基于PLC 的拉力試驗機電控系統(tǒng)

孫勝兵

拉力試驗是材料科學與工程實踐中的基礎(chǔ)試驗。 通常的拉力試驗多為靜力單軸試驗， 通過不斷對測試件施加載荷， 直到其斷裂， 來測得其屈服強度、 斷裂強度、 楊氏模量、 泊松比等。 拉力試驗機也多為單軸試驗用機， 通?？墒┘拥牧^小， 施力點較少。 本文設(shè)計的控制系統(tǒng)可用于對較大的環(huán)型鑄件進行測試。 測試過程是提出測試要求的一方根據(jù)測試工件在工作狀態(tài)下的應(yīng)力狀態(tài)、 分布規(guī)律進行受力分析， 經(jīng)理論計算和有限元仿真計算， 確定應(yīng)加載的載荷大小、 載荷等級及作用點位置。 拉力試驗機據(jù)此施加力， 為此應(yīng)確保力的精確性， 并能控制施力的速度以模擬工件實際工作狀態(tài)。 國標《 液壓式萬能試驗機GB/T 3159-2008》 中對拉力試驗機的加力和測力系統(tǒng)均有明確要求。 本文設(shè)計的控制系統(tǒng)主要是用于力的施加與測量。

1 拉力試驗機系統(tǒng)構(gòu)成

本文的試驗機由電控部分和液壓部分組成。電控部分由PLC、 人機界面、 數(shù)字量模塊、 模擬量模塊、 串口通信模塊、 開關(guān)電源、 變壓器、 比例放大器、 壓力變送器等組成。 液壓系統(tǒng)由柱塞泵、 蓄能器、 濾油器、 三位四通閥、 比例減壓閥、 比例溢流閥、 液壓缸等元件組成。 為避免電磁干擾， 比例放大器設(shè)在單獨的控制柜中。 通過帶屏蔽的線纜與PLC 控制柜連接。

液壓系統(tǒng)設(shè)計7 個液壓支路， 最多可在7 個作用點施加拉力。 PLC 控制換向閥打開或關(guān)閉某一支路， 通過比例減壓閥控制分支壓力。 作用在傳感器上的壓力通過變送器反饋給PLC 模擬量模塊。 人機界面將PLC 獲得的數(shù)據(jù)以趨勢圖形式顯示出來，同時將數(shù)據(jù)存儲， 以備日后分析（見圖1， 圖2）。

2 PLC 程序設(shè)計

本文的PLC 為CP1H， 開發(fā)環(huán)境為CXProgrammer 4.0。 使用梯型圖方式編寫程序。 包括啟停模塊、 測試模塊、 數(shù)據(jù)備份模塊、 調(diào)試模塊。啟停模塊負責平穩(wěn)啟停液壓泵， 減少對系統(tǒng)的沖擊； 測試模塊用來測試工件， 是最主要的模塊； 數(shù)據(jù)備份模塊可將測試數(shù)據(jù)在PLC 和HMI 中分別備份； 調(diào)試模塊提供一些輔助功能， 方便調(diào)試時使用（見圖3）。

圖1 液壓系統(tǒng)實物圖

圖2 電控系統(tǒng)實物圖

圖3 程序流程圖

由于測試數(shù)據(jù)較多， 所以通過使用指針指向每一級需達到的壓力值， 測完一級后指針自增1， 就可以指向下一級數(shù)據(jù)。 為模擬實際壓力升速， 通過設(shè)定斜坡時間定時器來設(shè)置增壓速度。 測試數(shù)據(jù)的寫入可通過HMI 人機界面輸入， 也可在CXProgarmmer 中通過寫內(nèi)存的方式， 一次性寫入PLC D 存儲區(qū)域中。 由變送器反饋的0～20 mA 電流值經(jīng)過縮放轉(zhuǎn)換為壓力值后進行比較。 轉(zhuǎn)換過程可使用CP1H 指令集中的縮放指令， 或自己編寫程序計算。

3 人機界面設(shè)計

人機界面分為主界面、 數(shù)據(jù)界面、 備份界面、趨勢圖界面等。 在主界面中可以打開或關(guān)閉各個支路換向閥， 設(shè)定保壓時間、 斜坡時間， 以及壓力等級（見圖4）。

在數(shù)據(jù)界面中可輸入要達到的拉力數(shù)據(jù)（見圖5） 。 每個數(shù)據(jù)對應(yīng)PLC D 區(qū)域一個字的存儲區(qū)。數(shù)據(jù)為16 位無符號型。

趨勢圖可實時顯示輸出力曲線（ 見圖6） ， 設(shè)置周期式采樣， 通道數(shù)為7， 歷史記錄保存到HMI。 數(shù)據(jù)來源為PLC 程序設(shè)定的緩存區(qū)。

人機界面中還設(shè)有數(shù)據(jù)存入U 盤的功能， 存儲格式為CSV 文件， 可轉(zhuǎn)為EXCEL 文件， 方便分析。

圖4 主界面圖

圖5 數(shù)據(jù)界面

4 試驗驗證

筆者以實際試驗數(shù)據(jù)為樣本， 檢驗試驗機輸出力的準確性。 該次測試所測工件較小， 施力點只有兩個（見表1）。

圖6 輸出力曲線圖

經(jīng)過試驗得到實際輸出力（ 見表2） 和誤差值（見表3）。

從誤差表可以看出， 壓力較低時誤差在2%以內(nèi)， 超過3MP 等級后誤差在1%以內(nèi)。 最終筆者得到實際測試數(shù)據(jù)曲線（見圖7）。

表1 測試需輸出力 （10 N）

表2 實際輸出力 (10N)

表3 實際誤差

圖7 測試數(shù)據(jù)曲線

5 結(jié) 語

本文設(shè)計的試驗機控制系統(tǒng)可用于測試較大鑄件的拉力。 經(jīng)過實際使用， 該系統(tǒng)在輸出的準確性、 穩(wěn)定性， 測量的精確性， 操作的方便性等方面均有不錯的表現(xiàn)。 今后， 通過提升系統(tǒng)的響應(yīng)速度， 會進一步降低誤差， 提高本系統(tǒng)的整體性能。