液壓系統電氣控制虛擬實驗系統的開發

岳大靈+魏列江+劉增光+趙君+黃昭雪

摘 要 基于組態王和三菱PLC軟件，開發一套液壓系統電氣控制可視化虛擬教學實驗系統，利用該系統可實現液壓系統的繼電器控制或PLC控制實驗。以機床工作臺液壓系統繼電器控制為例，介紹整個虛擬實驗系統的構成方案和詳細實現過程。仿真運行和教學效果表明：該虛擬實驗系統可實現從虛擬操作臺操作、繼電器觸點動作和虛擬液壓系統動作的實時全聯動，能夠直觀、逼真地顯示真實液壓系統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微機控制專業課程中對隱藏于液壓系統電氣控制系統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；電氣控制；組態王；虛擬教學實驗系統

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

“液壓系統微機控制”是蘭州理工大學液壓專業學生一門重要的專業課程，目的是培養學生掌握液壓系統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一般電氣控制的工程應用能力。目前液壓系統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、調試修改方便等優點，用于控制功能多、可靠性要求高的場合[1]??。

液壓系統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，本項目組設計開發液壓系統電氣控制虛擬實驗系統，實現液壓系統電氣控制中控制信號的直觀可視化。

2 虛擬實驗系統的構成方案

本虛擬實驗系統的構成方案如圖1所示，主要由模擬PLC、數據接口和模擬液壓系統三部分構成。

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、運行和數據輸入、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）模擬液壓系統部分是依靠在組態軟件組態王中通過新建液壓系統電氣控制畫面、編寫命令語言、建立數據變量和OPC服務連接等實現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動作響應過程的模擬。

3）數據接口部分是依靠在三菱MX OPC Server軟件中建立模擬PLC對應的數據庫并提供OPC服務，實現模擬PLC與模擬液壓系統間控制信號數據的交換。

3 機床工作臺液壓系統繼電器控制的實現

仿真圖形畫面設計 根據機床工作臺的液壓系統工作原理以及需要的電氣控制要求和實際電氣控制系統的接線圖，在組態王軟件的畫面開發系統中插入相應的按鈕、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、運行狀態直觀、調試方便等優點，因此通過編寫梯形圖程序來實現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。

建立數據接口數據庫 在MX OPC Configurator中建立虛擬實驗系統通信數據庫，并激活數據庫來連接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中建立數據庫及輸入、輸出變量的定義，如圖4所示。

模擬動作過程的動畫實現 首先在組態王軟件的OPC服務器中選擇由MX OPC Server提供的Mitsubishi.MXOPC.4服務器；其次在組態王軟件數據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。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的。KA1常開觸點動畫設置如圖6所示。

2）活塞連續動作動畫的實現。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的，但是由于活塞是做連續水平移動且運動到左右極限位置會觸發行程開關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。活塞移動的表達式、移動距離及對應值的設置如圖7所示。要實現活塞的連續移動及行程開關SQ1、SQ2狀態的相應變化，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M0值連續變化和滿足條件后N0、N1狀態的變化。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，同時打開組態王運行機床工作臺液壓系統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處于自動狀態左移運動時的仿真畫面和對應的梯形圖運行狀態監控圖。

5 總結

利用虛擬現實技術、計算機信息技術開發的液壓系統電氣控制虛擬教學實驗系統具有以下特點。

1）可實現液壓系統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繼電器控制虛擬實驗系統稍作修改，就可實現機床工作臺液壓系統PLC控制虛擬實驗系統。以本虛擬實驗系統為基礎，后續可開發出其他被控系統（如水泵系統、風力機系統等）的電氣控制虛擬實驗項目，可滿足學校其他專業學生控制類課程的實驗教學需求。

參考文獻

[1]魏列江.液壓系統微機控制[M].北京：電子工業出版社，2014.

[2]葉力.基于GX與MCGS的全虛擬PLC控制系統研究[J].中國現代教育裝備，2007（12）：39-41.

[3]高麗萍，鄭萍.基于MCGS的PLC虛擬控制系統研究[J].西華大學學報：自然科學版，2006，25（1）：94-96.

[4]王海濤，鄭萍.基于易控組態軟件全虛擬PLC的實現及應用[J].微計算機信息，2010，26（25）：83-85.

[5]陳海生.全虛擬PLC遠程試驗系統的研究與實現[J].自動化儀表，2013，34（3）：28-30.

[6]任豐蘭.基于組態王和PLC的虛擬仿真教學實驗系統的開發[J].機電工程技術，2012（3）：43-47.