基于PLC 的液壓健身器阻力控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

曹文權(quán) 陳東明 趙廣平 李國(guó)柱

0 引言

隨著社會(huì)的快速發(fā)展，健身越來(lái)越成為人們?nèi)粘Ｉ钪胁豢苫蛉钡囊徊糠帧．?dāng)前所使用的健身器材仍然停留在通過(guò)手動(dòng)增加砝碼提高健身強(qiáng)度的階段，由于砝碼質(zhì)量固定，此種方式很難根據(jù)訓(xùn)練者的自身特點(diǎn)進(jìn)行調(diào)節(jié)，影響健身效果?？烧{(diào)液壓阻尼作為健身器材的負(fù)荷裝置，沒有回彈和撞擊，安全可靠、使用簡(jiǎn)便，使得負(fù)荷的無(wú)極調(diào)整成為可能，但目前多采用手動(dòng)調(diào)節(jié)。本文在液壓阻尼系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，提出利用PLC 進(jìn)行電控調(diào)節(jié)，可以使器材的負(fù)載力得到平穩(wěn)快速的控制，從而提高健身的效果。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理

健身器液壓阻尼系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖如圖1 所示。整個(gè)系統(tǒng)主要由油箱、液壓油缸、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥組成，液壓油缸固定不動(dòng)，油缸兩側(cè)腔體用兩根油管與油箱連接。用戶通過(guò)推拉油缸上的活塞桿來(lái)進(jìn)行健身，油管上安裝有電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，通過(guò)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)閥門開度，改變液體流速，從而在活塞桿上產(chǎn)生所需阻尼力。通過(guò)測(cè)量油缸兩側(cè)腔體的壓差來(lái)檢測(cè)阻尼力的大小，油缸兩側(cè)的壓力分別通過(guò)壓力變送器A 和壓力變送器B 來(lái)進(jìn)行測(cè)量。

圖1 液壓阻尼系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖

當(dāng)用戶拉動(dòng)液壓油缸活塞桿向左運(yùn)動(dòng)時(shí)，電動(dòng)調(diào)節(jié)閥開度減小，系統(tǒng)液阻增大，活塞桿上受到的反向阻力增大，該阻力的大小F 如下式：

其中，PA為液壓油缸左側(cè)腔壓力，PB為液壓油缸右側(cè)腔壓力，A 為油缸活塞有效面積。

當(dāng)用戶推動(dòng)液壓油缸活塞桿向右運(yùn)動(dòng)時(shí)，電動(dòng)調(diào)節(jié)閥全開，減小系統(tǒng)液阻，此時(shí)用戶可以輕松將活塞桿推至右側(cè)，為下一次拉伸做好準(zhǔn)備。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)以西門子公司的LOGO! 8.2 系列PLC 為控制器，主機(jī)模塊采用LOGO!24RCE，模擬量輸入模塊采用LOGO! AM2，模擬量輸出模塊采用LOGO! AM2 AQ。LOGO!8.2 系列PLC 是西門子推出的一款小型智能邏輯控制器，具有小巧靈活、編程便捷、功能豐富及性能可靠等優(yōu)點(diǎn)。此外，LOGO! 8.2 主機(jī)模塊集成了Web Server 功能，可以輕松實(shí)現(xiàn)通過(guò)手機(jī)、電腦等移動(dòng)設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控LOGO! 運(yùn)行數(shù)據(jù)。

圖2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

圖2 給出了控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成。24 V 開關(guān)電源為系統(tǒng)各模塊提供所需電源。兩個(gè)壓力變送器型號(hào)為SIN-P300，將壓力轉(zhuǎn)換為4～20 mA 電流信號(hào)送入模擬量輸入模塊。電動(dòng)調(diào)節(jié)閥接收來(lái)自模擬量輸出模塊的4～20 mA 電流信號(hào)，以此來(lái)調(diào)整自身開度。觸摸屏選用昆侖通態(tài)TPC7062KX，通過(guò)網(wǎng)線與主機(jī)模塊LOGO!24RCE 連接，以PLC 作為服務(wù)器端，觸摸屏作為客戶端，將IP 地址配置在同一子網(wǎng)下。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)通過(guò)兩個(gè)壓力變送器采集液壓油缸兩側(cè)的壓力值PA和PB，當(dāng)PA＜PB時(shí)，說(shuō)明此時(shí)用戶在將活塞桿推回，此時(shí)將電動(dòng)調(diào)節(jié)閥全開；當(dāng)PA≥PB時(shí)，認(rèn)為此時(shí)用戶正在做活塞桿向外拉伸的動(dòng)作，此時(shí)需要增加健身器負(fù)荷，通過(guò)調(diào)節(jié)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥加入阻力控制。液壓健身器阻力控制采用PI 控制規(guī)律，控制系統(tǒng)的LOGO! 功能框圖如圖3 所示。

圖3 控制系統(tǒng)LOGO!功能框圖

圖中B005 為PI 控制器，AI1 和AI2 分別是兩個(gè)壓力變送器的測(cè)量值，模擬量比較器B002 將兩個(gè)壓力變送器檢測(cè)到的壓力值做差，結(jié)果作為PI 控制器的反饋值送入B005。AI3 為用戶設(shè)定的阻尼壓力值，通過(guò)觸摸屏進(jìn)行設(shè)定后通過(guò)網(wǎng)絡(luò)通信傳入PLC 中。PI 控制器將用戶設(shè)定的壓力值與反饋值進(jìn)行比較并實(shí)施PI 控制，產(chǎn)生的控制量送入AQ2，控制電動(dòng)調(diào)節(jié)閥執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作。AQ1 將系統(tǒng)獲得的壓力值傳到觸摸屏上進(jìn)行顯示。對(duì)PI 控制器參數(shù)進(jìn)行反復(fù)調(diào)試后，控制系統(tǒng)能夠根據(jù)設(shè)定值動(dòng)態(tài)調(diào)整閥門開度，使健身負(fù)荷能夠滿足用戶的需求。

4 結(jié)論

本文根據(jù)健身器的液壓阻尼系統(tǒng)的工作原理和控制要求，設(shè)計(jì)了基于LOGO! 8.2 系列PLC 的健身器液壓阻力控制系統(tǒng)，通過(guò)控制電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的開度，對(duì)液壓油缸兩端的液體壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)，利用觸摸屏實(shí)現(xiàn)了阻力設(shè)定和實(shí)際測(cè)量值的顯示。液壓阻尼健身器結(jié)構(gòu)緊湊、柔性非回彈性，通過(guò)增加控制系統(tǒng)使得其負(fù)載能夠根據(jù)用戶的需要進(jìn)行連續(xù)和實(shí)時(shí)的變化，使之具有更好的市場(chǎng)前景和商業(yè)價(jià)值。