西门子6ES7321-1BH10-0AA0接线方式

针对机电液综合控制系统开发对实验台的要求，本文提出了基于组态软件和PLC的机电液综合控制实验台总体方案。首先依据 PLC 的机电液综合控制系统的基本原理，采用模块化的设计思想构建实验台的硬件平台;然后依据实验要求构建机电液综合控制系统，采用组态软件实现机电液综合控制系统进行组态监控和实验数据采集;后根据采集到的实验数据，利用Matlab软件分析机电液综合控制系统性能。实践表明，该机电液综合控制实验台模块齐备，能够组建中等复杂的机电液综合控制系统，且实验数据采集方便，可对系统运行进行实时监控，既能可用于机电液综合控制实验教学，又能用于工矿企业机电液综合控制系统开发。 

　　　　引言

　　以水作为工作介质的液压传动早出现于 17 世纪末。直到 19 世纪末，矿油基液压油逐渐取代了水。随着电气自动控制技术、传感器技术应用于液压传动系统，逐渐形成机电液一体化系统，这种系统既具有液压传动系统功率重量比大，体积小，频响高，压力、流量可控性好，可柔性传送动力，易实现直线运动等优点，又有解决液压系统高精度定位控制、速度控制、自适应控制、自诊断、校正、补偿、再现、检索等自动控制要求，大大提高液压系统的系能。机电液综合控制实验台为实验教学及系统开发提供了一个良好的研发平台，因此实验台的开发必须考虑机电液综合控制系统的基本特点。目前使用较多的机电液综合实验台，均只考虑了机电液系统动作过程的验证，而忽略了一个重要的内容———系统性能的验证与分析。同时随着组态监控技术的发展，机电液综合控制系统组态监控对实验系统的可靠运行也是非常重要的。

　　基于以上考虑，本文提出了基于组态软件和 PLC 的机电液综合控制实验台方案，依据 PLC 机电液综合控制系统的基本结构，采用模块化的设计思想提出了实验台的硬件设计方案，然后利用组态软件进行组态监控和实验数据采集，后通过 M atlab 软件实现液压系统分析。

　　1 机电液综合控制系统基本原理及实验台设计总体方案

　　机电液综合控制系统一般由动力系统、机械本体、执行机构、检测部分、控制和信号处理单元以及驱动部分组成。动力系统在控制信息作用下，提供动力，驱动各执行机构完成各种动作和功能，主要是指电动机;机械本体一般包括液压传动和机械结构(即壳体、机身、支座等支撑结构);执行机构电动执行机构液压执行机构及其配套的机械部分;检测部分包括各种传感器和位置开关;控制和信号处理单元是机电液一体化系统的核心部分，一般由工控机、单片机、各种控制器和可编程序控制器(PLC)、数控装置以及逻辑电路、A/D(模 /数)与 D/A(数 /模)转换、I/O(输入 /输出)接口和计算机外部设备等组成;驱动部分实现信号的交换、放大和传递，是连接弱电设备和强电设备的纽带。如图 1 所示的基于 PLC 机电液综合控制系统基本原理图可知，基于 PLC 机电液综合控制系统主要包括 PLC 控制器、动力系统、机械、液压传动系统、执行机构、模拟量和开关量传感器、驱动装置及输入电路、电源(图中未示出)等部分，其核心是 PLC 控制器。

　　综合分析可得如图 2 所示的基于 PLC 和组态软件的机电液综合控制实验台总体设计方案：首先依据机械和电气元件在机电液综合控制系统的作用，采用模块化的设计思想，建立构成实验台的功能模块;然后根据实验要求，选择合适的功能模块构成相应机电液综合控制系统，利用 PLC 提供模拟量输入通道实现数据采集，并通过组态软件实现机电液综合控制系统组态监控，利用 M atlab实现机电液系统性能分析.

　　2机电液综合控制实验台硬件设计

　　由机电液综合控制实验台设计总体方案可知，实验台由工作台和各种功能模块构成。如图 3 所示的根据机电液综合控制系统的组成及工作原理，可将其分为电气控制和机械液压两部分组成。电气控制主要包括 PLC 、开关电路、电源、按钮开关、驱动、信号显示等模块。机液压部分主要包括液压模块、机电传动模块以及安装在系统中的各种传感器。

　　2.1 电气控制部分设计

　　电气控制的核心是 PLC 控制及数据采集。而要构建一个完成 PLC 控制系统，除了需要 PLC 模块之外，还需要输入电器(按钮开关模块)、输出模块(驱动模块、信号显示模块)以及电源模块等模块，各模块之间的关系如图 3所示。为了利用 PLC 获得传感器采集到的模拟信号，PLC必须提供的足够数量模拟量输入通道。电气控制模块的设计要点是：1)对电源模块设计，考虑到电源分为控制电源和动力电源，因此必须将控制电源模块和动力电源模块分开，并且提供常用规格的电源输出;2)各模块在工作台上的位置关系参考图 2 所示的逻辑关系合理布置，方便接线。3)液压泵站主电路固定，只向用户提供控制端口，用户可根据系统的要求来控制液压泵电动机。4)PLC模块、输入模块和输出模块之间开始没有任何连线，在实验时，用户应根据液压系统的控制系统要求自行连线;5)PLC 只能处理数字信号，凡遇到模拟量的地方，都必须进行模数转换(A/D ))和数模转换(D/A )，目前的 PLC 都提供有模拟量输入、输出通道[2]。为采集传感器输出信号，选用的PLC 必须有足够数量模拟量输入通道。

　　2.2 机械液压部分设计

　　机械液压部分的基本设计思路：采用各种传感器实现数据采集;提供常用的机械传动模块以及常用的液压元件模块，模块之间开始是没有任何关系的，实验时根据需要选择元件进行组合，构成所需系统。基于以上考虑，机械液压部分主要由机电传动模块、液压模块和传感器等三部分组成(如图 3 所示)。机电传动模块包括步进电动机驱动直线运动模块、十字滑台等。液压模块包括可装拆液压元件、液压泵站等。传感器包括压力、流量、扭矩,转速等模拟量传感器和压力继电器、位置开关等开关量传感器。

　　3 基于组态软件的机电液综合控制系统组态监控与数据采集

　　组态软件提供了良好的用户开发界面和简捷的工程实现方法，它提供了预设了丰富功能模块来进行系统组态。在建立具体的组态监控系统时，首先选择组态软件预置的各种功能模块来模拟被监控系统中的相应元件，并根据元件之间的关系进行组态。组态时，在组态软件中利用向导 PLC 的输入、输出端口的内部寄存器建立实时数据库变量，将实时数据库变量与仿真界面的各种图案连接，则可实时显示各设备的状态变化，同时也可以通过仿真开关向 PLC 发出控制指令。实时数据变量的定义来源于 PLC 程序设计及仿真设备的动画设计[3,4,5]，同时利用实时数据库变量可实现数据采集。图 4 为基于组态软件的机电液综合控制系统组态监控和数据采集原理图。

　　4 机电液综合控制系统性能分析

　　要实现机电液综合控制系统性能分析，就必须将采集的实验数据存储起来，并方便分析软件访问。考虑到组态软件、M atlab 软件，均能访问 Access 数据库，因此采用Access 数据库作为实验数据存储和交换的桥梁，实现M atlab 与组态软件之间的数据交换[6]，如图 5 所示。

　　数据采集时，在接到数据采集指令时，读取 PLC 寄存器对应的数据变量，将数据变量中读取的数据通过 ODBC数据源存入 Access 数据库中，然后判断动作是否结束，如果动作未结束，则延时之后，再次读取数据存入数据库，如此反复，直到动作结束，完成数据采集。

　　数据分析时，首先由 M atlab 通过 ODBC 数据源，取出存放在 Access 数据库中的实验数据，并放入 M atlab 变量中，然后利用 M atlab 软件进行实验数据分析。

　　5结束语

　　机电液综合控制系统的设计开发、性能测试和技术人才培养等方面都离不开实验。本文从实验台硬件设计、基于组态软件实时监控和数据采集、基于 M atlab 机电液综合控制系统性能分析等三个方面分析机电液综合控制试验台设计。实践表明，该实验台功能完备，操作控制简单，既能够用于机电液综合控制实验教学，也能够满足工矿企业进行机电液综合控制系统开发的要求。

转换原理

1. 数模转换器是将数字信号转换为模拟信号的系统，一般用低通滤波即可以实现。数字信号*行解码，即把数字码转换成与之对应的电平，形成阶梯状信号，然后进行低通滤波。

根据信号与系统的理论，数字阶梯状信号可以看作理想冲激采样信号和矩形脉冲信号的卷积，那么由卷积定理，数字信号的频谱就是冲激采样信号的频谱与矩形脉冲频谱（即Sa函数）的乘积。这样，用Sa函数的倒数作为频谱特性补偿，由数字信号便可恢复为采样信号。由采样定理，采样信号的频谱经理想低通滤波便得到原来模拟信号的频谱

在了解了程序结构和编程方法的基础上，就要实际地编写PLC程序了。编写PLC程序和编写其他计算机程序一样，都需要经历如下过程。

    1．对系统任务分块

    分块的目的就是把一个复杂的工程，分解成多个比较简单的小任务。这样就把一个复杂的问题化为多个简单的小问题，便于编制程序。

    2．编制控制系统的逻辑关系图

    从逻辑关系图上，可以反映出某一逻辑关系的结果，这一结果又应该导出哪些动作。这个逻辑关系可以是以各个控制活动顺序为基准，也可以是以整个活动的时间节拍为基准。逻辑关系图反映了控制过程中控制作用与被控对象的活动，也反映了输入与输出的关系。

    3．绘制各种电路图

    绘制各种电路的目的，是把系统的输入/输出所设计的地址和名称联系起来，这是很关键的一步。在绘制PLC输入电路时不仅要考虑到信号的连接点是否与命名*，还要考虑到输入端的电压和电流是否合适，也要考虑到在特殊条件下运行的可靠性与稳定条件等问题。特别要考虑到能否把高压引导到PLC的输入端，因为这样会对PLC造成比较大的伤害。在绘制PLC的输出电路时，不仅要考虑到输出信号的连接点是否与命名*，还要考虑到PLC输出模块的带负载能力和耐电压能力。此外，还要考虑到电源的输出功率和极性问题。在整个电路的绘制中，还要考虑设计的原则，努力提高其稳定性和可靠性。虽然用PLC进行控制方便、灵活，但是在电路的设计上仍需要谨慎、全面。因此，在绘制电路时要考虑周全，何处该装按钮，何处该装开关，都要一丝不苟。

    4．编制PLC程序并进行模拟调试

    在绘制完电路图之后，就可以着手编制PLC程序了。当然可以用上述方法编程。在编程时，除了要注意程序要正确、可靠外，还要考虑程序要简捷、省时、便于阅读、便于修改。编好一个程序块要进行模拟实验，这样便于查找问题，便于及时修改，不要整个程序完成后一起调试。

    5．制作控制台与控制柜

    在绘制完电器、编完程序之后，就可以制作控制台和控制柜了。在时间紧迫的时候，这项工作也可以和编制程序并列进行。在制作控制台和控制柜的时候要注意选择开关、按钮、继电器等器件的质量，规格必须满足要求。设备的安装必须注意安全、可靠。比如，屏蔽问题、接地问题、高压隔离等必须妥善处理。

    6．现场调试

    现场调试是整个控制系统完成的重要环节。任何程序的设计很难说不经过现场调试就能使用的。只有通过现场调试才能发现控制回路和控制程序不能满足系统要求之处；只有通过现场调试才能发现控制电路和控制程序发生矛盾之处；只有进行现场调试才能后实地测试和后调整控制电路和控制程序，以适应控制系统的要求。

    7．编写技术文件

    经过现场调试以后，控制电路和控制程序基本被确定了，这个系统的硬件和软件基本没有问题了。这时就要全面整理技术文件，包括整理电路图、PLC程序、使用说明及帮助文件。到此，工作基本结束。