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(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，利用該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)液壓系統(tǒng)的繼電器控制或PLC控制實(shí)驗(yàn)。以機(jī)床工作臺(tái)液壓系統(tǒng)繼電器控制為例，介紹整個(gè)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的構(gòu)成方案和詳細(xì)實(shí)現(xiàn)過程。仿真運(yùn)行和教學(xué)效果表明：該虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)從虛擬操作臺(tái)操作、繼電器觸點(diǎn)動(dòng)作和虛擬液壓系統(tǒng)動(dòng)作的實(shí)時(shí)全聯(lián)動(dòng)，能夠直觀、逼真地顯示真實(shí)液壓系統(tǒng)繼電器控制中控制信號(hào)傳遞及相互作用全過程，解決學(xué)生學(xué)習(xí)液壓系統(tǒng)微機(jī)控制專業(yè)課程中對(duì)隱藏于液壓系統(tǒng)電氣控制系統(tǒng)硬件內(nèi)部的控制信號(hào)感覺抽象、難以理解的問題。

關(guān)鍵詞 液壓系統(tǒng)；電氣控制；組態(tài)王；虛擬教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TH137 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2016）20-0043-04

1 引言

“液壓系統(tǒng)微機(jī)控制”是蘭州理工大學(xué)液壓專業(yè)學(xué)生一門重要的專業(yè)課程，目的是培養(yǎng)學(xué)生掌握液壓系統(tǒng)電氣控制的軟硬件構(gòu)成和基本工作原理，使學(xué)生具備解決液壓系統(tǒng)一般電氣控制的工程應(yīng)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(jiǎn)單邏輯控制，PLC控制由于PLC內(nèi)部為半導(dǎo)體集成電路而使其具有觸點(diǎn)無(wú)限多、控制速度快、調(diào)試修改方便等優(yōu)點(diǎn)，用于控制功能多、可靠性要求高的場(chǎng)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(xué)習(xí)的核心內(nèi)容都是控制信號(hào)在控制系統(tǒng)硬件內(nèi)部如何傳輸、相互影響和作用。這些內(nèi)容即使用真實(shí)的液壓系統(tǒng)電氣控制實(shí)驗(yàn)設(shè)備實(shí)驗(yàn)時(shí)也無(wú)法直觀看到和學(xué)到，學(xué)生在學(xué)習(xí)中對(duì)此也感覺抽象、不易理解。因此，本項(xiàng)目組設(shè)計(jì)開發(fā)液壓系統(tǒng)電氣控制虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)液壓系統(tǒng)電氣控制中控制信號(hào)的直觀可視化。

2 虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的構(gòu)成方案

本虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的構(gòu)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(gòu)成。

1）模擬PLC部分用來模擬一臺(tái)真實(shí)的PLC，進(jìn)行已編PLC程序的下載、運(yùn)行和數(shù)據(jù)輸入、運(yùn)算結(jié)果的輸出。PLC的模擬仿真是依靠計(jì)算機(jī)上安裝的三菱PLC編程軟件GX Developer、三菱PLC仿真軟件GX Simulator來實(shí)現(xiàn)的。其中，GX Developer主要提供PLC程序的圖形化編輯平臺(tái)，在GX Developer中可完成三菱全系列PLC的編程、監(jiān)控、調(diào)試和維護(hù)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(diào)用GX Simulator實(shí)現(xiàn)已編控制程序的下載和虛擬PLC的模擬運(yùn)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(yǔ)言、建立數(shù)據(jù)變量和OPC服務(wù)連接等實(shí)現(xiàn)操作者操作信號(hào)輸入、模擬PLC運(yùn)行結(jié)果的輸入及其對(duì)應(yīng)的虛擬液壓系統(tǒng)動(dòng)作響應(yīng)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(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)并提供OPC服務(wù)，實(shí)現(xiàn)模擬PLC與模擬液壓系統(tǒng)間控制信號(hào)數(shù)據(jù)的交換。

3 機(jī)床工作臺(tái)液壓系統(tǒng)繼電器控制的實(shí)現(xiàn)

仿真圖形畫面設(shè)計(jì) 根據(jù)機(jī)床工作臺(tái)的液壓系統(tǒng)工作原理以及需要的電氣控制要求和實(shí)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(yīng)的按鈕、圖片、管道、連線等，建立機(jī)床工作臺(tái)液壓系統(tǒng)繼電器控制的仿真畫面（如圖2所示）。為了能實(shí)時(shí)顯示各個(gè)繼電器、接觸器觸點(diǎn)的動(dòng)作過程，自建繼電器、接觸器觸點(diǎn)的組合圖素，通過調(diào)用組合圖素的水平移動(dòng)來模擬各觸點(diǎn)的閉合與斷開。

繼電器邏輯控制 機(jī)床工作臺(tái)液壓系統(tǒng)繼電器邏輯控制過程為：按下啟動(dòng)按鈕SB2，接觸器線圈KM1得電，與SB2并聯(lián)的KM1常開觸點(diǎn)閉合，KM1主觸點(diǎn)閉合，電機(jī)帶動(dòng)液壓泵轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng)SA1處于手動(dòng)模式時(shí)，其對(duì)應(yīng)的觸點(diǎn)斷開，按下左移按鈕SB3，繼電器KA1線圈得電，KA1的常開觸點(diǎn)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(dòng)工作臺(tái)左移，當(dāng)工作臺(tái)左移碰觸到行程開關(guān)SQ1后KA1線圈失電，YA0斷電工作臺(tái)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(dòng)工作臺(tái)右移，當(dāng)工作臺(tái)右移碰觸到行程開關(guān)SQ2后KA2線圈失電，YA1斷電工作臺(tái)停止右移；當(dāng)SA1切換到自動(dòng)模式時(shí)，工作臺(tái)自動(dòng)執(zhí)行上述左移、右移的動(dòng)作；按下停止按鈕SB1時(shí)，所有接觸器、繼電器和電磁鐵失電，工作臺(tái)停止運(yùn)動(dòng)。

考慮到用PLC梯形圖進(jìn)行邏輯控制時(shí)具有編程簡(jiǎn)單、運(yùn)行狀態(tài)直觀、調(diào)試方便等優(yōu)點(diǎn)，因此通過編寫梯形圖程序來實(shí)現(xiàn)繼電器控制元件之間的邏輯運(yùn)算關(guān)系。繼電器控制元件與PLC地址間的對(duì)應(yīng)關(guān)系見表1。在三菱編程軟件GX Developer下實(shí)現(xiàn)繼電器控制邏輯運(yùn)算關(guān)系對(duì)應(yīng)的梯形圖程序如圖3所示。

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

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

1）觸點(diǎn)動(dòng)作動(dòng)畫的實(shí)現(xiàn)。以繼電器KA1常開觸點(diǎn)為例，當(dāng)KA1線圈得電后（Y0高電平），常開觸點(diǎn)KA1左移閉合。該觸點(diǎn)動(dòng)作條件及動(dòng)作過程是通過對(duì)KA1常開觸點(diǎn)的水平移動(dòng)連接進(jìn)行相應(yīng)設(shè)置來實(shí)現(xiàn)的。KA1常開觸點(diǎn)動(dòng)畫設(shè)置如圖6所示。

2）活塞連續(xù)動(dòng)作動(dòng)畫的實(shí)現(xiàn)?；钊囊苿?dòng)與觸點(diǎn)的動(dòng)作一樣也是通過設(shè)置水平移動(dòng)連接來實(shí)現(xiàn)的，但是由于活塞是做連續(xù)水平移動(dòng)且運(yùn)動(dòng)到左右極限位置會(huì)觸發(fā)行程開關(guān)SQ1、SQ2的動(dòng)作，因而需要建立一個(gè)內(nèi)存整形變量M0來表示活塞當(dāng)前的位置，兩個(gè)內(nèi)存離散變量N0、N1來表示行程開關(guān)SQ1、SQ2的狀態(tài)?；钊苿?dòng)的表達(dá)式、移動(dòng)距離及對(duì)應(yīng)值的設(shè)置如圖7所示。要實(shí)現(xiàn)活塞的連續(xù)移動(dòng)及行程開關(guān)SQ1、SQ2狀態(tài)的相應(yīng)變化，需要在應(yīng)用程序命令語(yǔ)言窗口下進(jìn)行相應(yīng)程序的編寫，實(shí)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(yǔ)言如圖8所示。

4 模擬仿真運(yùn)行

打開GX Developer并調(diào)用梯形圖邏輯測(cè)試啟動(dòng)命令下載所編梯形圖并使模擬PLC開始運(yùn)行，同時(shí)打開組態(tài)王運(yùn)行機(jī)床工作臺(tái)液壓系統(tǒng)繼電器控制畫面即可進(jìn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)。圖9和圖10分別是機(jī)床工作臺(tái)液壓系統(tǒng)處于自動(dòng)狀態(tài)左移運(yùn)動(dòng)時(shí)的仿真畫面和對(duì)應(yīng)的梯形圖運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控圖。

5 總結(jié)

利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、計(jì)算機(jī)信息技術(shù)開發(fā)的液壓系統(tǒng)電氣控制虛擬教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)。

1）可實(shí)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(yùn)算到被控液壓系統(tǒng)動(dòng)作響應(yīng)的整個(gè)控制過程的全程可視化，將隱藏在整個(gè)電氣控制系統(tǒng)硬件內(nèi)部的控制信號(hào)間相互作用和傳遞的全過程直觀、形象、逼真、生動(dòng)地顯示出來，改變了教學(xué)方式和方法，取得了較好的教學(xué)效果。

2）本虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)具有開放性和極好的擴(kuò)展性，將舉例的機(jī)床工作臺(tái)液壓系統(tǒng)繼電器控制虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)稍作修改，就可實(shí)現(xiàn)機(jī)床工作臺(tái)液壓系統(tǒng)PLC控制虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。以本虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)為基礎(chǔ)，后續(xù)可開發(fā)出其他被控系統(tǒng)（如水泵系統(tǒng)、風(fēng)力機(jī)系統(tǒng)等）的電氣控制虛擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，可滿足學(xué)校其他專業(yè)學(xué)生控制類課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)需求。

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