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２０１６ 年 ４ 月 第 ４４ 卷 第 ８ 期 机床与液压 ＭＡＣＨＩＮＥ ＴＯＯＬ ＆ ＨＹＤＲＡＵＬＩＣＳ Ａｐｒ ２０１６ Ｖｏｌ ４４ Ｎｏ ８ ＤＯＩ１０．３９６９／ ｊ ｉｓｓｎ １００１－３８８１ ２０１６ ０８ ０５２ 收稿日期 ２０１５－０２－０４ 基金项目 宁夏自治区级本科教学质量工程高等学校教育教学改革项目 （２０１２ 年） 作者简介 梁云峰 （１９７７）， 男， 硕士， 副教授， 从事液压气动技术的教学、 机电系统智能控制方向的研究工作。 Ｅ－ｍａｉｌ ｌ＿ｙｆ＠ ｎｘｕ ｅｄｕ ｃｎ。 ＰＬＣ 及组态王在 ＹＹ⁃１８ 型透明液压传动演示系统改造中的应用 梁云峰， 谷凤民， 陈宇 （宁夏大学机械工程学院， 宁夏银川 ７５００２１） 摘要 针对原实验台老化， 继电－接触器控制系统的可靠性差， 实验项目单一， 提出采用 ＰＬＣ 和组态王对原实验台进 行全面改造的方案。 该控制系统下位机采用三菱 ＦＸ２Ｎ⁃３２ＭＲ 和 ＦＸ２Ｎ⁃２ＡＤ， 上位机采用 ＰＣ 机＋组态软件， 对实验过程进行 全程实时监控。 并把 ＰＬＣ 控制变频器作为实验项目加入到系统中。 实验教学表明 改造后的实验台既扩展了实验的数量， 又使得实验台的运行控制更加可靠， 实现了对实验过程、 实验数据的实时监控和管理。 关键词 ＰＬＣ； 组态软件； 变频调速； 控制系统改造 中图分类号 ＴＰ２７３ 文献标志码 Ｂ 文章编号 １００１－３８８１ （２０１６） ０８－１５９－４ ＹＹ⁃１８ 型透明液压传动演示实验台是 ２０ 世纪 ９０ 年代中期的产品， 该实验台采用透明液压元件、 组合 插式结构、 活动油路接头、 通用继电器控制线路， 集 １８ 种基本液压传动控制回路实验内容于一体， 是某 院 液压与气压传动 课程的主要实验设备之一。 从 ＹＹ⁃１８ 型透明液压传动演示实验台实验操作过程 可知， 该实验台主要存在以下问题（１） 原实验台 老化， 急需进行实验台废旧利用的改造；（２） 采用 继电器控制线路， 可靠性差， 影响了实验项目的扩 展， 更不能满足机电液集成控制系统的实验要求； （３） 只能手动记录实验过程中用压力表测量的液压 回路中某点的压力， 其他很多重要的实验数据都无法 采集， 更不能实时采集实验数据， 导致无法利用实验 数据对液压系统的性能进行分析。 为了满足液压新技术发展的需求和该院 液压 技术、 液压与气压传动 等课程实践教学环节的 需要， 结合当前先进的控制技术、 新仪器仪表技术、 组态监控技术及变频调速技术， 提出了使用 ＰＬＣ 及 组态王对 ＹＹ⁃１８ 型透明液压传动演示实验台进行全 面的技术改造。 １ ＹＹ⁃１８ 型透明液压传动演示实验台的改造方案 从硬件系统和软件系统这两个方面入手， 采用基 于 ＰＬＣ 的控制器对 ＹＹ⁃１８ 型透明液压传动演示实验 台的控制系统进行改造 （经过改进后， 实验的项目 可以由原来的 １８ 种［１］扩展到 ２０ 种， 扩展了实验十九 组合机床动力滑台液压回路实验和实验二十变频调速 实验）， 实现该实验台实验过程的自动控制。 同时用 ＣＢ⁃Ｂ１０ 齿轮泵及交流电动机取代实验台原来的直流 电机及齿轮泵。 ＣＢ⁃Ｂ１０ 齿轮泵的技术参数为 泵的 额定 压 力 ２ ５ ＭＰａ， 流 量 １０ Ｌ／ ｍｉｎ， 转 速 １ ４２０ ｒ／ ｍｉｎ； 驱动齿轮泵电动机参数 额定电压 ＡＣ３８０Ｖ， 额定功率 ０ ７５ ｋＷ， 绝缘等级 Ｂ； 调节电动机转速的 变频器选用 ＦＲ⁃Ｅ５００ 系列的变频器 ＦＲ⁃Ｅ５４０⁃０ ７５Ｋ， 其额定容量为 ０ ７５ ｋＷ； 使用组态王开发监控界面， 完成实验过程参数的实时采集、 监控和管理。 ２ 控制系统的设计 ２ １ ＰＬＣ 选型及 Ｉ／ Ｏ 分配 根据实验台的实验项目， 该控制系统的被控对象 有 电机、 三位四通电磁换向阀 （１ 个）、 二位四通 电磁换向阀 （２ 个）、 二位二通电磁换向阀 （２ 个）、 变频器 （１ 个）， 整个系统的数字量输入点数为 １３ 点， 数字量输出点数为 ７ 点， 总的 Ｉ／ Ｏ 点数为 ２７ 点 （包括 ＦＸ２Ｎ⁃２ＡＤ 占 ８ 点输入点数）， Ｉ／ Ｏ 地址分配表 如表 １ 所示。 同时还要留有 １０％ ～１５％Ｉ／ Ｏ 点数的余 量、 扩展能力以及结合存储容量、 运行速度计时器和 计数器的数量等指标。 选用 ＦＸ２Ｎ⁃３２ＭＲ 基本单元 （ＡＣ 电源、 ＤＣ 输入型）， 具有 １６ 点输入和 １６ 点输 出， 其电源电压为 ＡＣ１００ ～ ２４０Ｖ， 输入信号电压 ＤＣ２４Ｖ１０％ ２， 输出为继电器输出， 其外部电源 ＡＣ２５０Ｖ、 ＤＣ３０Ｖ 以下。 选用 ２ 通道模拟量输入特殊 模块 ＦＸ２Ｎ⁃２ＡＤ （占 ８ 点输入点数） 用于采集实验压 力和流量信号， 其 ＤＣ２４Ｖ 电源由 ＦＸ２Ｎ⁃３２ＭＲ 基本单 元通过扩展电缆提供 （不需要外部接线）。 ＦＸ２Ｎ⁃ ３２ＭＲ 基 本 单 元 电 源 容 量 为 ２５０ ｍＡ、 ＤＣ２４Ｖ 时， ＦＸ２Ｎ⁃２ＡＤ 只消耗电流 ５０ ｍＡ， 故容量足够［２］。 ＰＬＣ 的接线图见图 １。 表 １ Ｉ／ Ｏ 地址分配表 输入元件输入地址输出元件输出地址 启动按钮 ＳＢ１Ｘ０三位四通电磁阀左电磁铁线圈 １ＤＴＹ０ 停止按钮 ＳＢ２Ｘ１三位四通电磁阀右电磁铁线圈 ２ＤＴＹ１ 换向阀Ⅰ的换向Ⅰ按钮Ｘ２二位四通电磁阀Ⅰ电磁铁线圈 ３ＤＴＹ２ 换向阀Ⅰ的换向Ⅱ按钮Ｘ３二位四通电磁阀Ⅱ电磁铁线圈 ４ＤＴＹ３ 换向阀Ⅰ的停止按钮Ｘ４二位二通电磁阀Ⅰ电磁铁线圈 ５ＤＴＹ４ 换向阀Ⅰ的常闭行程开关Ｘ５二位二通电磁阀Ⅱ电磁铁线圈 ６ＤＴＹ５ 换向阀Ⅰ的常开行程开关Ｘ６接触器线圈 ＫＭＹ６ 换向阀Ⅱ的换向Ⅰ按钮Ｘ７ 换向阀Ⅱ的换向Ⅱ按钮Ｘ１０ 换向阀Ⅱ的停止按钮Ｘ１１ 换向阀Ⅱ的常闭行程开关Ｘ１２ 换向阀Ⅱ的常开行程开关Ｘ１３ 压力继电器 ＢＰＸ１４ 图 １ ＰＬＣ 外部接线图 （１） 模拟量输入模块 ＦＸ２Ｎ⁃２ＡＤ 采用 ４～ ２０ ｍＡ 的电流输入， 需将 ＶＩＮ 和 ＩＩＮ 端子短路连接。 将模拟 量输入模块 ＦＸ２Ｎ⁃２ＡＤ 上扩展电缆的一端连接到基本 单元 ＦＸ２Ｎ⁃３２ＭＲ 的扩展模块接口上 （如图 １ 所示）， 即可实现它与基本单元 ＦＸ２Ｎ⁃３２ＭＲ 的数据交换。 采 用 ＬＷＧＹＡ 型涡轮流量计采集实验流量信号， 其参数 为 供电电源 ＤＣ２４Ｖ； 输出信号 ４～２０ ｍＡ 电流信号； 量程 ０～１０ Ｌ／ ｍｉｎ。 采用 ＭＩＫ⁃Ｐ３２０ 型压力传感器采 集实验压力信号， 其参数为 供电电源 ＤＣ２４Ｖ； 输 出信号 ４～２０ ｍＡ 电流信号； 量程 ０～１ ６ ＭＰａ。 （２） 将三菱编程电缆 ＦＸ⁃２３２ＡＷＣ⁃Ｈ 的 ４２２ 公头 插头接到 ＦＸ２Ｎ⁃３２ＭＲ 基本单元的 ＲＳ４２２ 接口 （如图 １ 所示）， ＳＣ⁃０９ 编程电缆的 ２３２ 母头插头接到计算机 （配置有组态王 ＫｉｎｇＶｉｅｗ 软件） 的 ＣＯＭ 口， 即可实 现 ＰＬＣ 与上位机的通信。 传输速率为 １８７ ５ ｋｂ／ ｓ。 （３） 将 ＦＸ２Ｎ⁃４８５⁃ＢＤ 通信板插入到 ＦＸ２Ｎ⁃３２ＭＲ 基本单元的 ４８５ＢＤ 接口 （如图 １ 所示）， 然后用 ＲＪ４５ 型网线连接 ＦＸ２Ｎ⁃４８５⁃ＢＤ 和变频器， 其中 ＲＪ４５ 型网 线带水晶头的一端直接接到变频器 ＦＲ⁃Ｅ５００ 的 ＰＵ 口 上， 另外一端接到 ＦＸ２Ｎ⁃４８５⁃ＢＤ （需剪断 ８ 芯 ＲＪ４５ 型网线中的 ２ 和 ８ 引脚线 Ｐ５Ｓ， 将剩下的 ５ 芯连接到 ＦＸ２Ｎ⁃４８５⁃ＢＤ）。 若 ＰＬＣ 与变频器都是三菱的产品， 则 ＦＸ２Ｎ⁃４８５⁃ＢＤ 与变频器采用四线制接法， 如图 ２ 所示； 若 是 三 菱 ＰＬＣ 和 其 他 公 司 的 变 频 器， 则 ＦＸ２Ｎ⁃４８５⁃ＢＤ 与变频器采用二线制接法 （只需将图 ２ 中的 ＲＤＡ 与 ＳＤＡ 短接， ＲＤＢ 与 ＳＤＢ 短接， 然后再分 别接到变频器的两个输入端子上即可）。 当 ＰＬＣ 带 １ 台以上的变频器时， ＲＳ４８５ 采用串联连线拓扑， 并使 用一分二的分配器。 当传输距离超过 ３００ ｍ 时， 为实 现阻抗匹配及防止信号反射， 需在两端加接 ３３０ Ω 的 终端电阻 （两线制时， 两端各接一个 １１０ Ω 的电阻 Ｒ）， 如图 ２ 所示。 图 ２ ＦＸ２Ｎ⁃４８５⁃ＢＤ 与变频器 ＦＲ⁃Ｅ５００ 的四线制接法 ０６１机床与液压第 ４４ 卷 （４） 将功能扩展存储器 ＦＸ２Ｎ⁃ＲＯＭ⁃Ｅ１ 安装到 ＦＸ２Ｎ⁃３２ＭＲ 基本单元的存储卡盒接口， 则可使用扩 展的 ＥＸＴＲ （ＦＮＣ １８０） 指令 （包括 ＥＸＴＲ Ｋ１０ 变频 器的运行监视， ＥＸＴＲ Ｋ１２ 读出变频器的参数， ＥＸ⁃ ＴＲ Ｋ１１ 变频器的运行控制， ＥＸＴＲ Ｋ１ 写入变频器 的参数）， 使 用 这 些 ＥＸＴＲ 指 令 编 程， 即 可 实 现 ＦＸ２Ｎ⁃３２ＭＲ 基本单元 ＰＬＣ 通过 ＲＳ４５８ 串行通信对变 频器进行控制 （对于三菱 ＦＸ 系列的新产品 ＦＸ３Ｕ 和 ＦＸ３ＵＣ， 增加了 ５ 个变频器专用通信指令， 以方便编 程 ＰＬＣ 对变频器的通信控制需要）。 ２ ２ 软件设计 使用三菱 ＰＬＣ 编程软件 ＧＸ Ｄｅｖｅｌｏｐｅｒ （版本 Ｖ８ ８６） 编制 ＹＹ⁃１８ 型透明液压传动演示实验台控制 系统的程序。 （１） 从实验一到实验二十， 每个实验都编程一 个对应的 ＰＬＣ 程序， 都使用三菱 ＰＬＣ 的梯形图编程。 这里给出用功能图 （ＳＦＣ） 编制的实验十七 （用电器 行程开关的顺序动作回路） 的状态转移图， 如图 ３ 所示。 图 ３ 实验十七用电器行程开关的顺序 动作回路的 ＰＬＣ 控制状态转移图 （２） 模拟量输入的软件设计。 ＦＸ２Ｎ⁃２ＡＤ 输入特 性为电流输入， 输入模拟量 ４ ～ ２０ ｍＡ， 对应数字 值 ０～４ ０００。 采集实验压力和实验流量模拟量编程 输入的程序流程［３］如图 ４ 所示。 图 ４ ＥＸＴＲ 指令编制通信程序的流程图 （３） 变频调速实验的软件设计。 ＰＬＣ 控制变频 器有 ３ 种方式 ①开关量控制方式。 该方法简单易 懂， 但调速精度不高， 且不能实现电动机的无级调 速。 ②模拟量控制［４］。 该方式受控制电缆长度及模拟 量输出模块的限制， 使得控制成本昂贵、 信号传输距 离近。 ③通信方式控制。 其程序设计包括 ＲＳ 指令经 典法通信程序设计和专用通信指令法通信程序设计两 种。 其中 ＲＳ 指令经典法通信程序设计存在程序编制 复杂、 程序容量大、 占用内存多、 易出错、 难调试等 缺点。 故这里使用专用通信指令法通信程序设计法 （作为学生学习， ＰＬＣ 控制变频器的这 ３ 种方式， 学 生都可以在改造后的实验平台上实验操作）。 采用专用通信指令法通信程序设计需要的条件 ①硬件方面 只应用于 ＦＸ２Ｎ 和 ＦＸ２ＮＣ 机型 （Ｖ３ ００ 以上， ２００１ 年 ５ 月以后生产的机型）、 ＦＸ２Ｎ⁃４８５⁃ＢＤ 通信板和功能扩展存储器 ＦＸ２Ｎ⁃ＲＯＭ⁃Ｅ１。 ②软件方 面 ＧＸ Ｄｅｖｅｌｏｐｅｒ （版本 Ｖ７ ００ 以上） ［５－６］。 采用专用通信指令法通信程序设计步骤如下［７］ ①变频器参数设置 Ｐｒ１１７ ＝ １ （１ 号从站）； Ｐｒ１１８ ＝ １９２ （波特率 １９２ ０００）； Ｐｒ１１９＝ １０ （７ 位数据， 停止 位 １ 位）； Ｐｒ１２０＝ ２ （偶校验）； Ｐｒ１２１＝ ９ ９９９ （通信 错误 无 报 警）； Ｐｒ１２２ ＝ ９ ９９９ （ 通 信 校 验 终 止）； Ｐｒ１２３＝９ ９９９ （由数据通信确立）； Ｐｒ１２４＝０ （无回车 无换行）。 ②写出通信格式字 按照 ＲＳ４８５ 标准接口 通信格式， 写出通信格式字为 Ｈ０Ｃ９６ （使用 ＦＸ２Ｎ⁃ ４８５⁃ＢＤ）。 ③通信参数设置后， 需关断变频器电源， 再上电进行复位。 如果不复位， 通信将不能进行。 ④ 查寻向变频器写入参数 （上限频率 １２０ Ｈｚ； 下限频 率 ５ Ｈｚ； 加速时间 １ ｓ； 减速时间 ２ ｓ。） 的参数运行 代码。 查三菱 ＦＲ⁃Ｅ５００ 参数数据读出和写入指令代 码表， 得上限频率参数运行代码为 Ｋ１、 下限频率参 数运行代码为 Ｋ２、 加速时间参数运行代码为 Ｋ７、 减 速时间参数运行代码为 Ｋ８［８］。 使用扩展的 ＥＸＴＲ 指 令编制通信程序的流程图如图 ５ 所示。 图 ５ ＥＸＴＲ 指令编制通信程序的流程图 此系统中就采用该方式控制变频器。 使用 ＲＳ４８５ 通信控制， 仅通过一条通信电缆连接， 就可以完成多 台变频器的启动、 停止、 频率设定， 具有抗干扰能力 强、 控制成本低、 传输距离远、 控制数量多 （多达 １６１第 ８ 期梁云峰 等 ＰＬＣ 及组态王在 ＹＹ⁃１８ 型透明液压传动演示系统改造中的应用 ３２ 台变频器） 等优点。 目前， 已在实际中得到了广 泛应用。 采用专用通信指令法通信程序设计法将使通信程 序的设计方法变得简单， 容易掌握， 程序也更加简 洁、 易懂， 调试更加简单。 ３ 监控界面的开发 实验监控界面用组态王 ＫｉｎｇＶｉｅｗ （Ｖ６５ ３） 软件 开发编程实现。 通过 ＣＯＭ 口 （串行口） 可实现组态 王 （即上位机） 与三菱 ＦＸ２Ｎ 系列 ＰＬＣ 的通信， 参 数设置为 波特率 １８７ ５ Ｋｂ／ ｓ［９］。 该实验台的被监控对象有 交流电动机工作状 态、 检测点压力、 检测点流量、 三位四通电磁换向阀 的工作状态、 二位四通电磁换向阀 １ 的工作状态、 二 位四通电磁换向阀 ２ 的工作状态、 二位二通电磁换向 阀 １ 的工作状态、 二位二通电磁换向阀 ２ 的工作状态 等。 这里设置的画面有 总监控画面、 每个实验的监 控画面、 每个实验中检测点压力和检测点流量的历史 画面， 共有 ４１ 个画面。 图 ６ 为 ＹＹ⁃１８ 型透明液压传 动演示实验台监控总画面， 图 ７ 为实验十七监控实时 画面。 图 ６ ＹＹ⁃１８ 型透明液压传动演示实验 台监控总画面 （交流电机开启） 图 ７ 实验十七 （缸 ２ 右行） 实时监控画面 ４ 结束语 将 ＰＬＣ、 组态技术及变频技术都应用到旧实验 台 ＹＹ⁃１８ 型透明液压传动演示实验台上， 不但节 约了实验经费 （花费了 ８ ０００ 多元使得旧实验台升级 为目前的新型、 综合性的实验台）， 达到了废旧利 用、 节能的目的， 而且扩展了实验台原有的实验项 目。 改造升级后， 该实验台集机械、 电气、 液压、 计 算机控制于一体， 其工作、 控制更加可靠； 开发了可 对实验过程进行全程实时监控的界面， 实现了对重要 实验数据的实时监控和管理。 将改造后的实验台应用于 液压与气压传动 等课程的实验教学中， 使学生掌握的理论知识得到了 深化， 而且培养了学生综合运用知识的能力， 使学生 积累了一定量的工程实践经验， 逐步提高了学生的工 程实践能力； 使得此课程的实验教学效果大幅度提 高， 已连续成功应用于两届学生 （２０１３ 级、 ２０１４ 级）， 受益人数达已达到 ３００ 多人。 参考文献 ［１］ 永嘉县西欧电子教仪有限公司．ＹＹ⁃１８ 型透明液压传动 演示系统使用手册［Ｍ］，１９９９． ［２］ 三菱电机自动化（上海）有限公司．ＦＸ２Ｎ 系列微型可编 程控制器使用手册［Ｍ］，２００１． ［３］ 三菱电机自动化（上海）有限公司．ＦＸ 系列特殊功能模 块使用手册［Ｍ］，２００１． ［４］ 罗萍．ＰＬＣ 模拟量控制在变频调速的应用［Ｊ］．变频器世 界，２００６（５）９２－９４． ［５］ 钱志勇．基于 ＥＸＴＲ 指令控制变频器运行的设计方案 ［Ｊ］．电工技术，２００９（４）５３－５４． ［６］ 余文培．基于 ＥＸＴＲ 指令的 ＰＬＣ 与变频器通信程序设计 ［Ｊ］．自动化技术与应用，２０１２，３１（７）８６－８８． ［７］ 李金城．ＰＬＣ 模拟量与通信控制应用实践［Ｍ］．北京电 子工业出版社，２０１１２７６－３４５． ［８］ 三菱电机自动化（上海）有限公司．三菱变频调速器 ＦＲ⁃ Ｅ５００ 使用手册［Ｍ］，２００５． ［９］ 北京亚控公司．组态王 ６．５２ 使用手册［Ｍ］，２００６９９９－ １０４４． 欢迎订阅 欢迎投稿 欢迎刊登广告 ｈｔｔｐ ／ ／ ｗｗｗ ｊｃｙｙｙ ｃｏｍ ｃｎ ２６１机床与液压第 ４４ 卷
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