電液伺服綜合試驗系統(tǒng)的設(shè)計及應(yīng)用

龐家柳

（柳州市自動化科學(xué)研究所，廣西 柳州 545001）

0 引言

TZ 100KN 電液伺服綜合試驗機(jī)是一種拉壓雙向動靜試驗系統(tǒng)，主要用于測試各種金屬材料、高強(qiáng)度非金屬、復(fù)合材料及部件，如汽車板簧、門鎖、鏈條等，在常溫下的動靜力學(xué)性能，可對被測試件施加規(guī)則波形和任意波形試驗，其負(fù)荷、位移(變形)兩種狀況任意轉(zhuǎn)換。試件裝夾、橫梁升降、鎖緊均為液壓驅(qū)動、操作方便，安全可靠。隨著電子技術(shù)、虛擬儀器儀表技術(shù)、總線技術(shù)的快速發(fā)展，原系統(tǒng)的硬件、軟件功能已經(jīng)跟不上科技發(fā)展的步伐，應(yīng)用現(xiàn)有的技術(shù)成果和先進(jìn)經(jīng)驗對其進(jìn)行技術(shù)升級改造，使設(shè)備更能滿足具體要求，尤其在我國產(chǎn)品更新?lián)Q代緩慢的條件下，具有較大的意義。

1 存在的問題

原系統(tǒng)使用年限已久，計算機(jī)、信號調(diào)制電路、伺服閥驅(qū)動器、控制電路、油源系統(tǒng)出現(xiàn)不同程度老化；負(fù)荷傳感器及其信號調(diào)制電路出現(xiàn)問題，致使負(fù)荷測量不準(zhǔn)確；試驗操作界面不友好，參數(shù)設(shè)定不直觀、不方便，試驗時操作繁瑣，且其程序為16 位程序，不利于升級和修改；液壓源采用調(diào)壓回路和旁路分油的方式實現(xiàn)輸出壓力調(diào)節(jié)，耗電量大。

2 系統(tǒng)設(shè)計

由于出現(xiàn)上述問題，該試驗系統(tǒng)已無法正常使用，為了恢復(fù)系統(tǒng)功能，延長系統(tǒng)壽命，對原系統(tǒng)進(jìn)行下列技術(shù)升級改造(如圖1 所示)，系統(tǒng)由高壓油源(變頻器和液壓泵等)、檢測變送裝置(位移、負(fù)荷傳感器和位移、負(fù)荷變送器)、控制器(PLC)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)(伺服閥及其驅(qū)動器)以及操作界面(上位機(jī))組成。

圖1 系統(tǒng)硬件組成圖(控制部分、機(jī)械部分略)

LabVIEW 是虛擬儀器領(lǐng)域中最具有代表性的圖形化編程開發(fā)平臺，它廣泛地被工業(yè)界、學(xué)術(shù)界和研究實驗室所接受，視為一個標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件。上位機(jī)采用基于LabVIEW 開發(fā)的人機(jī)界面，通過RS232 與PLC 進(jìn)行通訊，實時監(jiān)測和顯示油源系統(tǒng)以及PLC的狀態(tài)，完成數(shù)據(jù)記錄、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)保存、參數(shù)設(shè)置、報表統(tǒng)計、打印等功能。

3 系統(tǒng)工作原理

電液伺服綜合試驗系統(tǒng)有位移控制和負(fù)荷控制兩種方式，位移控制系統(tǒng)位移跟隨設(shè)定變化，負(fù)荷控制系統(tǒng)負(fù)荷跟隨設(shè)定變化。控制算法為PID 控制算法，比例系數(shù)、積分增益、微分增益三個參數(shù)可調(diào)。將位移、負(fù)荷傳感器信號以及伺服閥控制信號轉(zhuǎn)化成標(biāo)準(zhǔn)電流信號，PLC 按一定的時間間隔采集位移、負(fù)荷、壓力信號，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行運算、存儲，PLC 根據(jù)上位機(jī)的操作，載入不同類型的試驗(包括靜態(tài)位移試驗、靜態(tài)負(fù)荷試驗、動態(tài)負(fù)荷試驗、動態(tài)位移試驗)，位移、負(fù)荷PID控制運算輸出通過DA 模塊變成0～10V 信號后做為伺服放大器的輸入，伺服放大器在將其轉(zhuǎn)換成-40mA～40mA 的控制信號，控制電液伺服閥中高壓油的流量，從而改變油缸的位置和負(fù)荷；壓力PID 控制運算輸出通過DA 模塊變成0～10V 信號后做為變頻器是頻率設(shè)定，控制液壓泵的轉(zhuǎn)速，從而調(diào)整油源系統(tǒng)的出口壓力，控制程序流程圖如圖2 所示。

圖2 控制程序流程圖

基于LabVIEW 開發(fā)的電液伺服綜合試驗系統(tǒng)，操作界面程序部分采用了生產(chǎn)者/消費者的設(shè)計模式，該設(shè)計模式要求有一個隊列，生產(chǎn)者以事件驅(qū)動方式生成隊列中的項，消費者根據(jù)隊列中的元素異步執(zhí)行代碼。本系統(tǒng)程序中，數(shù)據(jù)通訊和部分需要重復(fù)使用的功能，使用了這一設(shè)計模式來設(shè)計。

生產(chǎn)者就是一個定時循環(huán)結(jié)構(gòu)和一個用戶事件結(jié)構(gòu)，消費者就事件處理器。定時循環(huán)中的代碼產(chǎn)生周期性事件，比如數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)記錄和通訊偵測；用戶事件結(jié)構(gòu)產(chǎn)生用戶進(jìn)行操作時觸發(fā)的事件，比如數(shù)據(jù)處理、參數(shù)設(shè)置等等；指令隊列處理器包含了多條指令，每條指令都有不同的功能，它們主要實現(xiàn)與PLC 通訊和顯示界面的更新(如圖3 所示)。

4 電液伺服綜合試驗機(jī)信息化管理系統(tǒng)

本信息化管理系統(tǒng)用于微機(jī)控制電液伺服綜合試驗機(jī)，進(jìn)行各種金屬及非金屬的試驗，按照相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)完成實時測量與顯示、實時控制及數(shù)據(jù)處理、結(jié)果輸出等各種功能（部分功能如下圖4、圖5、圖6 所示），具有以下主要特點：操作都從軟件上進(jìn)行，各參數(shù)可方便的進(jìn)行存儲和調(diào)入；

圖3 PLC 與LabVIEW 數(shù)據(jù)通訊

圖4 電液伺服綜合試驗系統(tǒng)(靜態(tài)試驗)主界面

（5）試驗數(shù)據(jù)以文本文件存貯，以方便用戶查詢，以及利用任何通用商業(yè)報表、字處理軟件對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行再處理，同時方便聯(lián)網(wǎng)傳遞數(shù)據(jù)；

（6）可記錄、保存試驗全過程的數(shù)據(jù)曲線，并具有演示功能，實現(xiàn)試驗曲線再現(xiàn)，還可以進(jìn)行曲線疊加對比，便于對比分析；

（7）可按用戶要求格式打印試驗報告，用戶可以自己選擇報告輸出基本信息和試驗結(jié)果及試驗曲線的內(nèi)容，滿足各種需要；

（8）具備過載保護(hù)自動停機(jī)功能，并可以自動判斷試樣斷裂，自動停機(jī)。

圖5 動態(tài)試驗界面

（1）分權(quán)限管理，不同級別的操作者有不同的操作權(quán)限，可操作的菜單等內(nèi)容也不同，有效的保護(hù)了系統(tǒng)；

（2）實時測量與顯示試驗力及峰值、位移、變形等各信號；

（3）實現(xiàn)了負(fù)荷-變形，負(fù)荷-位移等多種試驗曲線的實時屏幕顯示，可隨時切換觀察，曲線的放大與縮小非常方便；

（4）具備試驗參數(shù)的計算機(jī)存儲、設(shè)定、加載等功能，調(diào)零、標(biāo)定等

圖6 參數(shù)設(shè)置界面

5 結(jié)語

我們設(shè)計的這套基于PLC 和LabVIEW 的電液伺服綜合試驗系統(tǒng)，能夠?qū)﹄娨核欧C合試驗機(jī)性能及工藝參數(shù)進(jìn)行高速實時的數(shù)據(jù)采集，并將數(shù)據(jù)及時地送入計算機(jī)進(jìn)行分析、處理，最后將結(jié)果形象地顯示在計算機(jī)屏幕上。系統(tǒng)升級改造交付廠家使用以來，顯現(xiàn)出以下優(yōu)點：人機(jī)界面友好、程序結(jié)構(gòu)清晰、易于閱讀與維護(hù)、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、參數(shù)設(shè)置簡單、操作方便，企業(yè)投入少量的資金對原有設(shè)備進(jìn)行技術(shù)改造，使舊設(shè)備再生并獲得巨大的經(jīng)濟(jì)效益，同時可使舊設(shè)備升值，該系統(tǒng)適用性好、可移植性強(qiáng)，具有很好的推廣應(yīng)用前景。

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