1、基于 plc 控制的多功能液壓實驗臺設計 （王挺） （西南科技大學網絡學院機電一體化技術專業 13 年秋季） 【摘要】： 本文介紹了 plc 控制的液壓系統分析和多功能液壓實驗臺設計， 以液壓系統設計為工程應用背景， 探討了面向對象的分析方法在工程系統分析中 的應用。分析液壓系統的類層次構成及液壓實驗太設計。 【關鍵詞】： 液壓系統 液壓實驗太設計 目錄 一、液壓系統的分析簡介 3 （一） 組成部分 3 1、動力元件 3 2、執行元件 3 3、控制元件 4 4、輔助元件 4 5、液壓油 4 （二）系統結構 4 二、液壓系統面向對象的分析 6 （一）問題描述 6 （二）標識類和對象 6 1、標識

2、結構 7 2、標識主題 8 3. 標識服務及消息通信 9 結論 11 參考文獻： 12 、液壓系統的分析簡介 液壓系統的作用為通過改變壓強增大作用力。 一個完整的液壓系統由五個部 分組成，即動力元件、執行元件、控制元件、輔助元件（附件）和液壓油。液壓 系統可分為兩類： 液壓傳動系統和液壓控制系統。 液壓傳動系統以傳遞動力和運 動為主要功能 。液壓控制系統則要使液壓系統輸出滿足特定的性能要求（特別 是動態性能）， 通常所說的液壓系統主要指液壓傳動系統。 （一） 組成部分 圖 1: 鏟運機液壓系統 一個完整的液壓系統由五個部分組成，即動力元件、執行元件、控制元件、 輔助元件（附件）和液壓油。 1、

3、動力元件 動力元件的作用是將原動機的機械能轉換成液體的壓力能， 指液壓系統中的 油泵，它向整個液壓系統提供動力。液壓泵的結構形式一般有齒輪泵、葉片泵、 柱塞泵和螺桿泵。 2、執行元件 執行元件 （如液壓缸和液壓馬達 ）的作用是將液體的壓力能轉換為機械能， 驅 動負載作直線往復運動或回轉運動。 3、控制元件 控制元件 （即各種液壓閥 ） 在液壓系統中控制和調節液體的壓力、流量和方 向。根據控制功能的不同， 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 包括節流閥、調整閥、分流集流閥等；方向控制閥包括單向閥、液

4、控單向閥、梭 閥、換向閥等。根據控制方式不同，液壓閥可分為開關式控制閥、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、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 液壓油是液壓系統中傳遞能量的工作介質，有各種礦物油、乳化液和合成型 液壓油等幾大類。 （二）系統結構 液壓系統由信號控制和液壓動力兩部分組成， 信號控制部分用于驅動液壓動 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

5、控制閥， 用 于控制工作油液的流量、 壓力和方向； 執行部分含有液壓缸或液壓馬達， 其可按 實際要求來選擇。 在分析和設計實際任務時，一般采用方框圖顯示設備中實際運行狀況。 空 心箭頭表示信號流，而實心箭頭則表示能量流。 圖 2 ：破碎床液壓系統 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 位、執行元件（雙作用液壓缸）的伸出和回縮以及溢流閥的開啟和關閉。 對于 執行元件和控制元件， 演示文稿都是基于相應回路圖符號， 這也為介紹回路圖符 號作了準備。 根據系統工作原理，您可對所有回路依次進行編號。如果第一個執行元件編 號為 0，則與其相關的控制元件標識符則為 1。如果與

6、執行元件伸出相對應的元 件標識符為偶數，則與執行元件回縮相對應的元件標識符則為奇數。 不僅應對 液壓回路進行編號，也應對實際設備進行編號，以便發現系統故障。 DIN ISO1219-2 標準定義了元件的編號組成，其包括下面四個部分：設備編 號、回路編號、元件標識符和元件編號。如果整個系統僅有一種設備，則可省略 設備編號。 實際中，另一種編號方式就是對液壓系統中所有元件進行連續編號，此時， 元件編號應該與元件列表中編號相一致。 這種方法特別適用于復雜液壓控制系 統，每個控制回路都與其系統編號相對應。 二、液壓系統面向對象的分析 （一）問題描述 液壓系統分為液壓傳動系統和液壓控制系統兩種類型，本文

7、的研究對象是液 壓傳動系統。 液壓系統是能實現系統功能的液壓回路的總和。 液壓回路又是能實 現某種規定功能的液壓元件的組合。 液壓元件是組成液壓系統的基本單元。 主要 的液壓元件有液壓泵、執行元件（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、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

8、不一一列出。 液壓系統設計就是根據機械師提出的主機的動作循環要求、 靜、動 態性能及液壓系統工作環境等方面的要求， 進行系統的工況分析， 確定主要參數 （包括系統壓力、系統流量、液壓執行元件類型及主要參數等），選擇合理的液 壓回路和液壓元件，設計工作的最終形式是液壓系統原理圖和各種技術文件。 二）標識類和對象 類和對象是對應用論域中的概念的標識， 是系統分析的基礎。 這一過程要考 慮許多情況， 以形成軟件復用的基礎。 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（ HYDRAULICS YSTE）M、執行元件（ ACTU

9、ATO）R、液壓缸（ CYLINDE）R 、 液壓馬達（MOTO）R、液壓回路（CIRCUIT）、壓力控制回路 （PRESSU RCEO NTRO)L、 流量（速度）控制回路（ SPEEDC ONTRO）L、方向控制回路（ DIRECTIONALV ALVE CONTRO）L、安全回路（ SECURITYC ONTRO）L、定位回路（ POSITIONC ONTRO）L、 同步回路( SYNCHRONISE CIRCU)IT、順序動作回路( SEQUEUNT CIRCU)IT、液 壓泵(PUM)P、閥(VALVE)、壓力控制閥(PRESSURVEA LVE)、流量控制閥 (FLOW VALVE

10、)、方向控制閥( DIRECTIONAL VALV)E、液壓輔件( ACCESSO)RY, 普 通閥( COMMON VAL)V、E 插裝閥( CARTRIDGE VALV)E、疊加閥( SUPERIMPOSED VALVE), 。 因為液壓系統是一個很復雜的系統， 在此不可能將所有的對象都列出， 本文 只列出了部分對象，為下文繼續分析提供依據。 1、標識結構 結構層反映了對象之間的組裝及繼承關系。整體部分結構標識了組裝結 構，泛化特化關系反映了繼承關系。 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系。 父對象和子 對象的這種屬性共享就稱

11、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，就構成了整體部分關系。 這種關系一般建立在物理組裝的基礎上。 雖然 整體部分關系不象泛化特化關系那樣具有繼承性， 但它們也同樣有重復度和 參與度特征。重復度是指組成一個父對象的子對象的數量。 (例如，一個液壓系 統中有若干個調速回路。 )參與度是指父對象或子對象是否都必須在整體部分 關系中出現。 (例如，一個液壓系統有若干個調速回路，而一個調速回路并不一 定是一個液壓系統的一部分。) 在液壓系統中，由于液壓回路組成了液壓系統，液壓元件組成了液壓回路， 所以整體部分結構較容易標識。以液壓回路組成液壓系統為例，可得到圖 3 所示的組裝結構。

12、 圖 3 ： 液壓系統的組裝結構示例 圖中數字表示了整體與部分之間的數量關系。 1,m 表示一個液壓系統可由一 個或多個泵源回路組成； 0,m 表示一個液壓系統可以包含零個或多個相應回路； 0,1 表示該回路可以不作為該液壓系統的組成回路， 也可以作為該液壓系統的組 成回路。 泛化特化關系在液壓系統中也是廣泛存在的。以閥的泛化特化關系為 例，可得到如圖 4 所示繼承關系。 2、標識主題 過去的結構化模型的特征之一就是層次分解。 而大多數 OOA模型的結構都相 對平坦, 除非應用論域使用泛化特化結構或整體部分結構。事實上，可以通 過建立多個主題來處理規模比較大的復雜模型。每個主題可以看作一個子系

13、統。 主題的概念是從觀察者的角度來看的。 分析員可以依據子論域、 子系統， 甚至組 織或地域等來區分主題，只要運用得當，所有這些規則都有助于主題劃分。 本文討論的液壓系統根據子系統原則劃分為三個主題層。 組成液壓系統的液 壓回路對象及其對象之間的聯系構成了回路層； 組成液壓回路的液壓元件對象及 其之間的聯系構成了元件層。 各主題層內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。 兩個主題層共同構成了一個復雜的液壓系統。 液壓系統 主題層如圖 5 所示。 系統的實例連接示例如圖 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. 標識服務及消息通信 前面討論的均

14、是應用論域的某個靜態方面。 對象之間的動態關系可以表示為 對象所執行的服務以及對象之間傳遞的消息。 建立動態關系是為了說明所標識的 各種對象是如何共同協作， 使系統運作起來的。 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；然后將服務與對象的屬性相比較，驗證其一致性。 如果已經標識了某個對象的屬性， 那么每個屬性就必須關聯到某個服務， 否則這個屬性對于這個對象來說就形同虛設， 永遠不可能被訪問。 然后畫出對象之間的 消息通信路徑，協調系統的行為。 以“液壓系統”這個最上層的類對象為例，它有五個屬性(system_name， pressure_level ，designer ，pre

15、ssure ，max_flow_quantity) ?！耙簤合到y”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 。“液壓系統” 與其它許多類 - 對象之間都有消息通信。 以“液壓系統”與“執行元件”之間的消息通信為

16、例?！耙簤合到y”在計算系統 壓力( pressure )和系統最大流量( max_flow_quantity )時，需要各個執行元 件的壓力和流量參數，因此“液壓系統”在計算系統壓力和流量時，向“執行元 件”發送消息，請求提供相關參數。兩個對象及其消息通信如圖 7 所示。 圖 7： 服務及消息通信示例 圖中“執行元件” 只有類邊界而沒有實例邊界， 因為在現實世界中它需要以 液壓缸”和“液壓馬達”的形式出現。 10 結論 本文以面向對象的分析方法進行了液壓系統信息模型的分析研究， 采用了 Ed Yourdon的 OOA分析和建模方法，討論了液壓系統的 OOA模型的建立的過程。在 此作者并未給出液壓系統的詳細 OOA模型，原因有兩個： 液壓系統是一個復雜的 系統，在短短的幾頁內很難完善表達系統的整體模型； 作者寫作本文的主旨是希 望和進行系統分析和設計的研究人員探討面向對象的方法在工程設計中的應用， 因此文中未涉及較深入的液壓領域專業知識。 面向對象的分析模型是軟件系統開發的基礎， 最終要過渡到面向對象的設計 模型和面向對象的程序設計。 然而， 面向對象的分析過程卻是最重要的， 因為在 這里主要涉及應用論域的問題， 分析過程是對應用論域認識