動裝置及輸入電路、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 和組態軟件的機電液綜合控制實驗臺總體設計方案：首先依據機械和電氣元件在機電液綜合控制系統的作用，采用模塊化的設計思想，建立構成實驗臺的功能模塊;然后根據實驗要求，選擇合適的功能模塊構成相應機電液綜合控制系統，利用 PLC 提供模擬量輸入通道實現數據采集，并通過組態軟件實現機電液綜合控制系統組態監控，利用 M atlab實現機電液系統性能分析.
2機電液綜合控制實驗臺硬件設計
由機電液綜合控制實驗臺設計總體方案可知，實驗臺由工作臺和各種功能模塊構成。如圖 3 所示的根據機電液綜合控制系統的組成及工作原理，可將其分為電氣控制和機械液壓兩部分組成。電氣控制主要包括 PLC 、開關電路、電源、按鈕開關、驅動、信號顯示等模塊。機液壓部分主要包括液壓模塊、機電傳動模塊以及安裝在系統中的各種傳感器。
2.1 電氣控制部分設計
電氣控制的核心是 PLC 控制及數據采集。而要構建一個完成 PLC 控制系統，除了需要 PLC 模塊之外，還需要輸入電器(按鈕開關模塊)、輸出模塊(驅動模塊、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必須提供的足夠數量模擬量輸入通道。電氣控制模塊的設計要點是：1)對電源模塊設計，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，并且提供最常用規格的電源輸出;2)各模塊在工作臺上的位置關系參考圖 2 所示的邏輯關系合理布置，方便接線。3)液壓泵站主電路固定，只向用戶提供控制端口，用戶可根據系統的要求來控制液壓泵電動機。4)PLC模塊、輸入模塊和輸出模塊之間開始沒有任何連線，在實驗時，用戶應根據液壓系統的控制系統要求自行連線;5)PLC 只能處理數字信號，凡遇到模擬量的地方，都必須進行模數轉換(A/D ))和數模轉換(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 必須有足夠數量模擬量輸入通道。
2.2 機械液壓部分設計
機械液壓部分的基本設計思路：采用各種傳感器實現數據采集;提供常用的機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系的，實驗時根據需要選擇元件進行組合，構成所需系統。基于以上考慮，機械液壓部分主要由機電傳動模塊、液壓模塊和傳感器等三部分組成(如圖 3 所示)。機電傳動模塊包括步進電動機驅動直線運動模塊、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,轉速等模擬量傳感器和壓力繼電器、位置開關等開關量傳感器。
3 基于組態軟件的機電液綜合控制系統組態監控與數據采集
組態軟件提供了良好的用戶開發界面和簡捷的工程實現方法，它提供了預設了豐富功能模塊來進行系統組態。在建立具體的組態監控系統時，首先選擇組態軟件預置的各種功能模塊來模擬被監控系統中的相應元件，并根據元件之間的關系進行組態。組態時，在組態軟件中利用向導 PLC 的輸入、輸出端口的內部寄存器建立實時數據庫變量，將實時數據庫變量與仿真界面的各種圖案連接，則可實時顯示各設備的狀態變化，同時也可以通過仿真開關向 PLC 發出控制指令。實時數據變量的定義來源于 PLC 程序設計及仿真設備的動畫設計[3,4,5]，同時利用實時數據庫變量可實現數據采集。圖 4 為基于組態軟件的機電液綜合控制系統組態監控和數據采集原理圖。
4 機電液綜合控制系統性能分析
要實現機電液綜合控制系統性能分析，就必須將采集的實驗數據存儲起來，并方便分析軟件訪問?？紤]到組態軟件、M atlab 軟件，均能訪問 Access 數據庫，因此采用Access 數據庫作為實驗數據存儲和交換的橋梁，實現M atlab 與組態軟件之間的數據交換[6]，如圖 5 所示。
數據采集時，在接到數據采集指令時，讀取 PLC 寄存器對應的數據變量，將數據變量中讀取的數據通過 ODBC數據源存入 Access 數據庫中，然后判斷動作是否結束，如果動作未結束，則延時之后，再次讀取數據存入數據庫，如此反復，直到動作結束，完成數據采集。
數據分析時，首先由 M atlab 通過 ODBC 數據源，取出存放在 Access 數據庫中的實驗數據，并放入 M atlab 變量中，然后利用 M atlab 軟件進行實驗數據分析。
5結束語
機電液綜合控制系統的設計開發、性能測試和技術人才培養等方面都離不開實驗。本文從實驗臺硬件設計、基于組態軟件實時監控和數據采集、基于 M atlab 機電液綜合控制系統性能分析等三個方面分析機電液綜合控制試驗臺設計。實踐表明，該實驗臺功能完備，操作控制簡單，既能夠用于機電液綜合控制實驗教學，也能夠滿足工礦企業進行機電液綜合控制系統開發的要求。
參考文獻
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