電液比例元件性能測試平臺的設(shè)計與實現(xiàn)

摘要：文章提出了基于計算機控制的測試平臺設(shè)計方案，構(gòu)建了以PLC為現(xiàn)場控制中心、工控機為數(shù)據(jù)處理單元、觸摸屏提供人機交互平臺的分布式測試系統(tǒng)，采用高精度的數(shù)字和比例液壓元件以滿足平臺對精度、功能和可靠性的要求，使用了高級語言編寫測試、控制及數(shù)據(jù)管理軟件。測試結(jié)果表明，該試驗臺能滿足電液比例元件性能測試的實際需求。

關(guān)鍵詞：電液比例元件；性能測試平臺；計算機控制；PLC；工控機；觸摸屏 文獻標識碼：A

中圖分類號：TP273 文章編號：1009-2374（2016）29-0013-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.29.006

1 概述

測試是評判液壓元件和系統(tǒng)性能的最終依據(jù)，現(xiàn)代液壓技術(shù)與計算機控制技術(shù)、微電子技術(shù)、數(shù)據(jù)處理技術(shù)、傳感技術(shù)等先進技術(shù)緊密結(jié)合，形成一個包括傳動、控制、檢測、顯示、參數(shù)校正、數(shù)據(jù)處理、安全報警在內(nèi)的綜合自動化技術(shù)。為適應(yīng)現(xiàn)代液壓技術(shù)的發(fā)展，滿足比例壓力閥、比例節(jié)流閥、比例調(diào)速閥、比例方向閥等電液控制元件的性能及型式試驗要求，設(shè)計構(gòu)建了一個高精度、多功能、自動化的電液比例元件性能測試試驗平臺。

2 平臺的結(jié)構(gòu)與功能

2.1 平臺的結(jié)構(gòu)分析

一般情況下，試驗平臺包含很多結(jié)構(gòu)，比如液壓能源子系統(tǒng)、方向閥實驗子系統(tǒng)、計算機控制臺等，具體的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。其中的輔助測試系統(tǒng)主要是依靠計算機來完成的，我們首先需要創(chuàng)建一套較為科學的數(shù)據(jù)收集、過程控制系統(tǒng)，這樣能夠讓不同系統(tǒng)之間的關(guān)系更加緊密，進而形成一個自動化水平更高、功能更完善的平臺。除此之外還能自動完成測試工作中的壓力、溫度等信息的自動收集、分析及整理，能夠更加形象具體地用圖來將各種信息呈現(xiàn)給我們。

2.2 平臺各模塊的功能設(shè)計

在平臺中主要包含一些補油泵、集油泵以及一些用來冷卻的設(shè)備、報警裝置、油標等，油泵的流量是0～90L/min。其中主要的裝置大多是從國外引進的，裝置的準確率較高，并且能夠及時準確地反饋給我們工作詳情。

根據(jù)相關(guān)要求可以得知，液壓閥的試驗系統(tǒng)需要定期進行不同閥門的性能檢測。具體的性能檢測工作包含三個部分，分別是比例壓力閥性能試驗、比例流量閥性能試驗、比例方向閥及位置控制性能試驗。試驗過程中有針對性地對其動、靜態(tài)性能進行測試，每一個測試的信息都是依靠計算機來完成的。通過科學的測試與性能提升，試驗系統(tǒng)能夠讓不同的閥門結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系更加緊密。

在所有的液壓試驗控制工作中，比較重要的一套設(shè)備就是計算機控制臺，其中主要包含一些不同型號的輸入、輸出開關(guān)。整個系統(tǒng)的下半部分主要是通過PLC進行控制，具有較強的延展性，具體的元件主要以固態(tài)的繼電器為主，穩(wěn)定性較強且簡便易操作。上半部分主要是通過工控機進行控制工作，能夠在較短的時間內(nèi)完成相關(guān)信息的收集，并進一步對收集的信息進行科學的處理和儲存，最后完成科學的打印。除此之外，在控制中心有PLC的彩色觸摸屏，然后把每一項工作的流程、具體的狀態(tài)通過動態(tài)流程圖生動地呈現(xiàn)給人們，全天候地進行系統(tǒng)的監(jiān)控工作主要是為了在系統(tǒng)出現(xiàn)問題時能夠在第一時間發(fā)現(xiàn)，然后找到解決辦法解除故障。

3 平臺測控系統(tǒng)工作原理

平臺采用分布式測試系統(tǒng)框圖設(shè)計如圖2所示，包括過程控制系統(tǒng)和本地測控系統(tǒng)。具體來講，過程控制系統(tǒng)主要包含一些硬件接口電路和PLC模塊等。前者主要是由一些控制放大電路以及濾波電路、控制繼電器等零件組成。后者的主要作用就是準確控制系統(tǒng)中的一些執(zhí)行器零件，然后根據(jù)外部的溫度傳感器、壓力傳感器、流量傳感器等完成不同回路中信息的采集工作，并在觸摸屏上實時顯示和監(jiān)測，必要時自動終止試驗。本地測控系統(tǒng)在系統(tǒng)中居于核心的地位。它在高速AD/DA控制卡的支持下，以100k/s的速度測量液壓回路中若干關(guān)鍵環(huán)節(jié)的參數(shù)。例如，在電液比例位置控制系統(tǒng)試驗中，高速輸出測試激勵信號的同時，高速采集位移及壓力傳感器輸出的信息；它還承擔了復雜信號的數(shù)字處理和過程狀態(tài)的實時顯示任務(wù)，這里含有比例變換、平滑濾波及其他復雜的控制算法。

電液比例元件性能測試系統(tǒng)通過PC工控機、PLC和觸摸屏配合實現(xiàn)對平臺的控制管理。液壓平臺的測試原理如圖3所示，PLC負責控制泵源開啟、試驗工況監(jiān)測、試驗流程選擇以及低速采集數(shù)據(jù)；以PC工控機、高速數(shù)據(jù)采集控制卡為基礎(chǔ)的上位機系統(tǒng)主要負責試驗數(shù)據(jù)的采集、處理、存儲以及圖形化再現(xiàn)；與PLC連接的觸摸屏及PC機上的虛擬控制面板都可以進行試驗參數(shù)設(shè)置和試驗進程監(jiān)測，PC機與PLC之間通過RS232串口通信進行數(shù)據(jù)交換。

系統(tǒng)硬件部分主要以PLC（下位機）主控單元為核心，配合使用各種功能模塊、傳感器和執(zhí)行元件，組成相對獨立的工作單元，管理整個控制及測試系統(tǒng)和低速數(shù)據(jù)采集，完成對試驗系統(tǒng)的監(jiān)測、控制。另外，PC（上位機）工控機輔以測試軟件和高速數(shù)據(jù)采集卡，實現(xiàn)對測試數(shù)據(jù)的高速采樣。上、下位機之間采用RS-485通信接口和RS-232數(shù)據(jù)電纜連接，實現(xiàn)了雙級控制和數(shù)據(jù)信息交換。這樣設(shè)計在充分發(fā)揮PLC的高可靠性和管理能力的同時，也發(fā)揮了PC機強大的數(shù)據(jù)處理能力，測試過程原理圖如圖4所示。

測試平臺需要檢測和控制的各種開關(guān)以及模擬量信號點較多，測量與控制工作量大、測控點分散、信號傳輸路徑長、工作現(xiàn)場電磁信號復雜。這樣一來，單一的PLC控制單元遠不能滿足需求，必須采用模塊化的設(shè)計，所以選用MITSUBISHI公司Q02系列PLC，其CPU單指令執(zhí)行時間達80ns，可控點多達8192點，程序容量112K字節(jié)，同時它還配有可以直接相連的功能模塊和人機對話界面，并且其性能指標滿足本系統(tǒng)自身的功能要求和環(huán)境適應(yīng)性要求。

我們需要科學開啟控制臺上的PC以及PLC裝置，通過PC機器進行相應(yīng)的測試工作，如果發(fā)現(xiàn)機器上出現(xiàn)人機對話的模式，需要根據(jù)預先設(shè)定的試驗流程以及工作進行操作，經(jīng)過認真檢查后方可開啟試驗，此時作為狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)需要定期進行預約流程的監(jiān)測工作，這一過程中萬一發(fā)現(xiàn)了流程中存在的問題應(yīng)該立即停止試驗，只有解決問題后才能繼續(xù)進行試驗。自從試驗開始，系統(tǒng)就會自動收集每一個試驗信息，這些信息大都是通過傳感器得來的，主要是以圖片的形式進行儲存。最后在試驗接近尾聲時，系統(tǒng)就會自動把收集、整理后的信息進行科學的打印，同時會在原PC機中進行儲存。

4 性能測試項目及結(jié)果

性能測試平臺涵蓋的實驗項目包括比例壓力閥、流量閥、方向閥等元件試驗標準規(guī)定項目，比如比例二通調(diào)速閥測試涵蓋了耐壓試驗、內(nèi)泄露試驗、穩(wěn)態(tài)流量控制特性試驗、穩(wěn)態(tài)負載特性試驗、負載壓力階躍特性試驗、輸入信號階躍響應(yīng)特性試驗、頻率特性試驗等測試項目，其操作界面如圖5所示。在下位機觸摸屏上選擇“頻率特性試驗”，在上位機自動繪制測試結(jié)果如圖6所示。

5 結(jié)語

該電液比例元件性能測試平臺將傳統(tǒng)的液壓測試試驗技術(shù)與計算機、PLC控制以及現(xiàn)代傳感器技術(shù)有機地結(jié)合起來，采用計算機編程和先進的數(shù)據(jù)處理技術(shù)，并且將試驗測試系統(tǒng)的控制操作部分軟件化，使得試驗更加準確、快速，具有規(guī)模大、功能強、自動化程度高、拓展性強等特點，實現(xiàn)了測試過程自動完成、數(shù)據(jù)自動處理、故障狀態(tài)自診斷功能。經(jīng)現(xiàn)場計量檢測，電液比例元件性能測試平臺性能良好，在精度、功能和自動化水平上都較以前試驗臺有了較大程度的提高。

參考文獻

[1] 黃志堅.電液比例控制及應(yīng)用實例[M].北京：化學工業(yè)出版社，2015.

[2] 吳根茂，邱秀敏，王慶豐.實用電液比例技術(shù)[M].杭州：浙江大學出版社，2006.

[3] 曹樹平，等.電液控制技術(shù)[M].武漢：華中科學技術(shù)大學出版社，2010.

[4] 湛從昌，陳新元.液壓元件性能測試技術(shù)與試驗方法[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2014.

[5] 張海平.實用液壓測試技術(shù)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2015.

[6] 陳鐵輝，等.比例溢流閥特性測試與分析系統(tǒng)的設(shè)計[J].機床與液壓，2012，40（10）.

作者簡介：李志堅，湖南醴陵人，供職于湖南省產(chǎn)商品質(zhì)量監(jiān)督檢驗研究院，研究方向：產(chǎn)品質(zhì)量檢驗。

（責任編輯：黃銀芳）