六自由度液压振动台油源控制系统设计.pdf

Hv d r a u l i e s P n e u m a t i c s S e a l s ／ No ． 0 8 ．2 0 1 5 d o i l O 。 3 9 6 9 ． is s n ． 1 0 0 8 0 8 1 3 ． 2 0 1 5 ． 0 8 ． 0 0 7 六 自由度液压振动台油源控制系统设计 高 飞， 王家乐， 李 红， 杨志鹏 ， 郝岩研 北京强度环境研究所 ， 北京 1 0 0 0 7 6 摘要 采用西门子 s 7 3 0 0P L C设计的六 自由度液压振动台液压油源控制系统 ， 包括继电器控制、 故障报警、 远程通讯， 完成对油源的 启动、 停止 、 冷却 、 调压， 分油器和静压支撑启动、 停止等操作， 实现故障报警 温度过高、 液位过低和油液堵塞 和安全保护 ， 以及本地 和远程两种控制方式 。远程控制采用以太网通讯模式通过网络模式将油源状态和故障报警监控信号传送至控制计算机， 并接收控制 计算机的控制指令完成对油源的控制。 关键词 s 7 3 0 0 控制器 ； P L C； 液压油源； 以太网通讯； 控制 中图分类号 T H1 3 7 ． 1 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 5 0 8 0 0 2 1 0 4 Co n t r o l S y s t e m De s i g n o f Hy d r a u l i c Po we r Un i t f o r S i x DOF Hy dra u l i cⅥ b r a t i o n T a b 1 e G AOFe L WA NGJ i a l e , L I Ho n g , Y ANG Z h i - pe n g , HAOY a n - y a n B e i j i n g I n s t i t u t e o f S t r u c t u r e a n d E n v i r o n me n t E n g i n e e r i n g， Be i j i n g 1 0 0 0 7 6 ， C h i n a Ab s t r a c t Co n t r o l s ys t e m o f S i x d e g r e e - o f - f r e e d o m s h a k i n g t a b l e b a s e d o n S 7 - 3 0 0 a c c o mp l i s h r e l a y c o n t r o 1 ． e x c e p t i o n h a n d l e s ； c o mmu n i c a t i o n ， a n d c o n t r o l l i n g s t a r t - u p ； s t o p ； c o o l i n g ； p r e s s a d j u s t o f h y d r a u l i c o i l s o u r c e ， and c o n tr o l l i n g o f s t a r t - u p o r s t o p o f f u e l s e p a r a t o r a n d h y dro s t a t i c s u p p o r t ， and r e a l i z e d l o c a l an d r e mo t e c o n t r o 1 ． S t a t e o f h y dra u l i c o i l s o u r c e and f a i l ure s i g n a l a l e t r an s mi t t e d b y E t h e r n e t c o mmu n i ． c i o n mo d e t o P C． P LC r e c e i v e man i ， u l a t i v e i n s t r u c t i o n o f h y dra u l i c o i l s o ur c e f r o mP C． Ke y wo r d S7 3 0 0 c o n tro l l e r ； P LC； h y dr a u l i c p o we r u n i t ； e e t h e r n e t c o mm un i c a t i o n ； c o n tro l O 引言 近年来 ， 随着振动环境模拟试验的地位越来越重 要 ， 三轴六 自由度液压振动台作为仿真模拟平台方面 得到了广泛的应用。其中液压油源为三轴六自由度液 压振动台提供试验所需多个压力状态 ， 而液压油源控 制 系统是保证液压源压力稳定 、 可调 、 安全运行 的关键 设备 。基于P L C 3 0 0 的六 自由度液压振动台液压油源 控制系统具有压力可调、 安全处理、 工作可靠、 配置灵 活、 可扩展能力强等优点， 并可完成对油源工作状态的 实时监控和操作及故障报警， 同时可以通过以太网模 式的通讯协议 ， 进行计算机远程监控， 为液压系统提供 安全稳定的能源供给控制。 1 六 自由度液压 振动 台液压油源工作 原 理 六 自由度液压振动台油源的总体设计方案如图1 收稿 日期 2 0 1 5 0 5 - 0 4 作者简介 高飞 1 9 8 2 一 ， 男 ， 河南濮阳人 ， 工程师 ， 硕士， 主要从事试验 系统测控技术的研究， 以及测控系统的设计。 卜电机2 一 齿轮泵3 一 压力表4 一 单向阀5 一 两位两通阀6 一 溢流阀 7 一 插装阀8 一 过滤器9 一 两位两通阀1 0 一 两通阀1 1 - 两位两通阀 1 2 一 液压缸1 3 一 伺服阀1 4 一 两位两通阀 图1油源系统原理图 [ 5 】 P e n g Z ， S u n C ， Y u a n R ， Z h a n g P ． T h e C F D A n a l y s i s o f Ma i n Va l v e F l o w F i e l d a n d S t r u c t u r a l Op t i mi z a t i o n f o r Do u b l e 。 。 n o z z l e F l a p p e r S e r v o V a l v e [ J ] ． C h i n a Hy d r a u l i c s P n e u ma t i c s ． 2 0 1 2 ， 3 ． [ 6 】 金瑶兰， 渠立鹏， 章敏莹． 射流管伺服阀A M E S i m建模与仿 真[ J ] ． 液压气动与密封， 2 0 0 8 ， 8 4 5 - 4 8 。 [ 7 】 冀宏， 魏列江． 射流管伺服阀射流管放大器的流场解析[ J ] ． 机床与液压， 2 0 0 8 ， 3 6 1 0 1 1 9 - 1 2 1 ． 2 1 液 压 气 动 与 密 封 ／2 01 5专_- 1 08期 所示 ， 包括恒压变量泵 、 溢流 阀、 电磁 开关 阀 、 单 向阀、 插装阀、 换向阀、 过滤器 、 油箱以及用于调节功率输出 的电液伺服阀等组成 。 工作原理 启动泵低压 ， 电机启动开始为液压油源 系统供油 ， 液压油经 5 两位两通阀直接回油箱 ， 管路 中 无压力 。然后启 动分油器低压 ， 接通 5 两位两通 阀为 液压管路供油， 并将液压油输送至插装阀前端及静压 支撑。启动静压支撑 ， 打开 1 4 两位两通阀， 接通静压 支撑液压回路， 静压支撑开始工作。启动泵高压， 通过 打开 9 两位 四通 阀接通插装阀 ， 将高压液压油输送 至 电液伺服阀之前管路。分油器高压启动， 打开 1 1 两位 四通阀， 将高压液压油输送至电液伺服阀。 2 液压油源控制系统设计 该液 压油 源控 制 系统是 由 S 7 3 0 0 P L C作为 下位 机， 控制计算机作为上位机的组成架构， 并通过以太网 实现与控制计算机的通讯。S 7 3 0 0 P L C 通过接收控制 计算机指令信号实现液压泵分油器 、 静压支撑 的安全 启动、 停止， 并通过监控油源液位、 液压油油温以及液 压油清洁度实现液压油源的安全保护。 液压油源 控制系统按功 能划分为系统控制 、 计算 机通讯 、 安全保护和人机交互程序 4 部分构成。 2 ． 1 系统控制 系统控制程序完成对液 压油源的控制操作 ， 实现 液压油源的启停、 高低压切换 、 冷却等控制 。 1 液压油泵启动与停机 打开电源开关， 液压油 源控制系统上电灯亮， 等待控制指令。液压油泵由2 台 泵 组成 ， 按下 l 液压泵启 动按 钮 ， 接通 电机 中间继 电 器 ， 电机启动器得电并启动 ， 1 液压泵启动 。并将 1 液 压泵启动状态反馈 至P L C数字 I ／ 0口， 接收到启动状态 反馈后 ， 液压油源冷却系统启动。系统中时间继电器 允许2 液压泵在2 0 s 后 ， 进行操作， 反之操作无效。 控制计算机上液压油泵信号灯亮表示泵处于运转 状态。如再次按下启动按钮， 由控制计算机发送信号， 断开 电机 中间继 电器 ， 则泵电机断电 ， 液压泵停机。 2 分油器低压启动 液压泵启动后 ， 按下分油器 低压启动按钮 ， 由控制计算机通过以太网， 将启动信号 发送至 P L C数字输入端 口， P L C 数字输出端口接通继 电器， 5 电磁两位两通阀得电打开 ， 为管路供油， 并使 系统管路升压。P L C 并将该电磁两位两通阀的状态反 馈至控制计算机， 并通过亮灯的形式显示。如果液压 油泵没有启动， 则按下分油器低压启动无效。 3 静压支撑启动 分油器低压启动后 ， 按下启动 静压支撑按钮， 控制计算机通过以太网， 将启动信号发 送 至 P L C数字输入 端 口， 控制 系统数字输 出端 口接通 继电器 ， 1 4 电磁两位两通阀得电打开 ， 为液压支撑供 油。数字输入端口并将液压支撑的供油状态反馈至控 制计算机， 并显示其状态。如果之前两个步骤没有启 动 ， 启动静压支撑无效。 4 分油器高压启动 分油器高压的作用将液压油 管路升压 ， 按下启动分油器高压按钮， 控制系统数字输 出 口接通分油器高压控制 电路继 电器 ， 9 电磁两位 四 通阀得电， 接通油路， 压力管路开始升压。控制系统并 将分油器高压工作状态反馈至控制计算机并显示。 5 泵高压启动 泵高压启动后， 将液压管路的高 压油输送至电液伺服阀。按下启动泵高压 ， 控制系统 接通泵 高压电路继 电器 ， 1 1 样 电磁两位 四通 阀得 电 ， 接 通油路， 高压油通入电液伺服阀。 以上步骤为油源启动的控制流程 ， 且控制流程为 顺序控制 ， 需要停止油源工作时 ， 控制流程按照 5 一 1 的步骤依次操作。 2 ． 2 数据通讯 S 7 3 O O C P U上 的通讯 口是 R J 4 5 以太 网口， 与P C 机 通过网线连接， 液压油源控制系统通过以太网通讯传 递控制指令 和反馈信号 ， 完成油源控制系统的远 程控 制指令和状态显示。P C 机通过以太网， 将控制指令下 传至s 7 3 0 0 P L C 控制系统 ， 完成对液压油源的控制， s 7 3 0 0 P L C 控制系统将液压油源的控制状态以及安全 报警信号上传给 P C 机 ， 从而实现液压油源 的远程 控制 。 2 ． 3 安全保护 液压油源控制系统有液压油温度、 液位 、 堵塞3 个 量的报警显示。控制系统实时监测3 个量的值， 并上传 到控制计算机， 如任一个量发生报警 ， 则控制计算机相 应的指示灯点亮 。 1 温度报警 油箱内安装了一体化温度变送器 ， 上电时温度变送器输出4 2 0 m A电流信号至P L C ， 当温 度达到系统设定的报警温度时， 控制系统经过逻辑判 断， 由数字量模块端口发出温度过高报警信号。 2 液位报警 油箱内安装了液位变送器， 上电时 液位变送器输出4 2 0 m A电流信号， 经模拟输入通道采 集后， 在控制器内进行判断， 当液位下降到设置的报警 液位高度时， 控制系统通过数字输出端 口发出液位过 低报警信号。 3 堵塞报警 当液压油受到污染 ， 将 导致过滤器 滤芯产生阻塞 ， 当过滤器上的压差传感器达到设置上 限后， 控制系统发出油液堵塞报警信号 】 。 Hy d r a u l i c s P n e u m a t i c s S e a l s ／ No ． 0 8 ． 2 01 5 当液压油源 的温度 、 液位 、 堵塞 3 个量任一发生报 警 ， 液压油源控制系统按照预设置程序紧急停机 。 2 ． 4 人机交互程序 使用图形化编程软件L a b V I E W实现控制计算机操 作程序开发， L a b V I E W软件配有强大的T C P ／ I P 通讯包 ， 能够快速实现系统的以太 网通讯 。通过 以太 网通讯控 制计算机发送油源控制指令， 接收并显示P L C 上传的 油源运行状态 。 2 ． 5 系统硬件设计 对控制系统的基本要求是 能够实时采集油箱内 温度 、 液位 ， 控制各 电磁 阀的状态 ， 并实 时采集各 电磁 阀的状态进行逻辑判断， 具备防止误操作的功能 ， 同时 保持与上位机以太网通信。该系统硬件部分由控制计 算机、 电源模块、 C P U 、 模拟输入模块、 数字输人输出模 块及其他电气元件组成 。 表 1测控点 数汇总表 I ， 0 类型A I A O D I 2 4 V D O 2 4 V 数量 2 0 1 7 1 5 系统需要 采集 的信 号包括 2 个模拟 量包括 油箱 内液压油温度和液位。1 6 个数字量输入包括 本地／ 远 程信号， 电机工作状态、 电磁阀状态和堵塞报警信号， 数字输出信号包括电机启动及各电磁阀的控制。根 据表 1 所示汇总的测控点数 ， 选用西 门子 C P U 一 3 1 4 C P L C作为控制器 。由于 C P U 一 3 1 4 C 集成有4 路模拟输 入通道和2 路模拟输出通道 ， 2 4 路数字输人通道和 1 6 路数字输出通道 ， 满足测控点数的需要 ； 且机 内有 2 5 6个计 数器 ， 2 5 6 个定 时器 ， 每条布尔量指令 执行时 间为 0 ． 0 6 p ． s 。并选用P S 3 0 7 5 A直流电源为控制系统 以及电磁阀供电。 3 液压油源控制系统软件设计 3 ． 1程序 总体架构 液压油源控制系统软件分为控制计算机程序和 S 7 3 0 0 P L C下位 机程序 ， 上下位机之 间通过 以太 网通 讯。下位机程序由主程序和子程序组成 ， 主程序完成 对油源控制系统 以及变量进行初始化 ， 并在每一个 扫 描周期中顺序执行各子程序。其中子程序包括 冷却 泵电机启动、 液压泵低压启动、 分油器低压启动、 静压 支撑启动、 液压泵高压切换、 分油器高压切换、 通讯子 程序、 安全保护。 如图2 所示为程序总体架构图， 控制计算机程序按 照程序总体架构图所示流程顺序分别将液压油源控制 指令通过以太网通讯下发至s 7 3 0 0 P L C 下位机程序 】。 为了防止试验人员没有按顺序启动液压油源而造成 的 误操作， 程序具有安全保护功能。除此之外， 控制系统 还可实现本地／ 远程控制的切换。 以太网通 讯 P L c程序 泵高压启动 ， 、 曲器商压启 分油器高压启动 否 l 了 是 上_ J _ 聂 图 2 程序总体 架构 图 3 ． 2 P L C控制程序设计 P L C控制程序主要完成各 电磁阀门的启动或关 闭 ， 以及功能模块间互锁指令 的输出 、 设备流程 中状态 的采集 ， 以及报警判 断等功能 。P L C控制程序架构框 图如图3 所示 ， 其工作原理为上位机接收P L C 上传的本 地／ 远程信号， 判断操作为本地或远程操作， 并将控制指 令通过 以太 网通讯发送至 P L C， 通过 I ／ O端 口将控制指 令发送至电磁阀， 控制电磁阀的开启或关闭， 同时将电 磁阀的状态通过以太网通讯上传至上位机并显示。控 制逻辑严格按照流程进行操作， 程序根据采集到的设 图 3 P L C控制程序框 图 蚕 液 压 气 动 与 密 J 1 ／20 1 5年 第 0 8期 d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ． i s s n ． 1 0 0 8 - 0 8 1 3 ． 2 0 1 5 ． 0 8 ． 0 0 8 基于超声传感器的油液磨粒在线检测研究现状 吕 纯 ， 张培林 ， 张云强 ， 李一宁 ， 徐 超 ， 陈超然 1 ． 军械工程学院 七系， 河北 石家庄 0 5 0 0 0 3 ；2 ． 防空兵指挥学院侦查预警系六队， 河南 郑州 4 5 0 0 5 2 摘 要 针对装备油液磨粒在线超声检测技术的重点和难点问题， 该文在深入研究机械设备磨损机理和检测技术的基础上， 分析了磨 粒声散射理论模型的建立 、 超声散射信号处理、 超声散射信号特征提取、 磨粒智能识别及超声在线检测系统研发五个方面的研究现 状 ， 为后续的研究提供理论依据和技术支持。 关键词 油液检测； 声散射 ； 磨粒识别 ； 传感器 中图分类号 T H1 3 7 ； T H1 7 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 5 0 8 0 0 2 4 0 4 Cu r r e n t S i t u a t i o n o f t he Re s e a r c h o n W _e a r De b r i s On． 1 i ne De t e c t i o n Ba s e d o n Ul t r a s o n i c Se ns o r LVCh u n ， Z HANG Pe i l i n ， Z HA NG Y u n q i a n g ， L 1H． n i n g ， XU Ch a o ， C HE N Ch a o r a i l 1 ． D e p a r t me n t 7 ， O r d n a n c e E n g i n e e r i n g C o l l e g e ， S h i j i a z h u a n g 0 5 0 0 0 3 ， C h i n a ；2 ． S q u a d r o n 6 ， De t e c t i o n a n d P r e wa mi n g De p a r t me n t ， P L A Ai r De f e n c e F o r c e s Co mma n d Ac a d e my , Zh e n g z h o u 4 5 0 0 5 2 ， Ch i n a Ab s t r a c t I n o r d e r t o s o l v e t h e k e y p r o b l e ms o f e q u i p me n t we a r d e b ri s o n l i n e u l t r a s o n i c t e s t i n g ， we s t u d y i n - d e p t h o n t h e me c h a n i c a l we a r me c h a n i s m a n d d e t e c t i o n t e c h n o l o g y ． F u r t h e r mo r e ， we a n a l y z e t h e we a r d e b r i s s c a t t e ri n g mo d e l ， t h e p r o c e s s i n g o f u l t r a s o n i c s c a t t e r i n g s i g n a l ， f e a t u r e e x tra c t i o n o f u l tra s o n i c s c a t t e rin g s i g n a l， i n t e l l i g e n t r e c o g n i t i o n o f we ar d e b ris a n d d e v e l o p m e n t o f o n l i n e u l t r a s o n i c d e t e c t i o n s y s t e m， S O t h a t we c a n p r o v i d e t h e o r e t i c a l b a s i s a n d t e c hn i c a l s u p p o r t f o r t h e f o l l o w u p r e s e a r c h ． Ke y wo r d s o i l d e t e c t i o n； a c o u s t i c s c a t t e ri n g； r e c o gn i t i o n o f we ar d e b ri s ；s e n s o r O 引言 随着科学技术的发展 ， 部队的装备建设 日新月异 ， 收稿 日期 2 0 1 5 0 4 1 0 作者简 介 吕纯 1 9 9 0 一 ， 男 ， 山东 烟台人 ， 硕士研究生 ， 主要研究方 向为 油液检测和超声反射信号处理。 大量新型自行火炮、 坦克装甲车、 导弹发射车等新型装 备相继列装部队 ， 不断提高我军 的战斗力 。然而 ， 新装 备的出现也带来了一些新故障， 这就要求我们发展新 的维修体制， 以便对装备状态进行密切监控u 。在常见 机 械故 障中 ， 大概 8 0 ％是零部件 问异 常磨损造成 的 j 。 异常磨损会导致装备精度和效率降低 ， 过度磨损甚至 备状态 ， 对操作进行判断， 如果未按照流程进行操作， 则控制指令进入翻转指令 ， 该操作不生效 ， 保留当前设 备运行状 态 。P L C控制程序实 时采集液压 油温度 、 液 位及堵塞信号， 根据设定值判断是否报警或紧急停机 ， 启到保护油源的功能， 如触发紧急停机指令 ， 则当前运 行设备即刻停止运行 ， 如达到报警状态， 则将报警信号 通过以太网通讯上传至上位机， 显示报警信息。 4 结论 采用西门子s 7 3 0 0 P L C 硬件作为平台设计的油源 控制系统， 实现了六 自由度液压振动台油源逻辑控制， 具备液压油源本地和远程控制两种模式， 液压油液位、 温度、 堵塞的故障报警及安全保护、 通过计算机与控制 系统的以太网通讯实现控制指令和设备状态信号的交 互。该P L C 控制系统通过数字量控制电磁阀， 实现了 对六自由度液压振动台油源各压力工况下的控制， 且 24 实时采集液位油液位、 温度 、 堵塞 、 各设备运行状态采 集 ， 对异常情况报警或紧急停机， 提高了油源对异常情 况的响应速度。该控制系统已投入使用 ， 运行可靠， 维 护方便 、 扩展性强 ， 完全能够满足在多维振动试验 中的 应用， 同时也适用于其它场合用液压油源和过程控制 系统 中。 参考文献 [ 1 ] 王春行． 液压控制系统[ M 】 ． 北京 机械工业出版社 ， 1 9 9 9 ． [ 2 ] 王兴坚， 王少萍． 基于A T me g a 1 2 8 的液压油源控制器的研究 【 J 】 ． 液压与气动 ， 2 0 0 8 ， 1 o 8 2 - 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