基于PLCQCSB液压教学实验台控制新版系统的改造.doc

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基于PLCQCS003B液压教学试验台控制系统改造 1.前言 1.1QCS-003B液压教学试验台概况 QCS-003B液压教学试验台是上世纪80年代产品，集液压泵性能、溢流阀静态特征、节流调速性能试验于一体，是我院《液压技术》课程和《液压、气压传动及夹具设计》课程关键试验设备之一。图1为试验台外形图，图2是用新电气符号绘制对应原继电器接触器控制线路图。图3是QCS003B型液压试验台液压系统原理图。 1.2设计制作完成过程 ⑴ 搜集资料； ⑵ 了解QCS003B试验台原继电器-接触器控制系统及其试验项目，对该试验台液压系统原理图进行改善，明确被控对象并确定控制思绪； ⑶ 对三菱FX2N型号PLC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，掌握其关键编程方法； ⑷ 采取三菱PLC对试验台控制系统进行改造（包含硬件选型，绘制外部接线图，编程PLC控制程序等）； ⑸ 对液压仿真软件FluidSIM进行深入学习，并使用液压仿真软件FluidSIM对改善后试验台对应试验项目进行仿真。 1.3设计关键内容本课题包含使用PLC对试验台原继电器-接触器控制系统改造和使用仿真软件FluidSIM对改造后试验台对应试验项目进行仿真两个方面内容。 ⑴ 使用PLC对试验台原继电器-接触器控制系统改造 ① 参考原试验台使用说明书，和搜集和查阅该试验台相关资料，对试验台继电器-接触器控制系统及其试验项目进行深入了解和研究； ② 对该试验台液压系统原理图进行改善，使得试验项目由原来3个扩展为7个，并明确改善后试验台控制系统被控对象（2个液压泵电动机、7个电磁阀、2个液压缸、3个指示灯、速度缸17位移和试验压力）； ③ 对三菱FX2N型号PLC硬件结构及其编程软件GX Developer深入学习；依据⑵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点数为35点。并使用三菱编程软件GX Developer编制了PLC控制主程序。 ⑵ 使用仿真软件FluidSIM对改造后试验台对应试验项目进行仿真 ① 对液压仿真软件FluidSIM进行深入学习； ② 使用液压仿真软件FluidSIM对改善后试验台对应试验项目进行仿真。图1 QCS003B型液压试验台外形图图2 QCS003B型液压试验台原继电器接触器控制线路图图3 QCS003B型液压试验台液统原理图 1.4结论和展望 1.4.1结论 ⑴ 该试验台是上世纪80年代产品，使用国家标准要求新电气符号改画了试验台原继电器接触器控制线路电气接线图； ⑵ 在原试验台基础上，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），使得试验台试验项目由原来3个增加到7个，并画出了改善后液压系统原理图。 ⑶ 使用三菱编程软件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。 ⑷ 使用液压仿真软件FluidSIM对改善后试验台对应试验项目进行仿真，这为试验项目标可行性提供了很关键参考。 1.4.2展望该项目现在只是限于理论设计阶段，还没有将研究结果应用实践中，研究结果正确性有待于实践检验；对应液压调速回路能够考虑使用变频调速来实现，对于试验过程中压力、流量等数据采集能够使用组态软件开发监控界面来实现数据实时采集、监控和管理等。 1.4.3个人心得经过此项目标学习，使我们全方面了解PLC控制系统设计全过程。更关键是把我们大学里所学理论知识利用到实践当中，并和实际相结合。此项目在指导老师帮助下经过各组员共同讨论、学习、调研，过程中即使碰到了种种困难但最终很好完成了全部任务。不过，本系统作为一个实践性系统仍然在理论设计阶段，因为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，期望在以后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，让所学习只是和实践紧密结合起来！ 2．QCS-003B液压教学试验台改造 2.1 QCS-003B液压教学试验台原液压系统改善 QCS003B型液压试验台仅能进行3个试验项目，并伴随设备老化和液压元件损坏，部分液压元件性能落后已不能满足试验要求，更不能满足液压新技术发展需求。为此，为了适应液压技术发展需求和实践教学步骤需要，现对QCS-003液压试验台采取PLC进行了改造（经过改善后，试验项目能够由原来3个扩展到7个）。图4是改善后QCS003B型液压试验台液压系统原理图。在新液压系统原理图中，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）。另外为了我提升测试精度和测试效率。用压力传感器和速度传感器对试验压力和液压缸速度进行测试，使用4路模拟量输入特殊模块采集压力信号和速度信号并经过总线电缆FX2N-4AD和PLC进行数据交换。液压系统功效和每项试验工作原理如表1所表示。在何进行一个试验时，按下对应试验选择按钮，对应电磁阀就会分别通断电动作，同时，调整相关控制阀，并观察液体压力表、流量计改变及两油缸动作情况，即可完成不一样试验（表1中“+”表示电磁铁通电。）。图4 改善后 QCS003B型液压试验台液压系统原理图表1电磁阀通断电状态动作表试验名称试验内容 YA3 （左） YA3 (右) YA12（左） YA12 (右) YA 11 YA 15 YA 16 YA 24 YA 25 转换指令试验一液压泵性能试验试验二节流调速性能试验试验三　溢流阀静态性能试验试验四　液压泵8卸荷试验试验五　速度液压缸17快速运动回路试验试验六　速度液压缸17和加载缸18次序动作回路试验试验七　组合机床液压系统仿真试验测试液压泵性能油缸18加载油缸17进油缸17退、油缸18进油缸17停退油缸18停测试溢流阀静态性能液压泵8卸荷油缸17差动快进油缸17工进油缸17快退油缸17停油缸17差动进油缸17停、油缸18进油缸18停、油缸17退油缸17停、油缸18退油缸18停油缸18加载油缸18停、油缸17快进油缸17工进油缸17短时停留油缸17快退油缸17停、油缸18退油缸18停＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋ SB1 SB2 SQ4 SQ3 SQ1 SQ5 SB3 SB4 SB5 SQ2 SQ3 SQ1 SB6 SQ2 SQ4 SQ1 SQ5 SB7 SQ4 SQ2 SQ3 SQ3 SQ1 SQ5 2.2 基于PLCQCS-003B液压教学试验台原控制系统硬件选型因为试验项目增加以后系统控制要求较为复杂，对系统安全性、可靠性要求较高，并要求时间测试和显示，所以选择PLC做为系统控制关键，也便于试验台深入升级设计。依据存放容量、运行速度、被控对象点数（该控制系统输入点数为21点，输出点数为17点，总I/O点数为38点。），同时还要留有10％～15％I/O点数余量、扩展能力和计时器和计数器数量等指标。最终选择三菱FX2N系列PLC FX2N-48MR（AC电源，DC输入型），该控制器含有24点输入和24点输出。对应试验压力和液压缸运动速度分别采取压力传感器和速度传感器，选择4路模拟量输入特殊模块采集压力信号和速度信号并经过扩展总线FX2N-4AD（其内部有32个16位缓冲寄存器(BMF)，用于和主机交换数据。FX2n-4AD占用FX2n扩展总线8个点）和PLC进行数据交换。PLC接线图图5。 2.3基于PLCQCS-003B液压教学试验台控制系统软件编制使用三菱PLC编程软件GX Developer编制QCS-003B液压教学试验台控制系统程序。控制主程序图6所表示。图6 PLC控制主程序 3. 使用FluidSIM软件对改善后QCS003B型液压试验台液压回路试验进行仿真 FluidSIM是现在较为流行经典气动控制仿真软件，它将CAD功效和仿真功效紧密结合在一起，可对基于元件物理模型回路图进行实际仿真，包含FluidSIM-P和FluidSIM-H两部分。充足应用FluidSIM-H强大仿真功效对QCS003B型液压试验台7个液压回路试验进行相关仿真。图5 PLC外部接线图 3.1 使用FluidSIM软件对液压泵性能试验（试验一）进行仿真使用FluidSIM软件，在FluidSIM-H环境中搭接液压泵特征试验仿真液压回路。图7所表示。图7关闭节流阀10时液压泵特征试验油路仿真画面说明：电缆和液压管路颜色颜色含义深蓝色气压管路：压力大于或等于最大压力50％淡蓝色气压管路：压力小于最大压力50％淡红色电缆：有电流流动试验步骤： 1、将电磁阀12控制旋钮置于“0”位，使电磁阀12处于中位，电磁阀11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、逐步开大节流阀10通流截面，使系统压力P降至泵额定压力6.178 MPa，观察被试泵压力脉动值（做两次）。 4、全部打开节流阀10，使被试泵压力为零（或靠近零），测出此时流量，此即为空载流量。再逐步关小节流阀10通流截面，作为泵不一样负载，对应测出压力p、流量q和电动机输入功率N表。注意，节流阀每次调整后，须运转一、两分钟后，再测相关数据。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番量计指针旋转一周所需时间，依据公式求出流量q；电动机输入功率N表—从功率表19上直接读数（电动机效率曲线由试验室给出）；图8节流阀10打开10％时液压泵特征试验油路仿真画面 3.2 使用FluidSIM软件对节流调速性能试验（试验二）进行仿真图4为QCS003B型液压试验台节流调速回路性能试验液压系统原理图。该液压系统由两个回路组成。图4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，因为加载液压缸活塞杆和调速回路液压缸17（以后简称工作液压缸）活塞杆将处于同心位置直接对顶，而且它们缸筒全部固定在工作台上，所以工作液压缸活塞杆受到一个向左作用力（负载FL），调整溢流阀9能够改变FL大小。在调速回路中，工作液压缸17活塞杆工作速度V和节流阀通流面积a、溢流阀调定压力P1（泵1供油压力）及负载FL相关。而在一次工作过程中，a和P1全部预先调定不再改变，此时活塞杆运动速度V只和负载FL相关。V和FL之间关系，称为节流调速回路速度负载特征。a和P1确定以后，改变负载FL大小，同时测出对应工作液压缸活塞杆速度V，就可测得一条速度负载特征曲线。 3.2.1 采取节流阀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征试验仿真液压回路。图9所表示。图9 节流阀5打开50％时进油路节流调速试验油路仿真画面图10 节流阀5打开90％时进油路节流调速试验油路仿真画面 3.2.2 采取节流阀回油路节流调速回路图11 节流阀6打开40％时回油路节流调速试验油路仿真画面图12 节流阀6打开90％时回油路节流调速试验油路仿真画面 3.2.3 采取节流阀旁油路节流调速回路图13 节流阀7打开40％时旁油路节流调速试验油路仿真画面图14 节流阀7打开80％时旁油路节流调速试验油路仿真画面 3.2.4 采取调速阀进油路节流调速回路图15 调速阀8流量为1L/m时旁油路节流调速试验油路仿真画面图16 调速阀8流量为6L/m时旁油路节流调速试验油路仿真画面 3.3 使用FluidSIM软件对溢流阀静态性能试验（试验三）进行仿真使用FluidSIM软件，在FluidSIM-H环境中搭接液压泵特征试验仿真液压回路。图17所表示。 18 图17　溢流阀静态性能试验液压系统原理图试验内容 1．调压范围及压力稳定性 1）逐步打开溢流阀14调压手柄，经过压力表p12—2，观察压力下降情况，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，观察压力改变情况，读出调压范围最大值。反复试验不是少于3次。 2）调整被压阀14，在调压范围取5个压力值，（其中包含调压范围最高值63kgf/ cm2），每次用压力表p12—2分别测量各压力下压力振摆值，并指出最大压力振摆值。 3）调整被试阀14至调压范围最高值63kgf/cm2，压力表p12—2，测量一分钟内压力偏移值。 2．卸荷压力和压力损失 1）卸荷压力将被试阀14压力调至调压范围最高值（63kgf/ cm2），此时流过阀溢流量为试验流量。然后将二位二通电磁换向阀16通电，被试阀额卸荷口（远程控制口）即通油箱。用压力表p12—2测量压力值，即为卸荷压力。注意：当被试阀压力调好以后应将p12—2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，这么能够保护压力表不被打坏。 2）压力损失在试验流量下，调整被压阀14调压手轮至全开位置，用压力表p12—2，测量压力值。 3．起闭特征关闭溢流阀11，调整被试阀14至调压范围最高值63kgf/ cm2，并锁紧其调整手柄，使经过被试阀14流量为试验流量。 1）闭合特征慢慢松开溢流阀11手柄，使系统压力分10档逐步降低，每次统计过被试阀14流量，直到被试阀14溢流量降低到额定流量1%（小流量时用量杯测量）。此时压力为闭合压力（由压力表p12—2读出）。继续松开溢流阀11手柄，直到全部流量从溢流阀11流走。 2）开启特征反向拧紧溢流阀11手柄，从被试阀14不溢流开始，使系统压力逐步升高，当被试阀14溢流量达成试验流量1%时，此时压力为开启压力，再继续拧紧溢流阀11手柄，分10档逐步升压，一直升到被试阀14调压范围最高值 63kgf/ cm2。记下每次对应压力和流量。注意：为了降低测量误差，启闭特征试验中溢流阀11调压手柄应一直向响应方向旋转。图18 溢流阀11压力为6.86MPa时溢流阀静态性能试验仿真画面图19 溢流阀14压力为6.2MPa时溢流阀静态性能试验仿真画面图20 溢流阀11关闭后溢流阀静态性能试验仿真画面 3.4 使用FluidSIM软件对液压泵8卸荷试验（试验四）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全部通电，液压泵出口经过溢流阀14远程控制口k和二位二通电磁阀15回油箱。液压泵8卸荷。因为FluidSIM软件中没有带远程控制口k溢流阀，所以无法仿真。 3.5 使用FluidSIM软件对速度液压缸17差动快速运动回路试验（试验五）进行仿真使用FluidSIM软件，在FluidSIM-H环境中搭接液压泵特征试验仿真液压回路。图21所表示。图21速度液压缸17快进时仿真画面图22速度液压缸17工进时仿真画面图23速度液压缸17快退时仿真画面图24速度液压缸17停止时画面 3.6 使用FluidSIM软件对速度液压缸17和加载缸18次序动作回路试验（试验六）进行仿真使用FluidSIM软件，在FluidSIM-H环境中搭接液压泵特征试验仿真液压回路及其电气回路。图25所表示。图25 速度液压缸17和加载缸18次序动作回路试验液压回路及其电气回路图26速度液压缸17退时液压回路及其电气回路仿真画面 3.7 使用FluidSIM软件对组合机床液压系统仿真试验（试验七）进行仿真使用FluidSIM软件，在FluidSIM-H环境中搭接液压泵特征试验仿真液压回路及其电气回路。图27所表示。图27组合机床液压系统仿真试验液压回路及其电气回路图28组合机床液压系统仿真试验速度缸17快退时液压回路及其电气回路仿真画面 4.参考文件 [1] 秦川机床厂.QCS003B液压试验台使用说明书[M]. 1988，1～12． 5.谢辞在这次创新项目设计过程中，经过各位老师和同学指导和帮助，不仅使我在知识水平和实际问题处理上有了很大提升。同时指导老师严谨治学态度，扎实工作作风，为人师表风范全部将使我终生受益，让我能在立即毕业踏上工作岗位之际学到不少对待工作态度和对人态度，这些全部将为我以后人生带来莫大帮助。

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