航天電連接器分離性能測試系統(tǒng)的PLC控制

趙佃云，洪 濤

（中國計量大學(xué) 質(zhì)量與安全工程學(xué)院，杭州 310018）

航天電連接器廣泛應(yīng)用于火箭、導(dǎo)彈等需要分離的場合。它是進行電氣連接和信號傳遞的端口，是構(gòu)成一個完整系統(tǒng)所必須的基礎(chǔ)元件，其分離性能對整個系統(tǒng)的正常運行至關(guān)重要[1]。目前國內(nèi)在航天電連接器上的研究起步較晚，且多數(shù)研究側(cè)重其連接可靠性等方面[2]，并沒有對其分離特性作深入的研究，尚沒有標(biāo)準(zhǔn)的分離性能測試設(shè)備，只能進行小型、非自動、功能單一的測試（如簡單的測分離拉力），無法滿足現(xiàn)階段的測試要求[3]。

本文根據(jù)實際需要開發(fā)了一種功能完善，自動化程度較高的航天電連接器分離性能測試設(shè)備，該設(shè)備能夠有效檢測航天電連接器分離過程產(chǎn)生的相關(guān)數(shù)據(jù)，用于國內(nèi)研制與生產(chǎn)航天電連接器的企業(yè)，提高航天電連接器的合格率與經(jīng)濟效益。

1 總體設(shè)計方案

航天電連接器有2種分離方式：機械分離和電磁分離。在電磁分離失效的情況下，采用機械分離方式，以確保電連接器能夠成功分離。電磁分離需要給電連接器提供電壓信號觸發(fā)其分離，機械分離需要施加一定的拉力。所開發(fā)設(shè)備要能真實模擬電連接器的實際使用情況，滿足電連接器機械分離和電磁分離2種分離方式的檢測要求。

系統(tǒng)硬件設(shè)計采用“PLC+觸摸屏+計算機”控制方案，以計算機作為上位機，PLC作為下位機，結(jié)合嵌入式觸摸屏和A/D轉(zhuǎn)換模塊組成整個系統(tǒng)的核心，系統(tǒng)軟件設(shè)計應(yīng)用觸摸屏組態(tài)界面結(jié)合PLC控制程序的方式，并以虛擬儀器（LabVIEW）作為開發(fā)平臺，設(shè)置電連接器分離性能檢測控制面板，實現(xiàn)對檢測航天電連接器分離過程的有效控制。

1.1 系統(tǒng)組成框架

整個系統(tǒng)由高速攝像、夾緊機構(gòu)、拉力模擬、電磁分離觸發(fā)、驅(qū)動、拉力角度調(diào)整、力值傳感、計算機控制、觸摸屏、PLC控制等模塊構(gòu)成，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 System structure diagram

在圖1中高速攝像模塊的主要功能是采集航天電連接器分離過程圖像，經(jīng)高速采集卡傳輸至計算機上的分離性能檢測系統(tǒng)；夾緊機構(gòu)的主要功能是夾持固定住航天電連接器，為了適應(yīng)不同型號的電連接器，需要實現(xiàn)移動可調(diào)，根據(jù)其尺寸設(shè)計相應(yīng)的工裝墊塊需要實現(xiàn)夾具的寬度定位、高度定位、前后距離定位；拉力模擬模塊主要負責(zé)模擬航天電連接器引伸出的電線的重力作用，可以手動調(diào)節(jié)力的大小；電磁分離觸發(fā)模塊主要功能是通過施加電壓信號觸發(fā)電連接器電分離，電壓可調(diào)范圍是0～50 V；驅(qū)動模塊主要負責(zé)給航天電連接器提供拉力，使其分離；拉力角度調(diào)整模塊能夠調(diào)節(jié)伺服電機驅(qū)動的拉力在三維空間里的不同角度，最大垂直角度為水平向上30°，旋轉(zhuǎn)平臺實現(xiàn)180°旋轉(zhuǎn)；力值傳感模塊主要負責(zé)把采集的模擬信號傳輸給PLC，經(jīng)AD轉(zhuǎn)換傳輸至觸摸屏、計算機分析處理。

1.2 控制系統(tǒng)

為了確保圖像采集及拉力的同步及拉力采集的準(zhǔn)確性，本系統(tǒng)的控制系統(tǒng)采用計算機控制和PLC控制的雙層結(jié)構(gòu)。計算機作為上位機主要負責(zé)上層控制，包括整個系統(tǒng)的自動測試、圖像采集及檢測識別、數(shù)據(jù)庫及系統(tǒng)界面等；PLC作為下位機主要負責(zé)底層控制，包括伺服電機驅(qū)動器和電連接器電磁分離觸發(fā)器的控制等。為了防止出現(xiàn)意外事故，在控制系統(tǒng)中還安裝了光電限位開關(guān)、接近開關(guān)。光電限位開關(guān)主要安裝于拉力角度調(diào)整模塊，其目的是限位保護；接近開關(guān)主要安裝于驅(qū)動模塊，其目的是限制滑塊的移動距離，使滑塊在安全范圍內(nèi)移動，保證分離測試能夠順利進行。

PLC觸發(fā)控制伺服電機驅(qū)動器，調(diào)節(jié)驅(qū)動模塊和拉力角度調(diào)整模塊，經(jīng)觸摸屏設(shè)置的人機界面實現(xiàn)對伺服電機的轉(zhuǎn)動速度、轉(zhuǎn)動方向等的控制。PLC觸發(fā)控制電連接器電磁分離觸發(fā)器，通過在觸摸屏上設(shè)定電觸發(fā)超時時間來判斷電連接器電觸發(fā)是否正常。控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.2 Control system structure diagram

1.3 控制流程

在開始進行測試工作時，需用專用夾具夾持固定住航天電連接器，調(diào)整好高速攝像機鏡頭位置，并設(shè)定相關(guān)參數(shù)，選擇分離方式。當(dāng)采用機械分離方式時，PLC觸發(fā)伺服電機驅(qū)動器驅(qū)動伺服拉力電機轉(zhuǎn)動，并帶動絲桿上的滑塊以設(shè)定的速度移動，線纜拉動航天電連接器的分離端使其分離；高精度力傳感器實時測量線纜所受的拉力并將測量值傳輸給PLC，PLC經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換模塊把數(shù)字信號傳給計算機；高速攝像機把實時獲取的圖像數(shù)據(jù)經(jīng)高速采集卡傳給計算機進行圖像處理；當(dāng)采用電磁分離方式時，PLC向航天電連接器上的電分離觸發(fā)器發(fā)送觸發(fā)電壓信號，與此同時，啟動高速攝像機的攝像程序進行高速攝像，經(jīng)高速采集卡將圖像數(shù)據(jù)傳給計算機進行圖像處理；計算機計算出分離拉力、分離時間、分離速度等參數(shù)，并截取有效的分離過程圖像。

為保證航天電連接器的機械分離和電磁分離有序進行，并按預(yù)期記錄相關(guān)數(shù)據(jù)，對整體控制流程進行如下設(shè)計。整體控制流程如圖3所示，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)布局如圖4所示。

圖3 整體控制流程Fig.3 Flow chart of whole control process

圖4 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)布局Fig.4 System overall structure layout

2 航天電連接器PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計

2.1 PLC控制系統(tǒng)硬件的組成

PLC控制系統(tǒng)硬件組成為高速攝像機1部；高速采集卡1塊；拉力電機、調(diào)角電機、分度電機各1臺；伺服電機驅(qū)動器3個；接近開關(guān)2個；光電限位開關(guān)6個；高精度拉力傳感器2個；PLC采用西門子公司S7-200 SMART型1套；觸摸屏SMART 700IE 1臺；計算機（上位機）1臺。

2.2 PLC輸入輸出點分配

本控制系統(tǒng)選用S7-200 SMART CPU ST60可編程邏輯控制器，晶體管輸出，24 VDC供電，36輸入/24輸出，提供3軸100 kHz高速脈沖輸出，支持PWM和PTO脈沖輸出。在PWM方式中，輸出脈沖的周期是固定的，脈沖的寬度或占空比由程序來調(diào)節(jié)，可以調(diào)節(jié)電機速度等。在PTO方式中，輸出脈沖可以組態(tài)為多種工作模式，包括自動尋找原點，可實現(xiàn)對伺服電機的控制，達到調(diào)速和定位的目的。CPU本體上的 Q0.0，Q0.1和 Q0.3可組態(tài)為 PWM輸出或高速脈沖輸出，均可通過設(shè)置向?qū)瓿缮鲜龉δ?。PLC輸入輸出分配如圖5所示。

圖5 PLC輸入輸出分配Fig.5 PLC input and output allocation

2.3 PLC控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

本控制系統(tǒng)采用STEP 7-Micro/WIN編程工具進行PLC程序的編制、測試、調(diào)試和系統(tǒng)參數(shù)配置。編程軟件主要用梯形圖編寫，程序編譯無誤后用以太網(wǎng)下載到PLC中。

2.4 觸摸屏組態(tài)界面設(shè)計

根據(jù)設(shè)備工藝和控制要求，觸摸屏的軟件設(shè)計采用SIMATIC WinCC flexible 2008組態(tài)軟件，它是一種基于Windows的創(chuàng)新型HMI軟件。WinCC flexible與編程軟件STEP 7集成一起，控制系統(tǒng)使用統(tǒng)一的通信協(xié)議、統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫和統(tǒng)一的編程組態(tài)工具[4]。該系統(tǒng)所涉及的界面窗口主要包括手動操作、位置調(diào)整和參數(shù)設(shè)置窗口。手動操作（圖6）分別對拉力電機、調(diào)角電機、分度電機設(shè)置了轉(zhuǎn)動速度和轉(zhuǎn)動方向的控制按鈕，其中還設(shè)置有回原點操作按鈕。位置調(diào)整（圖7）通過對調(diào)角電機和分度電機設(shè)定不同的角度實現(xiàn)對位置的調(diào)整。參數(shù)設(shè)置界面（圖8）可對電連接器與分度盤的距離、拉力電機測試時的速度、調(diào)角電機原點偏移角度、分度電機原點偏移角度、電觸發(fā)電壓、電觸發(fā)超時時間進行設(shè)置，其中為了使測試工作更高效，利用光電限位開關(guān)作為速度改變的基準(zhǔn)點，設(shè)置了拉力電機測試時的快進速度與慢進速度，電連接器在慢進速度運行狀態(tài)下分離。

圖6 手動操作Fig.6 Manual operation diagram

圖7 位置調(diào)整Fig.7 Position adjustment diagram

圖8 參數(shù)設(shè)置界面Fig.8 Parameter settings interface

2.5 計算機自動測試界面設(shè)計

計算機采用虛擬儀器（LabVIEW）作為開發(fā)平臺，用其創(chuàng)建航天電連接器分離檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要包括自動檢測、系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置、產(chǎn)品管理、統(tǒng)計過程控制（SPC）管理、歷史數(shù)據(jù)查詢5個窗口。其中自動檢測界面可以完成對航天電連接器分離拉力、分離時間、分離速度，以及抓拍的分離過程圖像等性能參數(shù)的獲取工作。在點擊測試啟動按鈕前，需要安裝固定好電連接器，待檢查無誤后，選擇電連接器分離方式，并根據(jù)實際測試需要填寫產(chǎn)品系列號、插頭型號、插座型號，其中分離圖像顯示欄可以以一定的幀率播放電連接器的分離過程圖像，并可以導(dǎo)出電連接器分離過程AVI影像視頻。自動測試界面如圖9所示。

圖9 自動測試界面Fig.9 Automatic test interface

3 結(jié)語

設(shè)備利用PLC控制系統(tǒng)成功實現(xiàn)了對航天電連接器分離性能測試的自動化控制。該PLC控制系統(tǒng)運行良好、可靠性高、操作方便，達到了設(shè)計要求，滿足了有效檢測航天電連接器分離過程的需要。該設(shè)備也可以改造應(yīng)用于測試其它型號電連接器，具有較高的推廣和使用價值。

[1]賈博賢.分離脫落電連接器分離可靠性評估的研究[D].浙江：浙江大學(xué)，2014.

[2]王雯吉.分離脫落電連接器分離性能測試系統(tǒng)的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計[D].浙江：浙江大學(xué)，2012.

[3]汪茜，洪濤，趙佃云.航天電連接器分離拉力測試系統(tǒng)設(shè)計[J].工業(yè)控制計算機，2015，28（6）：69-70.

[4]齊鳳蓮，陳曉男，趙民，等.基于觸摸屏與PLC的自動鏜銑床控制系統(tǒng)研究[J].制造技術(shù)與機床，2012（6）：177-180.