超彈性軟管失穩(wěn)實(shí)驗(yàn)控制系統(tǒng)研究

王帥， 鄧三鵬， 祁 宇明

（天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)機(jī)器人及智能裝備研究所，天津 300222）

0 引言

超彈性材料作為一種生活中常見(jiàn)的材料，其應(yīng)用也很廣泛，例如在建筑工程、航空航天、生物工程等領(lǐng)域。超彈性軟管在經(jīng)過(guò)一段時(shí)間充氣后會(huì)產(chǎn)生局部起鼓現(xiàn)象，這與復(fù)合材料中的折曲帶形成、動(dòng)脈瘤的形成等常見(jiàn)的工程和材料問(wèn)題有很多相似點(diǎn)。所以，超彈性軟管在充氣后產(chǎn)生的相關(guān)問(wèn)題如穩(wěn)定性、起鼓后的形貌等一直受到廣大科研人員的關(guān)注。1990年，Kyriakides等對(duì)軸向拉伸充氣管局部失穩(wěn)擴(kuò)展壓力進(jìn)行理論預(yù)測(cè)；2007年，Pamplona課題組對(duì)局部缺陷超彈性軟管在不同受力下的失穩(wěn)進(jìn)行了研究；2013年，Guo等對(duì)超彈性軟管失穩(wěn)起鼓臨界壓力和形貌進(jìn)行了研究[1]。

基于之前的理論研究，本文超彈性軟管失穩(wěn)實(shí)驗(yàn)控制系統(tǒng)選用S7-200PLC為核心控制器，采用STEP7-Micro/WIN編輯軟件和MCGS組態(tài)軟件進(jìn)行混合編程，分別對(duì)實(shí)驗(yàn)中的程序和狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控。超彈性軟管失穩(wěn)實(shí)驗(yàn)控制系統(tǒng)對(duì)環(huán)境溫度的控制和多個(gè)回路的設(shè)計(jì)模擬人體體溫下多條血管，通過(guò)對(duì)超彈性軟管膨脹過(guò)程研究模擬生物工程中腦腫瘤生長(zhǎng)機(jī)理。超彈性軟管失穩(wěn)實(shí)驗(yàn)控制系統(tǒng)控制邏輯嚴(yán)謹(jǐn)、易于操作、成本低、功能齊全，可滿足各種實(shí)驗(yàn)要求，人機(jī)交互界面簡(jiǎn)潔易懂，數(shù)據(jù)能快速采集與存儲(chǔ)，便于實(shí)驗(yàn)的進(jìn)一步研究，超彈性軟管失穩(wěn)實(shí)驗(yàn)控制系統(tǒng)將在研究生物工程學(xué)、醫(yī)學(xué)等多個(gè)學(xué)科上具有重要的社會(huì)效益。

1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

圖1 超彈性軟管失穩(wěn)實(shí)驗(yàn)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

如圖1所示為超彈性軟管失穩(wěn)實(shí)驗(yàn)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。超彈性軟管失穩(wěn)實(shí)驗(yàn)控制系統(tǒng)由核心控制元件PLC和上位機(jī)組成。PLC進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的邏輯控制、數(shù)據(jù)處理、模擬量調(diào)節(jié)以及與上位機(jī)聯(lián)網(wǎng)通信；上位機(jī)由進(jìn)行程序監(jiān)控的編程軟件和對(duì)實(shí)驗(yàn)控制狀態(tài)監(jiān)控的組態(tài)軟件組成，上位機(jī)中的兩種軟件通過(guò)PC/PPI電纜形成互通互用、數(shù)據(jù)共享，接口方式采用9針RS-485信號(hào)接口。實(shí)驗(yàn)控制系統(tǒng)選用CPU為224XP的PLC為控制元件，包括多個(gè)信號(hào)輸入輸出點(diǎn)。PLC系列擴(kuò)展接口是總線形式，可以配接開(kāi)關(guān)量I/O單元，也可配接模擬量I/O單元。超彈性軟管失穩(wěn)實(shí)驗(yàn)控制系統(tǒng)為完成多種實(shí)驗(yàn)擴(kuò)展了數(shù)字量EM222模塊用于多位電磁閥控制；模擬量EM231模塊對(duì)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境溫度進(jìn)行采集；數(shù)字量EM223模塊用于完成實(shí)驗(yàn)中其他開(kāi)關(guān)量的控制。人機(jī)交互界面通過(guò)MCGS組態(tài)軟件設(shè)計(jì)對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行控制和監(jiān)控[2-3]。超彈性軟管失穩(wěn)實(shí)驗(yàn)臺(tái)與控制柜如圖2所示,MCGS組態(tài)人機(jī)交互界面如圖3所示。

圖2 超彈性軟管失穩(wěn)實(shí)驗(yàn)臺(tái)與控制柜

圖3 MCGS組態(tài)人機(jī)交互界面

2 多位同步控制設(shè)計(jì)

圖4 多路同步控制程序

1）多位同步控制系統(tǒng)原理。多位同步控制是根據(jù)PLC數(shù)據(jù)存儲(chǔ)尋址特點(diǎn)，提出了一路多位電磁閥同時(shí)完成開(kāi)或關(guān)狀態(tài)切換的控制策略。在PLC數(shù)字量輸出映像區(qū)Q中選取地址如QB2，表示輸出第2個(gè)字節(jié)，一個(gè)字節(jié)中包含8個(gè)二進(jìn)制位。在實(shí)驗(yàn)中，一個(gè)位代表一個(gè)電磁閥，8個(gè)位置通過(guò)0和1的變化實(shí)現(xiàn)電磁閥開(kāi)或關(guān)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，例如在程序中輸入十進(jìn)制75轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制01001011，代表1、2、4、7位置上的電磁閥同時(shí)打開(kāi)。將不同的十進(jìn)制數(shù)字轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制數(shù)形成多路控制進(jìn)而模擬人體的多條血管。

2）多位同步控制程序設(shè)計(jì)。部分多位同步控制在STEP7-Micro/WIN編程軟件上通過(guò)運(yùn)用字節(jié)傳送指令進(jìn)行多路控制。多路同步控制程序如圖4所示。

3）多位同步控制組態(tài)設(shè)計(jì)。多位同步控制人機(jī)交互界面如圖5所示，超彈性軟管失穩(wěn)實(shí)驗(yàn)控制系統(tǒng)多支路模擬人體多條血管。組態(tài)軟件中數(shù)據(jù)對(duì)象值操作地址與編程軟件中數(shù)據(jù)存儲(chǔ)地址是對(duì)應(yīng)的。例如在實(shí)驗(yàn)中按下圖6中按鈕［1.1］，按鈕對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)對(duì)象值操作地址“M11”與編程軟件數(shù)據(jù)存儲(chǔ)地址“M1.1”完成通信，地址“M1.1”狀態(tài)改寫(xiě)為［ON］，程序中：

導(dǎo)通，實(shí)驗(yàn)中模擬各器官1號(hào)、2號(hào)、4號(hào)、7號(hào)位置上的電磁閥同時(shí)打開(kāi)，模擬人體其中一條血管流通，實(shí)驗(yàn)中1.1路4個(gè)電磁閥同時(shí)打開(kāi)完成線路的導(dǎo)通，如圖7所示。

圖5 實(shí)驗(yàn)控制多路流通示意圖

圖6 多路實(shí)驗(yàn)控制

圖7 1.1路導(dǎo)通示意圖

3 溫度矢量控制設(shè)計(jì)

1）溫度矢量控制系統(tǒng)原理。超彈性軟管失穩(wěn)實(shí)驗(yàn)控制系統(tǒng)選用溫度傳感器采集實(shí)驗(yàn)中的溫度進(jìn)行控制，用來(lái)模擬人體多種情況下的體溫。溫度傳感器采集數(shù)據(jù)，通過(guò)數(shù)據(jù)線傳輸?shù)侥M量EM231模塊，經(jīng)處理后的結(jié)果傳輸?shù)饺藱C(jī)交互界面上實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的監(jiān)控，并為進(jìn)一步模擬多種環(huán)境下人體體溫提供條件。實(shí)驗(yàn)控制中EM231模塊連接一個(gè)帶4～20 mA變送輸出的溫度傳感器，量程為0～50℃，即0℃輸出4 mA，模塊轉(zhuǎn)換數(shù)字量為AIW=6400；50℃輸出20 mA，模塊轉(zhuǎn)換數(shù)字量為AIW=32 000[3]。根據(jù)模擬量轉(zhuǎn)換公式推導(dǎo)，T與AIW關(guān)系曲線圖如圖8所示。

圖8 傳感器T與AIW關(guān)系曲線圖

通過(guò)三角形相似定理可知ΔABM～ΔCDM，故可列：

由圖8可知：AB=50;CD=TXBM=32 000－6400;DM=AIWX－6400代入公式（1）中可得：

傳感器通過(guò)檢測(cè)環(huán)境溫度得到AIWX數(shù)據(jù)傳輸?shù)侥M量模塊中，經(jīng)公式（2）計(jì)算出此時(shí)環(huán)境溫度，溫度數(shù)據(jù)傳輸?shù)組CGS組態(tài)軟件中進(jìn)行溫度的監(jiān)控[5]。

圖9 溫度矢量PLC程序編程

2）溫度矢量控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)。部分溫度矢量程序設(shè)計(jì)在STEP7-Micro/WIN編程軟件上運(yùn)用傳送和運(yùn)算指令進(jìn)行溫度矢量的計(jì)算。溫度矢量PLC程序編程如圖9所示。

3）溫度矢量控制組態(tài)設(shè)計(jì)。在組態(tài)軟件上溫度表格數(shù)據(jù)和曲線對(duì)應(yīng)的表達(dá)式和屬性地址［VD212］與編程軟件存儲(chǔ)地址［VD212］是對(duì)應(yīng)的，即溫度傳感器對(duì)數(shù)據(jù)采集并經(jīng)PLC處理后通過(guò)PC/PPI電纜傳輸?shù)饺藱C(jī)界面上。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)報(bào)表如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)報(bào)表

4 結(jié)語(yǔ)

超彈性軟管失穩(wěn)實(shí)驗(yàn)控制系統(tǒng)通過(guò)一路多位同步控制設(shè)計(jì)理念模擬人體多個(gè)血管，溫度的控制可以模擬人在不同環(huán)境下人體體溫，可以為研究腦腫瘤在不同體溫下生長(zhǎng)機(jī)理提供必要的環(huán)境。超彈性軟管失穩(wěn)實(shí)驗(yàn)控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)一臺(tái)多步項(xiàng)目的研究，即可以實(shí)現(xiàn)對(duì)彈性軟管材料在失穩(wěn)實(shí)驗(yàn)下的拉力、壓力、起鼓時(shí)的形貌等多個(gè)方向上的研究。

[1] 劉琪,王世斌,李林安,等.軸向拉伸作用下超彈性管充氣失穩(wěn)的內(nèi)壓和形貌研究[J].實(shí)驗(yàn)力學(xué),2016,31(3):283-290.

[2] 王淑紅,黃曉峰,李雙科.基于組態(tài)王的過(guò)程控制綜合實(shí)驗(yàn)測(cè)控裝置[J].自動(dòng)化與儀器儀表,2006,12(1):143-144.

[3] 靳雷,王建躍.組態(tài)王和PLC在機(jī)械手臂控制系統(tǒng)的應(yīng)用[J].化工自動(dòng)化及儀表,2010,37(3):103-106.

[4] 任俊杰,李紅星,李媛.基于PLC和組態(tài)王的過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2010,29(5):21-23.

[5] 朱濤,周天沛.基于PLC的雙容水箱液位控制仿真與實(shí)物實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2013(11):29-33.