滅火瓶沖擊試驗臺設(shè)計與實現(xiàn)

趙米鋒，吳娟

(西北工業(yè)大學自動化學院，陜西西安 710072)

滅火瓶沖擊試驗臺設(shè)計與實現(xiàn)

趙米鋒，吳娟

(西北工業(yè)大學自動化學院，陜西西安 710072)

滅火瓶沖擊試驗臺是用來測試飛機上滅火瓶質(zhì)量的重要產(chǎn)品。滅火瓶在裝配到飛機之前要對其做沖擊試驗，以檢查其質(zhì)量是否合格。設(shè)計一個滅火瓶沖擊試驗臺，該試驗臺的沖擊頻率可通過調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速進行調(diào)節(jié)，實現(xiàn)不同轉(zhuǎn)速下沖擊試驗。測控系統(tǒng)下位機使用S7-400PLC進行現(xiàn)場控制和數(shù)據(jù)采集，上位機使用WinCC軟件進行現(xiàn)場監(jiān)控和數(shù)據(jù)歸檔。

滅火瓶;沖擊試驗臺;變頻電機;PLC;高速數(shù)據(jù)采集

飛機上的滅火瓶在飛機的起飛和降落過程中將會承受很大的過載加速度，若該沖擊加速度超過了滅火瓶所能承受的最大沖擊加速度值，可能會使滅火瓶爆裂，引起無法預料的事故。滅火瓶的抗沖擊性顯得尤為重要。因而在出廠之前要對滅火瓶進行沖擊耐久試驗，檢查其是否合格。為了能夠方便地檢測滅火瓶的質(zhì)量是否達標，根據(jù)某航空公司的要求，設(shè)計了一臺性能可靠、成本低廉、操作方便的滅火瓶沖擊試驗臺。

1 系統(tǒng)性能需求

根據(jù)某航空公司的要求，試驗臺要求沖擊加速度在2～15g內(nèi)可調(diào)，沖擊頻率要求在150～200次/min內(nèi)可調(diào)，工作臺最大跌落范圍L小于20 mm，工作臺質(zhì)量60 kg，工作臺最大承載質(zhì)量小于80 kg。控制系統(tǒng)采用上位機實現(xiàn)。系統(tǒng)控制分自動控制和手動控制，數(shù)據(jù)自動采集存儲，可進行關(guān)鍵詞檢索，有良好的人機交互界面。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理分析

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析

系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示，試驗臺包括機械結(jié)構(gòu)部分和測控系統(tǒng)部分。

圖1 滅火瓶沖擊試驗臺示意圖

機械結(jié)構(gòu)又包括工作機構(gòu)和傳動機構(gòu)。工作機構(gòu)由工作臺、彈簧、頂桿和凸輪組成。滅火瓶通過被試件夾具固定在工作臺面上，試驗時，隨著工作臺面一起運動。

傳動機構(gòu)由電機、減速機和傳動皮帶等組成。電機軸連接減速機的輸入軸，通過減速機減速和皮帶傳動調(diào)節(jié)凸輪的轉(zhuǎn)速至所需范圍，從而達到工作臺的工作頻率要求。

測控部分由上位機、上位機軟件WinCC、PLC、變頻器組成。通過上位機發(fā)出控制信號，經(jīng)PLC運算輸出到變頻器調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速。同時PLC采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)給上位機通過上位機軟件WinCC進行數(shù)據(jù)處理和歸檔。

2.1.1 工作臺簡單工作原理

試驗時，將產(chǎn)品通過夾具固定在工作臺面上，電機通過皮帶傳動帶動與皮帶輪同軸的凸輪旋轉(zhuǎn)，凸輪旋轉(zhuǎn)一周將工作臺頂起一次。由于凸輪的特殊結(jié)構(gòu)，在工作臺被凸輪頂起后將近似自由落體跌落在彈簧上，由于彈簧的彈性抗力，給工作臺一個向上的作用力，進而使工作臺的下落速度瞬時變?yōu)榱?，因而會產(chǎn)生較大的瞬時沖擊加速度。調(diào)整彈簧底部的位置或者更換彈簧就可以調(diào)節(jié)過載加速度。

2.1.2 工作臺下落過程分析

工作臺在下落過程中，工作臺首先做一個近似的自由落體運動，自由落體的高度可通過調(diào)節(jié)螺帽調(diào)節(jié)彈簧底部的高度進行調(diào)節(jié)。當工作臺接觸到彈簧之后開始壓縮彈簧。彈簧由自由伸縮狀態(tài)被壓縮。此時工作臺做加速度遞增的減速運動。當工作臺下落速度變?yōu)榱銜r，試驗臺達到最大的沖擊加速度。將工作臺、負載及其他附件視作一個整體，工作臺下降速度變?yōu)榱銜r，工作臺的重力勢能完全轉(zhuǎn)化為彈簧的彈性勢能(不考慮內(nèi)能損失)，整個過程遵循能量守恒定律。整個過程若不計彈簧的質(zhì)量及其他摩擦損失，可構(gòu)成典型的單自由度系統(tǒng)，稱之為彈簧質(zhì)量系統(tǒng)。

工作臺下落的數(shù)學模型分析如圖2所示。其中m為實驗臺面、產(chǎn)品及夾具的總質(zhì)量，H為m自由落體的高度，K為彈簧剛度系數(shù)，h為m的重力等于彈簧的彈力即平衡位置時彈簧的被壓縮量。設(shè)m在平衡位置時為位移坐標x的零點，方向向下為正，以撞擊時刻為時間起點。g為重力加速度。根據(jù)m受力平衡和能量守恒定律，得系統(tǒng)初始狀態(tài):

圖2 工作臺下落數(shù)學模型

當m偏離平衡位置的距離為x時，m運動的微分方程為:

根據(jù)上式，當彈簧剛度系數(shù)K越大，工作臺及產(chǎn)品總質(zhì)量越小，系統(tǒng)達到的沖擊加速大越大。

若彈簧選定，工作臺及產(chǎn)品質(zhì)量選定時，計算工作臺自由落體的高度H。

從上式可得到:當工作臺及產(chǎn)品質(zhì)量和彈簧剛度系數(shù)選定后，工作臺自由落體的高度與產(chǎn)品所需要達到的最大沖擊加速度有關(guān)。只需要調(diào)節(jié)工作臺自由落體的高度H就可以達到改變最大沖擊加速度的目的。

2.2 變頻調(diào)速控制系統(tǒng)

傳動系統(tǒng)采用四級變頻電機，由于四級變頻電機轉(zhuǎn)速高于系統(tǒng)工作頻率，因而采用減速器達到降低轉(zhuǎn)速的目的。同時，由于系統(tǒng)要求工作臺的工作頻率在150～200次/min內(nèi)可調(diào)，采用變頻器調(diào)節(jié)電機輸入電源頻率達到調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的目的。變頻調(diào)速系統(tǒng)框圖如圖3所示。

圖3 變頻調(diào)速系統(tǒng)框圖

該系統(tǒng)采用PLC和變頻器控制變頻電機轉(zhuǎn)速的方法，給定速度與PLC高速計數(shù)模塊反饋回來的電機實際轉(zhuǎn)速產(chǎn)生差值，經(jīng)PLC運算可得控制量，再由RS485接口輸出到變頻器以驅(qū)動變頻電機，達到調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速的目的。PLC和變頻器之間沒有進行D/A轉(zhuǎn)換，而是采用RS485進行通訊，有效地提高了系統(tǒng)的抗干擾能力并且減小了A/D轉(zhuǎn)換的誤差。

3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

3.1 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

該試驗臺設(shè)備回路較少，模擬信號少，采用PLC進行控制和數(shù)據(jù)采集。PLC是一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應用而設(shè)計的數(shù)字運算操作的電子裝置。有可靠性高、抗干擾能力強、功能強大、靈活、易學易用、體積小、質(zhì)量輕、價格便宜的特點。

為了確保數(shù)據(jù)的傳輸能快速、有效進行，經(jīng)過反復比較，選擇了目前通信速率較高的現(xiàn)場總線Profibus-DP將控制層與設(shè)備層連接起來，構(gòu)成一個穩(wěn)定、易于擴展的硬件環(huán)境。

控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示，測控系統(tǒng)的監(jiān)控層由一臺工控機組成，通過WinCC實現(xiàn)現(xiàn)場設(shè)備監(jiān)控、數(shù)據(jù)歸檔和查詢等功能。

圖4 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

監(jiān)控層由一臺工控機和WinCC軟件組成，實現(xiàn)對系統(tǒng)的控制、運行狀態(tài)的實時監(jiān)測以及數(shù)據(jù)的處理、歸檔和查詢?？刂茖佑蒘7-400的PLC組成，負責現(xiàn)場數(shù)據(jù)的高速采集和過程控制等工作。

3.2 實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)采集原理

沖擊試驗臺要采集工作臺沖擊的加速度以及凸輪的轉(zhuǎn)速來觀測當前系統(tǒng)的沖擊頻率。由于試驗臺對加速度的精確度要求較高，而工作臺完成一次沖擊的時間很短，因而要進行高速數(shù)據(jù)采集，才能反映系統(tǒng)的實際工作情況。采用S7-400PLC和WinCC可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速數(shù)據(jù)采集。而WinCC刷新的周期最小也要250 ms，遠遠不能達到系統(tǒng)的要求，而這種采集方式主要是WinCC以主動訪問的形式采集PLC中數(shù)據(jù)，是單個過程值的訪問。這種數(shù)據(jù)采集形式受到WinCC刷新周期的限制，對一般的數(shù)據(jù)采集要求不高的場合完全可以滿足系統(tǒng)的要求，在此系統(tǒng)中若還是采用這種數(shù)據(jù)采集形式會丟失很多數(shù)據(jù)，不能滿足系統(tǒng)的要求。

許多采集卡會有一定容量的緩存區(qū)。采集卡從現(xiàn)場獲得信號并進行A/D轉(zhuǎn)換之后，將數(shù)據(jù)存儲在緩存區(qū)中。為了實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集的連續(xù)性，通常是將緩存區(qū)分為兩個緩存區(qū)1和2。當緩存區(qū)1存滿時，則發(fā)出一個信號到計算機，計算機啟動數(shù)據(jù)讀取程序，將緩存區(qū)1中的數(shù)據(jù)讀取到計算機，完成之后清除緩存區(qū)1中的數(shù)據(jù)。在此期間，高速采集的數(shù)據(jù)存儲在緩存區(qū)2中，和緩存區(qū)1的過程相同，將緩存區(qū)2的數(shù)據(jù)存儲到計算機。這樣交替進行，就可完成高速數(shù)據(jù)采集。這種數(shù)據(jù)采集的形式是PLC主動發(fā)給WinCC，數(shù)據(jù)發(fā)送的形式是數(shù)據(jù)包，更重要的是數(shù)據(jù)采集不受WinCC刷新頻率的限制，大大提高了數(shù)據(jù)采集的速度，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)高速采集，實時反映了系統(tǒng)的工作情況。

同樣的道理，這種高速數(shù)據(jù)采集的過程可以用在PLC+WinCC系統(tǒng)中。在PLC建立兩個DB塊1和2。PLC采集到的過程值以一定的格式存放在DB塊1中，當DB塊1存滿之后，PLC調(diào)用系統(tǒng)功能塊SFB37將DB塊1中的數(shù)據(jù)主動發(fā)給WinCC，同時發(fā)出一個高電平脈沖信號，觸發(fā)上位機調(diào)用標準化DLL來拆解數(shù)據(jù)，并按其順序保存在數(shù)據(jù)庫中。同時清除DB塊1中的數(shù)據(jù)。在此過程中，PLC采集到的數(shù)據(jù)先保存在DB塊2中，當DB塊2存滿之后，以同樣的過程存儲到WinCC的數(shù)據(jù)庫中。

3.3 數(shù)據(jù)采集的實現(xiàn)

3.3.1 PLC緩沖區(qū)的建立和數(shù)據(jù)采集編程

在DB1中建立兩個緩沖區(qū)Buf1和Buf2，分別可以存儲25組模擬量數(shù)據(jù)。工作臺加速度傳感器輸出的信號是標準的電流信號，所以其數(shù)據(jù)類型為REAL型，每個 REAL占 4個字節(jié) (如 DBD0.0到DBD3.7)，所以緩沖區(qū)的地址從 DBD0.0到DBD200.0。建立的緩沖區(qū)如圖5所示。

圖5 緩沖區(qū)的建立

每次PLC上電之后，首先對各個數(shù)據(jù)單元進行初始化，其中包括對地址寄存器MD152和數(shù)據(jù)個數(shù)記數(shù)單元MW150的清零。每次采集完一組數(shù)據(jù)，地址寄存器向后移動一個地址。因為一個數(shù)據(jù)占用4個字節(jié)，相當于地址寄存器向后移動32位。同時給計數(shù)單元MW150加1。當MW150為25時，給M57.2一個高電平信號，觸發(fā)上位機啟動數(shù)據(jù)解包程序，解壓PLC上傳的數(shù)據(jù)包，同時將高速數(shù)據(jù)采集計數(shù)單元清零，準備下一輪數(shù)據(jù)采集。采集程序如圖6所示。

圖6 PLC高速數(shù)據(jù)采集程序

PLC執(zhí)行完上述程序就可以將數(shù)據(jù)存儲在緩沖區(qū)中，同時觸發(fā)上位機執(zhí)行數(shù)據(jù)解包程序。3.3.2 上位機組態(tài)

(1)監(jiān)控軟件

PLC和上位機軟件WinCC之間通過PLC通訊模塊進行通訊。在WinCC中通過建立外部變量和PLC進行信號交換。為了不使上位機負荷過大，當系統(tǒng)變量過多時，外部變量的刷新周期不宜太短。當現(xiàn)場信號變化時，可將信號上傳至上位機進行計算和處理。同時上位機也可以發(fā)送控制信號至下位機，下位機進行計算之后輸出到PLC的輸出端控制現(xiàn)場設(shè)備。

(2)數(shù)據(jù)歸檔

在進行高速數(shù)據(jù)采集時，上位機的刷新周期不能滿足系統(tǒng)要求，在PLC將高速采集來的數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)包的形式發(fā)送到上位機。WinCC不能直接對原始數(shù)據(jù)進行處理，可以通過WinCC提供的C腳本編寫處理原始數(shù)據(jù)變量的全局動作。調(diào)用WinCC內(nèi)部函數(shù)GetTagRaw()對PLC采集的高速數(shù)據(jù)包進行拆包處理，可以以記事本的形式存儲在上位機硬盤中，WinCC可以通過C腳本訪問硬盤上的數(shù)據(jù)。

在WinCC中，可以通過在線趨勢控件來查看采集到的數(shù)據(jù)曲線，也可以用I/O控件來鏈接顯示當前數(shù)據(jù)。

4 結(jié)束語

根據(jù)實際工程需要，本著可靠性高、抗干擾能力強、操作簡單的原則設(shè)計了以PLC作為控制器的測控系統(tǒng)和以變頻器、變頻電機和減速機組成的調(diào)速系統(tǒng)。目前該系統(tǒng)已成功投入使用，而且達到預期的功能和精度要求。

由于受到通訊條件的限制，文中采用了PLC和WinCC進行高速數(shù)據(jù)采集的系統(tǒng)。PLC和WinCC通過I/O驅(qū)動程序?qū)崿F(xiàn)信息交換，WinCC通過自帶的腳本函數(shù)實現(xiàn)了高速數(shù)據(jù)采集。

【1】蘇昆哲.深入淺出西門子WinCC V6［M］.北京:北京航空航天大學出版社，2004.

【2】龔仲華.S7-200/300/400 PLC應用技術(shù)［M］.北京:人民郵電出版社，2006.

【3】馮垛生.交流調(diào)速系統(tǒng)［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2008.

【4】趙清，姜海濤.變頻器與電動機控制電路解讀［M］.北京:電機工業(yè)出版社，2011.

Design and Imp lementation of Fire Extinguisher Bottle Impact Test-bed

ZHAO Mifeng，WU Juan
(Automation Control Department，Northwestern Polytechnical University，Xi'an Shaanxi710072，China)

Fire extinguisher bottle impact test-bed is a very important product to test the quality of fire extinguisher bottle on the aircraft.Fire extinguisher bottle quality should be checked before assembly.A fire extinguisher bottle impact test-bed was designed.The impact frequency of the test-bed was adjusted by adjusting themotor speed and impact tests under different speedswere achieved.S7-400PLCwas used as lower computer of themeasure and control system to control and acquire data.WinCC software was used in superiormachine to realize on-sitemonitoring and data archiving.

Fire extinguisher bottle;Impact test bench;Invertermotor;PLC;High-speed data acquisition

TP237.5;TP274.2

A

1001－3881(2013)9－108－4

10.3969/j.issn.1001 －3881.2013.09.030

2012－04－10

趙米鋒 (1987—)，男，碩士研究生，主要研究方向為機械電子工程。E－mail:zhaomifeng2006@163.com。