液壓系統(tǒng)電氣控制虛擬實驗系統(tǒng)的開發(fā)

岳大靈+魏列江+劉增光+趙君+黃昭雪

摘 要 基于組態(tài)王和三菱PLC軟件，開發(fā)一套液壓系統(tǒng)電氣控制可視化虛擬教學實驗系統(tǒng)，利用該系統(tǒng)可實現(xiàn)液壓系統(tǒng)的繼電器控制或PLC控制實驗。以機床工作臺液壓系統(tǒng)繼電器控制為例，介紹整個虛擬實驗系統(tǒng)的構成方案和詳細實現(xiàn)過程。仿真運行和教學效果表明：該虛擬實驗系統(tǒng)可實現(xiàn)從虛擬操作臺操作、繼電器觸點動作和虛擬液壓系統(tǒng)動作的實時全聯(lián)動，能夠直觀、逼真地顯示真實液壓系統(tǒng)繼電器控制中控制信號傳遞及相互作用全過程，解決學生學習液壓系統(tǒng)微機控制專業(yè)課程中對隱藏于液壓系統(tǒng)電氣控制系統(tǒng)硬件內部的控制信號感覺抽象、難以理解的問題。

關鍵詞 液壓系統(tǒng)；電氣控制；組態(tài)王；虛擬教學實驗系統(tǒng)

中圖分類號：TH137 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2016）20-0043-04

1 引言

“液壓系統(tǒng)微機控制”是蘭州理工大學液壓專業(yè)學生一門重要的專業(yè)課程，目的是培養(yǎng)學生掌握液壓系統(tǒng)電氣控制的軟硬件構成和基本工作原理，使學生具備解決液壓系統(tǒng)一般電氣控制的工程應用能力。目前液壓系統(tǒng)的電氣控制可分為繼電器控制和PLC控制。繼電器控制主要用于小型液壓系統(tǒng)的簡單邏輯控制，PLC控制由于PLC內部為半導體集成電路而使其具有觸點無限多、控制速度快、調試修改方便等優(yōu)點，用于控制功能多、可靠性要求高的場合[1]??。

液壓系統(tǒng)電氣控制中不論是繼電器控制還是PLC控制，學習的核心內容都是控制信號在控制系統(tǒng)硬件內部如何傳輸、相互影響和作用。這些內容即使用真實的液壓系統(tǒng)電氣控制實驗設備實驗時也無法直觀看到和學到，學生在學習中對此也感覺抽象、不易理解。因此，本項目組設計開發(fā)液壓系統(tǒng)電氣控制虛擬實驗系統(tǒng)，實現(xiàn)液壓系統(tǒng)電氣控制中控制信號的直觀可視化。

2 虛擬實驗系統(tǒng)的構成方案

本虛擬實驗系統(tǒng)的構成方案如圖1所示，主要由模擬PLC、數(shù)據(jù)接口和模擬液壓系統(tǒng)三部分構成。

1）模擬PLC部分用來模擬一臺真實的PLC，進行已編PLC程序的下載、運行和數(shù)據(jù)輸入、運算結果的輸出。PLC的模擬仿真是依靠計算機上安裝的三菱PLC編程軟件GX Developer、三菱PLC仿真軟件GX Simulator來實現(xiàn)的。其中，GX Developer主要提供PLC程序的圖形化編輯平臺，在GX Developer中可完成三菱全系列PLC的編程、監(jiān)控、調試和維護工作，支持梯形圖、指令表、SFC、ST及FB編程。編寫好的PLC控制程序通過調用GX Simulator實現(xiàn)已編控制程序的下載和虛擬PLC的模擬運行。

2）模擬液壓系統(tǒng)部分是依靠在組態(tài)軟件組態(tài)王中通過新建液壓系統(tǒng)電氣控制畫面、編寫命令語言、建立數(shù)據(jù)變量和OPC服務連接等實現(xiàn)操作者操作信號輸入、模擬PLC運行結果的輸入及其對應的虛擬液壓系統(tǒng)動作響應過程的模擬。

3）數(shù)據(jù)接口部分是依靠在三菱MX OPC Server軟件中建立模擬PLC對應的數(shù)據(jù)庫并提供OPC服務，實現(xiàn)模擬PLC與模擬液壓系統(tǒng)間控制信號數(shù)據(jù)的交換。

3 機床工作臺液壓系統(tǒng)繼電器控制的實現(xiàn)

仿真圖形畫面設計 根據(jù)機床工作臺的液壓系統(tǒng)工作原理以及需要的電氣控制要求和實際電氣控制系統(tǒng)的接線圖，在組態(tài)王軟件的畫面開發(fā)系統(tǒng)中插入相應的按鈕、圖片、管道、連線等，建立機床工作臺液壓系統(tǒng)繼電器控制的仿真畫面（如圖2所示）。為了能實時顯示各個繼電器、接觸器觸點的動作過程，自建繼電器、接觸器觸點的組合圖素，通過調用組合圖素的水平移動來模擬各觸點的閉合與斷開。

繼電器邏輯控制 機床工作臺液壓系統(tǒng)繼電器邏輯控制過程為：按下啟動按鈕SB2，接觸器線圈KM1得電，與SB2并聯(lián)的KM1常開觸點閉合，KM1主觸點閉合，電機帶動液壓泵轉動；當SA1處于手動模式時，其對應的觸點斷開，按下左移按鈕SB3，繼電器KA1線圈得電，KA1的常開觸點閉合，電磁換向閥線圈YA0通電，換向閥給液壓缸右腔供油，液壓缸帶動工作臺左移，當工作臺左移碰觸到行程開關SQ1后KA1線圈失電，YA0斷電工作臺停止左移；按下右移按鈕SB4，繼電器KA2線圈得電，電磁換向閥線圈YA1通電，換向閥給液壓缸左腔供油，液壓缸帶動工作臺右移，當工作臺右移碰觸到行程開關SQ2后KA2線圈失電，YA1斷電工作臺停止右移；當SA1切換到自動模式時，工作臺自動執(zhí)行上述左移、右移的動作；按下停止按鈕SB1時，所有接觸器、繼電器和電磁鐵失電，工作臺停止運動。

考慮到用PLC梯形圖進行邏輯控制時具有編程簡單、運行狀態(tài)直觀、調試方便等優(yōu)點，因此通過編寫梯形圖程序來實現(xiàn)繼電器控制元件之間的邏輯運算關系。繼電器控制元件與PLC地址間的對應關系見表1。在三菱編程軟件GX Developer下實現(xiàn)繼電器控制邏輯運算關系對應的梯形圖程序如圖3所示。

建立數(shù)據(jù)接口數(shù)據(jù)庫 在MX OPC Configurator中建立虛擬實驗系統(tǒng)通信數(shù)據(jù)庫，并激活數(shù)據(jù)庫來連接GX Simu-lator軟件虛擬的PLC（名稱為XuNiPLC），對XuNiPLC的輸入、輸出變量進行定義。在MX OPC Configurator中建立數(shù)據(jù)庫及輸入、輸出變量的定義，如圖4所示。

模擬動作過程的動畫實現(xiàn) 首先在組態(tài)王軟件的OPC服務器中選擇由MX OPC Server提供的Mitsubishi.MXOPC.4服務器；其次在組態(tài)王軟件數(shù)據(jù)詞典中建立相應的變量并與0PC服務器中虛擬的PLC中對應的變量進行連接。建立的變量及OPC連接如圖5所示。

1）觸點動作動畫的實現(xiàn)。以繼電器KA1常開觸點為例，當KA1線圈得電后（Y0高電平），常開觸點KA1左移閉合。該觸點動作條件及動作過程是通過對KA1常開觸點的水平移動連接進行相應設置來實現(xiàn)的。KA1常開觸點動畫設置如圖6所示。

2）活塞連續(xù)動作動畫的實現(xiàn)。活塞的移動與觸點的動作一樣也是通過設置水平移動連接來實現(xiàn)的，但是由于活塞是做連續(xù)水平移動且運動到左右極限位置會觸發(fā)行程開關SQ1、SQ2的動作，因而需要建立一個內存整形變量M0來表示活塞當前的位置，兩個內存離散變量N0、N1來表示行程開關SQ1、SQ2的狀態(tài)?；钊苿拥谋磉_式、移動距離及對應值的設置如圖7所示。要實現(xiàn)活塞的連續(xù)移動及行程開關SQ1、SQ2狀態(tài)的相應變化，需要在應用程序命令語言窗口下進行相應程序的編寫，實現(xiàn)M0值連續(xù)變化和滿足條件后N0、N1狀態(tài)的變化。編寫的程序命令語言如圖8所示。

4 模擬仿真運行

打開GX Developer并調用梯形圖邏輯測試啟動命令下載所編梯形圖并使模擬PLC開始運行，同時打開組態(tài)王運行機床工作臺液壓系統(tǒng)繼電器控制畫面即可進行虛擬仿真實驗。圖9和圖10分別是機床工作臺液壓系統(tǒng)處于自動狀態(tài)左移運動時的仿真畫面和對應的梯形圖運行狀態(tài)監(jiān)控圖。

5 總結

利用虛擬現(xiàn)實技術、計算機信息技術開發(fā)的液壓系統(tǒng)電氣控制虛擬教學實驗系統(tǒng)具有以下特點。

1）可實現(xiàn)液壓系統(tǒng)繼電器控制從操作者操作、控制元件間的邏輯運算到被控液壓系統(tǒng)動作響應的整個控制過程的全程可視化，將隱藏在整個電氣控制系統(tǒng)硬件內部的控制信號間相互作用和傳遞的全過程直觀、形象、逼真、生動地顯示出來，改變了教學方式和方法，取得了較好的教學效果。

2）本虛擬實驗系統(tǒng)具有開放性和極好的擴展性，將舉例的機床工作臺液壓系統(tǒng)繼電器控制虛擬實驗系統(tǒng)稍作修改，就可實現(xiàn)機床工作臺液壓系統(tǒng)PLC控制虛擬實驗系統(tǒng)。以本虛擬實驗系統(tǒng)為基礎，后續(xù)可開發(fā)出其他被控系統(tǒng)（如水泵系統(tǒng)、風力機系統(tǒng)等）的電氣控制虛擬實驗項目，可滿足學校其他專業(yè)學生控制類課程的實驗教學需求。

參考文獻

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