基于PLCQCS003B液压教学实验台控制系统的改造(实验报告仿宋)1

基于PLC的QCS003B液压教学实验台控制系统的改造1.前言1.1QCS-003B液压教学实验台的概况QCS-003B液压教学实验台是上世纪80年代的产品，集液压泵性能、溢流阀静态特性、节流调速性能实验于一体，是我院《液压技术》课程和《液压、气压传动及夹具设计》课程的主要实验设备之一。

图1为实验台的外形图，图2是用新的电气符号绘制的对应的原继电器接触器控制线路图。

图3是QCS003B型液压实验台的液压系统原理图。

1.2设计制作完成的过程⑴收集资料；⑵了解QCS003B实验台的原继电器-接触器控制系统及其实验项目，对该实验台的液压系统原理图进行改进，明确被控对象并确定控制思路；⑶对三菱FX2N型号的PLC的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，掌握其主要编程方法；⑷采用三菱PLC对实验台的控制系统进行改造（包括硬件选型，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对改进后的实验台的相应实验项目进行仿真。

1.3设计的主要内容本课题包括使用PLC对实验台原继电器-接触器控制系统的改造和使用仿真软件FluidSIM对改造后的实验台的相应实验项目进行仿真两个方面的内容。

⑴使用PLC对实验台原继电器-接触器控制系统的改造①参考原实验台的使用说明书，以及搜集和查阅该实验台的相关资料，对实验台的继电器-接触器控制系统及其实验项目进行深入的了解和研究；②对该实验台的液压系统原理图进行改进，使得实验项目由原来的3个扩展为7个，并明确改进后实验台控制系统的被控对象（2个液压泵的电动机、7个电磁阀、2个液压缸、3个指示灯、速度缸17的位移和实验压力）；③对三菱FX2N型号的PLC的硬件结构及其编程软件GX Developer深入学习；根据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的点数为35点。

并使用三菱的编程软件GX Developer编制了PLC控制主程序。

⑵使用仿真软件FluidSIM对改造后的实验台的相应实验项目进行仿真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对改进后的实验台的相应实验项目进行仿真。

图1 QCS003B型液压实验台的外形图图2 QCS003B型液压实验台原继电器接触器控制线路图图3 QCS003B型液压实验台的液统原理图1.4结论和展望1.4.1结论⑴该实验台是上世纪80年代的产品，使用国家标准规定的新电气符号改画了实验台原继电器接触器控制线路的电气接线图；⑵在原实验台的基础上，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），使得实验台的实验项目由原来的3个增加到7个，并画出了改进后的的液压系统原理图。

⑶使用三菱的编程软件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对改进后的实验台的相应实验项目进行仿真，这为实验项目的可行性提供了很重要的参考。

1.4.2展望该项目目前只是限于理论设计阶段，还没有将研究的成果应用实践中，研究成果的正确性有待于实践的检验；对应液压调速回路可以考虑使用变频调速来实现，对于实验过程中压力、流量等数据的采集可以使用组态软件开发监控界面来实现数据的实时采集、监控和管理等。

1.4.3个人心得通过此项目的学习，使我们全面的了解PLC控制系统设计的全过程。

更重要的是把我们大学里所学的理论知识运用到实践当中，并与实际相结合。

此项目在指导老师的帮助下经过各组员共同讨论、学习、调研，过程中虽然遇到了种种困难但最终较好的完成了全部任务。

但是，本系统作为一个实践性的系统依然在理论设计阶段，由于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，希望在以后的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，让所学习的只是与实践紧密的结合起来！2．QCS-003B液压教学实验台的改造2.1 QCS-003B液压教学实验台原液压系统的改进QCS003B型液压实验台仅能进行3个实验项目，并随着设备的老化和液压元件的损坏，部分液压元件的性能落后已不能满足实验要求，更不能满足液压新技术发展的需求。

为此，为了适应液压技术发展的需求和实践教学环节的需要，现对QCS-003液压实验台采用PLC 进行了改造（经过改进后，实验的项目可以由原来的3个扩展到7个）。

图4是改进后的QCS003B型液压实验台的液压系统原理图。

在新的液压系统原理图中，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）。

另外为了我提高测试精度和测试效率。

用压力传感器和速度传感器对实验压力和液压缸的速度进行测试，使用4路模拟量输入的特殊模块采集压力信号和速度信号并通过总线电缆FX2N-4AD与PLC进行数据交换。

液压系统功能和每项实验的工作原理如表1所示。

在何进行一个实验时，按下相应的实验选择按钮，相应的电磁阀就会分别通断电动作，同时，调节有关控制阀，并观察液体压力表、流量计的变化及两油缸的动作情况，即可完成不同的实验（表1中“+”表示电磁铁通电。

）。

图4 改进后的 QCS003B型液压实验台的液压系统原理图表1电磁阀通断电状态动作表2.2 基于PLC的QCS-003B液压教学实验台原控制系统的硬件选型由于实验项目增加以后系统控制要求较为复杂，对系统的安全性、可靠性要求较高，并要求时间的测试和显示，因此选用PLC做为系统的控制核心，也便于实验台的进一步升级设计。

根据存储容量、运行速度、被控对象的点数（该控制系统的输入点数为21点，输出点数为17点，总的I/O点数为38点。

），同时还要留有10％～15％的I/O点数的余量、扩展能力以及计时器和计数器的数量等指标。

最终选用三菱FX2N系列的PLC FX2N-48MR（AC电源，DC输入型），该控制器具有24点输入和24点输出。

对应实验压力和液压缸的运动速度分别采用压力传感器和速度传感器，选用4路模拟量输入的特殊模块采集压力信号和速度信号并通过扩展总线FX2N-4AD（其内部有32个16位的缓冲寄存器(BMF)，用于与主机交换数据。

FX2n-4AD占用FX2n扩展总线的8个点）与PLC进行数据交换。

PLC的接线图如图5。

2.3基于PLC的QCS-003B液压教学实验台控制系统的软件编制使用三菱PLC编程软件GX Developer编制QCS-003B液压教学实验台控制系统的程序。

控制主程序如图6所示。

6 PLC控制主程序3. 使用FluidSIM软件对改进后的QCS003B型液压实验台的液压回路实验进行仿真FluidSIM是目前较为流行的典型气动控制仿真软件，它将CAD功能与仿真功能紧密结合在一起，可对基于元件物理模型的回路图进行实际仿真，包括FluidSIM-P和FluidSIM-H 两部分。

充分应用FluidSIM-H强大的仿真功能对QCS003B型液压实验台的7个液压回路实验进行相关仿真。

图5 PLC外部接线图3.1 使用FluidSIM软件对液压泵的性能实验（实验一）进行仿真使用FluidSIM软件，在FluidSIM-H环境中搭接液压泵特性实验仿真的液压回路。

如图7所示。

图7关闭节流阀10时液压泵的特性实验油路的仿真画面说明：电缆和液压管路的颜色实验步骤：1、将电磁阀12的控制旋钮置于“0”位，使电磁阀12处于中位，电磁阀11的控制旋钮置于“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，排除系统内的空气。

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、逐渐开大节流阀10的通流截面，使系统压力P降至泵的额定压力6.178 MPa，观测被试泵的压力脉动值（做两次）。

4、全部打开节流阀10，使被试泵的压力为零（或接近零），测出此时的流量，此即为空载流量。

再逐渐关小节流阀10的通流截面，作为泵的不同负载，对应测出压力p、流量q和电动机的输入功率N表。

注意，节流阀每次调节后，须运转一、两分钟后，再测有关数据。

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流量计指针旋转一周所需时间，根据公式t Vq ∆=求出流量q ；电动机的输入功率N 表—从功率表19上直接读数（电动机效率曲线由实验室给出）；图8节流阀10打开10％时液压泵的特性实验油路的仿真画面3.2 使用FluidSIM 软件对节流调速性能实验（实验二）进行仿真图4为QCS003B 型液压实验台节流调速回路性能实验的液压系统原理图。

该液压系统由两个回路组成。

图4的左半部是调速回路，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，由于加载液压缸活塞杆与调速回路液压缸17（以后简称工作液压缸）的活塞杆将处于同心位置直接对顶，而且它们的缸筒都固定在工作台上，因此工作液压缸的活塞杆受到一个向左的作用力（负载FL ），调节溢流阀9可以改变FL 的大小。

在调速回路中，工作液压缸17的活塞杆的工作速度V 与节流阀的通流面积a 、溢流阀调定压力P1（泵1的供油压力）及负载FL 有关。

而在一次工作过程中，a 和P1都预先调定不再变化，此时活塞杆运动速度V 只与负载FL 有关。

V 与FL 之间的关系，称为节流调速回路的速度负载特性。

a 和P1确定之后，改变负载FL 的大小，同时测出相应的工作液压缸活塞杆速度V ，就可测得一条速度负载特性曲线。

3.2.1 采用节流阀的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性实验仿真的液压回路。

如图9所示。

图9 节流阀5打开50％时进油路节流调速实验油路的仿真画面3.2.2 采用节流阀的回油路节流调速回路图11 节流阀6打开40％时回油路节流调速实验油路的仿真画面3.2.3 采用节流阀的旁油路节流调速回路图13 节流阀7打开40％时旁油路节流调速实验油路的仿真画面3.2.4 采用调速阀的进油路节流调速回路图15 调速阀8流量为1L/m时旁油路节流调速实验油路的仿真画面图16 调速阀8流量为6L/m时旁油路节流调速实验油路的仿真画面3.3 使用FluidSIM软件对溢流阀静态性能实验（实验三）进行仿真使用FluidSIM软件，在FluidSIM-H环境中搭接液压泵特性实验仿真的液压回路。

如图17所示。

18图17 溢流阀静态性能实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的调压手柄，通过压力表p12—2，观察压力下降的情况，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。