汽車V帶疲勞試驗機自動控制系統設計

摘 要：汽車V帶疲勞試驗機是用于檢測汽車傳動帶的壽命及可靠性的專用試驗機，廣泛應用于傳動帶疲勞性試驗檢測，其控制系統采用工控機、顯示器與PLC、模塊共同實現數據采集自動化、試驗檢測過程自動化，同時自動生成測試曲線，記錄測試結果。

關鍵詞：試驗機；控制系統；自動化；檢測

隨著汽車的普及化，公眾對汽車的安全性及配件使用壽命要求日益提高，汽車傳動帶質量及使用壽命對于駕乘人員的安全起著重要的作用，現今市面上的生產的汽車V帶種類繁雜、良莠不齊，因此對其質量的監督勢在必行。汽車V帶的疲勞性能則需在其疲勞試驗機上進行測試，那么試驗機的控制系統設計顯得尤為重要。然而從設計理念上采用機電一體化的形式，從數據采集的智能性、設備操作的便捷性、檢測過程中無人值守及設備自身的可靠性出發，設計研發擁有高度自動化的控制系統更能提高檢測效率。

1 概述

汽車V帶疲勞試驗機自動控制系統是結合其設備系統原理、依據國家標準《V帶疲勞試驗方法有扭矩法》（GB/T14562）、《普通V帶疲勞試驗方法（無扭矩法）》（GB/T15328）中的試驗程序對其進行自動試驗控制。

2 硬件分析與選型

2.1 下位機

試驗系統主要由電機、滑差離合器、轉速傳感器、扭矩傳感器等組成。電機通過變頻器控制，運用模擬量輸出控制變頻器頻率，進而改變電機轉速。電機通過傳送帶帶動主軸轉動，主軸轉速采用轉速傳感器采集，輸出頻率信號。從動軸則通過滑差離合器來控制加載的功率，扭矩傳感器則是用來采集其轉速和扭矩，進而換算出加載的功率大小。綜上原理，本試驗機的自動控制系統的下位機采用臺達PLC[ 1 ]來控制輸出和采集數據，具體采用DVP-14SS211T系列主機和DVP-02DA-S擴展模塊來實現。

DVP-14SS211T：

主機點數：14（8DI+6DO）；

程序容量：8k steps；

通訊端口：內置RS-232與RS-485，兼容Modbus ASCII/RTU通訊協議；

內置高數計數器，2相2輸入，頻率可達10kHz。

DVP-02DA-S：

模擬信號輸出通道：2通道/臺；

模擬輸出范圍：0～10V或0～20mA；

數字數據范圍：0～4000；

分辨率：12bits（1LSB=2.5mV）或（1LSB=5μA）。

2.2 模塊

RemoDAQ-8000模塊是基于RS-485網絡的數據采集模塊。它們提供了計數器/頻率測量功能。模塊可以由命令遠程控制。RemoDAQ-8080特性如下：2個單獨的32位計數器，計數器0和計數器1；2路頻率測量；輸入頻率：1Hz～100K Hz；輸出：RS-485通訊。

RemoDAQ-8080模塊是用來測量主動軸轉速。主動軸轉速傳感器測量轉速后輸出頻率信號，經RemoDAQ-8080模塊采集，與工控機通過RS-485通訊，運用計算機控制技術[ 2 ]經上位機軟件處理，實時顯示主動軸轉速。

2.3 上位機

系統上位機采用工控機，顯示器作為人機界面顯示，運用Visual Basic程序設計[ 3 ]軟件進行自動控制系統設計與界面設計。

3 界面設計

系統界面包含主界面、參數設置、試驗報表、手動調試。主界面可實時顯示主動軸轉速、從動軸轉速、加載功率、運行時間、滑差率數據，同時自動繪制滑差率與運行時間曲線。參數設置界面用來設置試驗過程用參數，系統可根據設置好的參數自動運行試驗機，對試件進行疲勞測試。試驗報表可在試驗完成后自動生成結果數據并于數據庫連接，可對試驗結果進行輸出、打印，也可查詢歷史試驗數據。手動調試界面主要用于設備維護和前期調試，可控制試驗系統的各個動作、采集系統內所有參數指標。

4 控制系統設計與實現

汽車V帶疲勞試驗機系統主要分為兩大部分，一部分為主動軸部分，另一部分為從動軸部分。電機的轉動經主動軸帶輪帶動從動軸帶輪旋轉，從動帶輪軸的一端連接滑差離合器電樞，滑差離合器感應軸與增速帶輪的帶輪相連接，帶輪帶動與主動帶輪同軸的小帶輪旋轉，再在主動軸與從動軸上按標準連接好試件，即可實現試件疲勞性能的檢測。該試驗機的自動控制系統關鍵在于自動控制主動軸的轉速和施加在從動軸上的功率，并且能自動采集試驗數據，實時顯示系統的各項性能指標。主動軸的轉速通過傳感器與模塊采集、變換后傳于上位機系統，上位機接收到其轉速信號，經計算后改變PLC的模擬量輸出，進而控制變頻器，再通過變頻器控制交流變頻電機的輸出頻率，電機的輸出頻率改變，即主動軸轉速也隨之改變，主動軸的轉速控制系統即形成了閉環控制系統[ 4 ]，最終穩定在設定轉速范圍內。從動軸部分施加的功率是通過PLC的模擬量輸出控制滑差離合器的激磁電流的變化來獲得試驗所需的不同的轉矩，轉矩的大小體現在系統施加的功率上。自動控制從動軸部分施加的功率則是通過實時監測從動軸扭矩和從動軸轉速的變化，反饋到上位機，再與設定功率進行比較計算來改變輸出，形成閉環控制，實時保證加載的功率與設定值相符。自動控制系統還具備自動計時功能，實時記錄測試運行時間（結果數據），達到測試終止條件自動停機功能，自動化程度高，可靠性好，無需定人值守，自動完成檢測功能。

5 結語

本自動控制系統由工控機、顯示器、PLC、模塊、打印機和專用軟件組成。工控機、顯示器配合專用軟件完成了系統的自動控制與顯示，PLC和模塊執行控制的輸出與數據的采集，實現了數據采集自動化、數據處理自動化，人機界面直觀友善，同時自動生成測試曲線，自動完成測試數據的報表填寫，測試結果由專用數據庫儲存，實現歷史數據查取功能。最終測試結果可通過打印機輸出。

參考文獻：

[1] 劉教瑜.現代電氣控制與臺達DVP系列PLC應用技術[M].人民郵電出版社，2013，4.

[2] 王建華，黃河清.計算機控制技術[M].高等教育出版社，2003，12.

[3] 劉瑞新.Visual Basic程序設計教程[M].電子工業出版社，2007，8.

[4] 梅曉榕.自動控制原理（第三版）[M].科學出版社，2014，7.

作者簡介：宋慶東（1988-），男，遼寧沈陽人，研究方向：自動化。