基于plc控制的多功能液壓實驗臺設(shè)計

1、基于plc控制的多功能液壓實驗臺設(shè)計（王挺）（西南科技大學網(wǎng)絡(luò)學院機電一體化技術(shù)專業(yè) 13年秋季）【摘要】：本文介紹了plc控制的液壓系統(tǒng)分析和多功能液壓實驗臺設(shè)計，以液壓系統(tǒng)設(shè)計為工程應(yīng)用背景，探討了面向?qū)ο蟮姆治龇椒ㄔ诠こ滔到y(tǒng)分析中的應(yīng)用。分析液壓系統(tǒng)的類層次構(gòu)成及液壓實驗太設(shè)計。 【關(guān)鍵詞】：液壓系統(tǒng) 液壓實驗太設(shè)計目錄一、液壓系統(tǒng)的分析簡介3（一） 組成部分31、動力元件32、執(zhí)行元件33、控制元件44、輔助元件45、液壓油4（二）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)4二、液壓系統(tǒng)面向?qū)ο蟮姆治?（一）問題描述6（二）標識類和對象61、標識結(jié)構(gòu)72、標識主題83.標識服務(wù)及消息通信9結(jié)論11參考文獻：12一、液壓

2、系統(tǒng)的分析簡介 液壓系統(tǒng)的作用為通過改變壓強增大作用力。一個完整的液壓系統(tǒng)由五個部分組成，即動力元件、執(zhí)行元件、控制元件、輔助元件（附件）和液壓油。液壓系統(tǒng)可分為兩類：液壓傳動系統(tǒng)和液壓控制系統(tǒng)。液壓傳動系統(tǒng)以傳遞動力和運動為主要功能 。液壓控制系統(tǒng)則要使液壓系統(tǒng)輸出滿足特定的性能要求（特別是動態(tài)性能）， 通常所說的液壓系統(tǒng)主要指液壓傳動系統(tǒng)。（一） 組成部分圖1:鏟運機液壓系統(tǒng)一個完整的液壓系統(tǒng)由五個部分組成，即動力元件、執(zhí)行元件、控制元件、輔助元件（附件）和液壓油。1、動力元件動力元件的作用是將原動機的機械能轉(zhuǎn)換成液體的壓力能，指液壓系統(tǒng)中的油泵，它向整個液壓系統(tǒng)提供動力。液壓泵的結(jié)構(gòu)形式

3、一般有齒輪泵、葉片泵、柱塞泵和螺桿泵。2、執(zhí)行元件執(zhí)行元件(如液壓缸和液壓馬達)的作用是將液體的壓力能轉(zhuǎn)換為機械能，驅(qū)動負載作直線往復(fù)運動或回轉(zhuǎn)運動。3、控制元件控制元件(即各種液壓閥)在液壓系統(tǒng)中控制和調(diào)節(jié)液體的壓力、流量和方向。根據(jù)控制功能的不同，液壓閥可分為壓力控制閥、流量控制閥和方向控制閥。壓力控制閥包括溢流閥(安全閥)、減壓閥、順序閥、壓力繼電器等；流量控制閥包括節(jié)流閥、調(diào)整閥、分流集流閥等；方向控制閥包括單向閥、液控單向閥、梭閥、換向閥等。根據(jù)控制方式不同，液壓閥可分為開關(guān)式控制閥、定值控制閥和比例控制閥。4、輔助元件輔助元件包括油箱、濾油器、冷卻器、加熱器、蓄能器、油管及管接頭、

4、密封圈、快換接頭、高壓球閥、膠管總成、測壓接頭、壓力表、油位計、油溫計等。5、液壓油液壓油是液壓系統(tǒng)中傳遞能量的工作介質(zhì)，有各種礦物油、乳化液和合成型液壓油等幾大類。（二）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)液壓系統(tǒng)由信號控制和液壓動力兩部分組成，信號控制部分用于驅(qū)動液壓動力部分中的控制閥動作。液壓動力部分采用回路圖方式表示，以表明不同功能元件之間的相互關(guān)系。液壓源含有液壓泵、電動機和液壓輔助元件；液壓控制部分含有各種控制閥，用于控制工作油液的流量、壓力和方向；執(zhí)行部分含有液壓缸或液壓馬達，其可按實際要求來選擇。在分析和設(shè)計實際任務(wù)時，一般采用方框圖顯示設(shè)備中實際運行狀況。 空心箭頭表示信號流，而實心箭頭則表示能量流。圖

5、2：破碎床液壓系統(tǒng)基本液壓回路中的動作順序控制元件（二位四通換向閥）的換向和彈簧復(fù)位、執(zhí)行元件（雙作用液壓缸）的伸出和回縮以及溢流閥的開啟和關(guān)閉。 對于執(zhí)行元件和控制元件，演示文稿都是基于相應(yīng)回路圖符號，這也為介紹回路圖符號作了準備。根據(jù)系統(tǒng)工作原理，您可對所有回路依次進行編號。如果第一個執(zhí)行元件編號為0，則與其相關(guān)的控制元件標識符則為1。如果與執(zhí)行元件伸出相對應(yīng)的元件標識符為偶數(shù)，則與執(zhí)行元件回縮相對應(yīng)的元件標識符則為奇數(shù)。 不僅應(yīng)對液壓回路進行編號，也應(yīng)對實際設(shè)備進行編號，以便發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)故障。DIN ISO1219-2標準定義了元件的編號組成，其包括下面四個部分：設(shè)備編號、回路編號、元件標識

6、符和元件編號。如果整個系統(tǒng)僅有一種設(shè)備，則可省略設(shè)備編號。實際中，另一種編號方式就是對液壓系統(tǒng)中所有元件進行連續(xù)編號，此時，元件編號應(yīng)該與元件列表中編號相一致。 這種方法特別適用于復(fù)雜液壓控制系統(tǒng)，每個控制回路都與其系統(tǒng)編號相對應(yīng)。二、液壓系統(tǒng)面向?qū)ο蟮姆治?（一）問題描述 液壓系統(tǒng)分為液壓傳動系統(tǒng)和液壓控制系統(tǒng)兩種類型，本文的研究對象是液壓傳動系統(tǒng)。液壓系統(tǒng)是能實現(xiàn)系統(tǒng)功能的液壓回路的總和。液壓回路又是能實現(xiàn)某種規(guī)定功能的液壓元件的組合。液壓元件是組成液壓系統(tǒng)的基本單元。主要的液壓元件有液壓泵、執(zhí)行元件（液壓缸、液壓馬達）、液壓控制閥（壓力控制閥、流量控制閥、方向控制閥等）、液壓輔件（密封圈

7、、濾油器、蓄能器、油箱及其附件、管件、熱交換器等）。液壓控制閥按照其安裝形式的不同又可分為普通閥、疊加閥、插裝閥。液壓回路是液壓元件組成的功能單元。液壓回路主要有壓力控制回路、流量（速度）控制回路、方向控制回路、安全回路、定位回路、同步回路、順序動作回路等。以上分類只是粗略分類，限于篇幅，詳細分類此處不一一列出。液壓系統(tǒng)設(shè)計就是根據(jù)機械師提出的主機的動作循環(huán)要求、靜、動態(tài)性能及液壓系統(tǒng)工作環(huán)境等方面的要求，進行系統(tǒng)的工況分析，確定主要參數(shù)（包括系統(tǒng)壓力、系統(tǒng)流量、液壓執(zhí)行元件類型及主要參數(shù)等），選擇合理的液壓回路和液壓元件，設(shè)計工作的最終形式是液壓系統(tǒng)原理圖和各種技術(shù)文件。（二）標識類和對象

8、類和對象是對應(yīng)用論域中的概念的標識，是系統(tǒng)分析的基礎(chǔ)。這一過程要考慮許多情況，以形成軟件復(fù)用的基礎(chǔ)。類和對象的標識是從對問題描述的分析開始的。在液壓系統(tǒng)中抽取出如下對象（本文的類即對象都是以大寫字母表示）：液壓系統(tǒng)（HYDRAULIC SYSTEM）、執(zhí)行元件（ACTUATOR）、液壓缸（CYLINDER）、液壓馬達（MOTOR）、液壓回路（CIRCUIT）、壓力控制回路（PRESSURE CONTROL）、流量（速度）控制回路（SPEED CONTROL）、方向控制回路（DIRECTIONAL VALVE CONTROL）、安全回路（SECURITY CONTROL）、定位回路（POSITI

9、ON CONTROL）、同步回路（SYNCHRONISE CIRCUIT）、順序動作回路（SEQUEUNT CIRCUIT）、液壓泵（PUMP）、閥（VALVE）、壓力控制閥（PRESSURE VALVE）、流量控制閥（FLOW VALVE）、方向控制閥（DIRECTIONAL VALVE）、液壓輔件（ACCESSORY）普通閥（COMMON VALVE）、插裝閥（CARTRIDGE VALVE）、疊加閥（SUPERIMPOSED VALVE）。因為液壓系統(tǒng)是一個很復(fù)雜的系統(tǒng)，在此不可能將所有的對象都列出，本文只列出了部分對象，為下文繼續(xù)分析提供依據(jù)。1、標識結(jié)構(gòu) 結(jié)構(gòu)層反映了對象之間的組裝及

10、繼承關(guān)系。整體部分結(jié)構(gòu)標識了組裝結(jié)構(gòu)，泛化特化關(guān)系反映了繼承關(guān)系。如果父對象，或泛化對象的屬性或特征可為其所有的子對象，或特化對象共享，就建立起了泛化特化關(guān)系。父對象和子對象的這種屬性共享就稱之為繼承性。父對象是由若干子對象以某種方式組裝而成的，就構(gòu)成了整體部分關(guān)系。這種關(guān)系一般建立在物理組裝的基礎(chǔ)上。雖然整體部分關(guān)系不象泛化特化關(guān)系那樣具有繼承性，但它們也同樣有重復(fù)度和參與度特征。重復(fù)度是指組成一個父對象的子對象的數(shù)量。（例如，一個液壓系統(tǒng)中有若干個調(diào)速回路。）參與度是指父對象或子對象是否都必須在整體部分關(guān)系中出現(xiàn)。（例如，一個液壓系統(tǒng)有若干個調(diào)速回路，而一個調(diào)速回路并不一定是一個液壓系統(tǒng)的

11、一部分。）在液壓系統(tǒng)中，由于液壓回路組成了液壓系統(tǒng)，液壓元件組成了液壓回路，所以整體部分結(jié)構(gòu)較容易標識。以液壓回路組成液壓系統(tǒng)為例，可得到圖3所示的組裝結(jié)構(gòu)。圖3： 液壓系統(tǒng)的組裝結(jié)構(gòu)示例圖中數(shù)字表示了整體與部分之間的數(shù)量關(guān)系。1,m表示一個液壓系統(tǒng)可由一個或多個泵源回路組成；0,m表示一個液壓系統(tǒng)可以包含零個或多個相應(yīng)回路；0,1表示該回路可以不作為該液壓系統(tǒng)的組成回路，也可以作為該液壓系統(tǒng)的組成回路。泛化特化關(guān)系在液壓系統(tǒng)中也是廣泛存在的。以閥的泛化特化關(guān)系為例，可得到如圖4所示繼承關(guān)系。圖4 ：泛化-特化結(jié)構(gòu)示例2、標識主題 過去的結(jié)構(gòu)化模型的特征之一就是層次分解。而大多數(shù)OOA模型的結(jié)

12、構(gòu)都相對平坦,除非應(yīng)用論域使用泛化特化結(jié)構(gòu)或整體部分結(jié)構(gòu)。事實上，可以通過建立多個主題來處理規(guī)模比較大的復(fù)雜模型。每個主題可以看作一個子系統(tǒng)。主題的概念是從觀察者的角度來看的。分析員可以依據(jù)子論域、子系統(tǒng)，甚至組織或地域等來區(qū)分主題，只要運用得當，所有這些規(guī)則都有助于主題劃分。本文討論的液壓系統(tǒng)根據(jù)子系統(tǒng)原則劃分為三個主題層。組成液壓系統(tǒng)的液壓回路對象及其對象之間的聯(lián)系構(gòu)成了回路層；組成液壓回路的液壓元件對象及其之間的聯(lián)系構(gòu)成了元件層。各主題層內(nèi)對象之間與主題層間的對象之間都存在著實例連接和消息通信。兩個主題層共同構(gòu)成了一個復(fù)雜的液壓系統(tǒng)。液壓系統(tǒng)主題層如圖5所示。圖5： 主題層示例系統(tǒng)的實例

13、連接示例如圖6所示（為簡單起見，圖中略去了屬性標識）。圖6： 實例連接示例3.標識服務(wù)及消息通信前面討論的均是應(yīng)用論域的某個靜態(tài)方面。對象之間的動態(tài)關(guān)系可以表示為對象所執(zhí)行的服務(wù)以及對象之間傳遞的消息。建立動態(tài)關(guān)系是為了說明所標識的各種對象是如何共同協(xié)作，使系統(tǒng)運作起來的。通常的步驟是，首先標識在每個對象中必須封裝的一組服務(wù)；然后將服務(wù)與對象的屬性相比較，驗證其一致性。如果已經(jīng)標識了某個對象的屬性，那么每個屬性就必須關(guān)聯(lián)到某個服務(wù)，否則這個屬性對于這個對象來說就形同虛設(shè)，永遠不可能被訪問。然后畫出對象之間的消息通信路徑，協(xié)調(diào)系統(tǒng)的行為。以“液壓系統(tǒng)”這個最上層的類對象為例，它有五個屬性(sys

14、tem_name，pressure_level，designer，pressure，max_flow_quantity)。“液壓系統(tǒng)”具有的行為：Set_Name , Get_Name , Set_System_Level , Get_System_Level , Set_Pressure_Level , Get_Pressure_Level , Set_Designer , Get_Designer , Set_Pressure , Get_Pressure , Set_Max_Flow_Quantity , Get_Max_Flow_Quantity?！耙簤合到y(tǒng)”與其它許多類-對象之間都有

15、消息通信。以“液壓系統(tǒng)”與“執(zhí)行元件”之間的消息通信為例?！耙簤合到y(tǒng)”在計算系統(tǒng)壓力（pressure）和系統(tǒng)最大流量（max_flow_quantity）時，需要各個執(zhí)行元件的壓力和流量參數(shù)，因此“液壓系統(tǒng)”在計算系統(tǒng)壓力和流量時，向“執(zhí)行元件”發(fā)送消息，請求提供相關(guān)參數(shù)。兩個對象及其消息通信如圖7所示。圖7： 服務(wù)及消息通信示例圖中“執(zhí)行元件”只有類邊界而沒有實例邊界，因為在現(xiàn)實世界中它需要以“液壓缸”和“液壓馬達”的形式出現(xiàn)。結(jié)論 本文以面向?qū)ο蟮姆治龇椒ㄟM行了液壓系統(tǒng)信息模型的分析研究，采用了Ed Yourdon的OOA分析和建模方法，討論了液壓系統(tǒng)的OOA模型的建立的過程。在此作者并未給出液壓系統(tǒng)的詳細OOA模型，原因有兩個：液壓系統(tǒng)是一個復(fù)雜的系統(tǒng)，在短短的幾頁內(nèi)很難完善表達系統(tǒng)的整體模型；作者寫作本文的主旨是希望和進行系統(tǒng)分析和設(shè)計的研究人員探討面向?qū)ο蟮姆椒ㄔ诠こ淘O(shè)計中的應(yīng)用，因此文中未涉及較深入的液壓領(lǐng)域?qū)I(yè)知識。面向?qū)ο蟮姆治瞿Ｐ褪擒浖到y(tǒng)開發(fā)的基礎(chǔ)，最終要過渡到面向?qū)ο蟮脑O(shè)計模型和面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計。然而，面向?qū)ο蟮姆治鲞^程卻是最重要的，因為在這里主要涉及應(yīng)用論域的問題，分析過程是對應(yīng)用論域