基于PLC 和HMI 的薄膜疲勞性試驗(yàn)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

中國(guó)航發(fā)南方工業(yè)有限公司 鄭攀 胡進(jìn) 潘柳 薛魁

引言

零件中的薄膜屬于敏感關(guān)鍵部位，特定工作環(huán)境下的疲勞性和使用壽命是極具意義的參數(shù)，它關(guān)系著整個(gè)的零件的使用壽命和維護(hù)周期。PLC（Programmable Logic Controller）是專為工業(yè)環(huán)境設(shè)計(jì)的控制器，具有抗干擾能力強(qiáng)、安裝使用方便、編程簡(jiǎn)單、體積小、能耗低等特點(diǎn)[1]。觸摸屏是非常適合工業(yè)控制的人機(jī)界面，其界面友好、輸入簡(jiǎn)單，便于系統(tǒng)的維護(hù)和改造[2]。我們采用西門子公司的PLC 與觸摸屏設(shè)計(jì)了一套用于薄膜循環(huán)充放氣疲勞性檢測(cè)的試驗(yàn)裝備。

1 薄膜疲勞性檢測(cè)的原理

圖1 機(jī)械結(jié)構(gòu)原理圖

如圖1 機(jī)械原理圖所示，將高壓壓縮空氣氣瓶作為試驗(yàn)氣源，氣源出口氣壓為15MPa，配套有空氣減壓裝置。選用電磁閥+減壓閥或電磁閥兩種模式給氣體減壓，預(yù)置每條支路的氣體壓力，進(jìn)行并聯(lián)分五路控制。需要0.4MPa進(jìn)行檢測(cè)試驗(yàn)時(shí)，關(guān)閉其他支路，單獨(dú)啟用該條支路；需要迅速提高壓力至2MPa時(shí)，關(guān)閉其他支路，只開(kāi)啟2MPa 的支路。在管路的尾部裝有放氣電磁閥，閥門打開(kāi)氣體流經(jīng)消聲器排至大氣。用專業(yè)夾具將薄膜安裝固定于水中，薄膜破損漏氣即刻有氣泡冒出。當(dāng)薄膜受到氣體擠壓后變形，氣壓降至大氣壓時(shí)形變恢復(fù)。在不同的氣體壓力下，薄膜可承受的反復(fù)形變的次數(shù)是不同的。對(duì)薄膜進(jìn)行循環(huán)充放氣檢測(cè)，直至破損即可得出該型薄膜的疲勞性參數(shù)。調(diào)節(jié)預(yù)置好各個(gè)管路的氣體壓力，用電磁閥的開(kāi)啟來(lái)控制薄膜充放氣的氣體壓力，本試驗(yàn)裝備管路的壓力為0.4MPa、0.9MPa、2MPa、3.35MPa。

圖2 為本設(shè)備的電氣控制原理圖。其中觸摸屏作為整個(gè)控制系統(tǒng)的信號(hào)輸入端和信號(hào)輸出端，并在觸摸屏中根據(jù)試驗(yàn)氣體壓力的不同編制不同的界面，操作簡(jiǎn)便形象直觀。西門子PLC作為控制執(zhí)行層，對(duì)壓力參數(shù)進(jìn)行采集處理，控制下層的繼電器、電磁閥動(dòng)作，蜂鳴器發(fā)出報(bào)警信號(hào)。編制順序功能圖，用西門子PLC 中的LAD 編程實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)循環(huán)充放氣，并采用觸摸屏進(jìn)行控制信號(hào)輸入和各種參數(shù)的顯示[3-6]。

圖2 電氣控制原理圖

2 PLC 程序與HMI 人機(jī)界面的編寫

2.1 PLC 程序與HMI 人機(jī)界面的編寫

PLC 的程序可以采用梯形圖、語(yǔ)句表、程序塊等形式表示[2]。本設(shè)備采用梯形圖形式進(jìn)行編程。在軟件STEP7-Micro/WIN32中編制調(diào)試，通過(guò)PC/PPI 電纜傳輸?shù)絇LC 中。PLC 控制程序有主程序、數(shù)據(jù)讀取子程序、0.4MPa 循環(huán)子程序、0.9MPa 循環(huán)子程序、2.0MPa 循環(huán)子程序、3.35MPa 循環(huán)子程序、手動(dòng)模式子程序。（1）主程序：主要負(fù)責(zé)對(duì)各功能塊的調(diào)用及對(duì)系統(tǒng)參數(shù)的初始化，算法子程序是對(duì)數(shù)字量和模擬量進(jìn)行轉(zhuǎn)換和處理。（2）數(shù)據(jù)讀取子程序：壓力變送器將測(cè)得的壓力轉(zhuǎn)換成4～20mA 的信號(hào)，通過(guò)模擬量輸入模塊的AIW0 存入VD0 的寄存器，可實(shí)時(shí)顯示在觸摸屏上。（3）手自動(dòng)模式選擇：手動(dòng)模式是指操作者可以通過(guò)點(diǎn)擊觸摸屏的開(kāi)關(guān)控制各個(gè)電磁閥的開(kāi)啟和關(guān)閉；自動(dòng)模式是指試驗(yàn)過(guò)程一鍵自動(dòng)化，在點(diǎn)擊試驗(yàn)開(kāi)始之后，整個(gè)循環(huán)充放氣過(guò)程自動(dòng)實(shí)現(xiàn)，直至薄膜出現(xiàn)破損或完成指定次數(shù)的循環(huán)。（4）充放氣循環(huán)子程序：為整個(gè)控制程序的核心部分，編制PLC程序?qū)崿F(xiàn)工藝要求，通常有邏輯法、步進(jìn)順控法、順序功能圖等方法，本文選擇順序功能圖法進(jìn)行PLC 的梯形圖編程。以2MPa壓力下循環(huán)10000 次為例，當(dāng)試驗(yàn)開(kāi)始的條件滿足時(shí)，0.4MPa 的壓縮空氣管路的電磁閥開(kāi)啟3min，其余所有氣路電磁閥關(guān)閉，排盡薄膜內(nèi)的氣體及雜質(zhì)。3min 后0.4MPa 的氣路關(guān)閉，2.0MPa 氣路電磁閥打開(kāi)，給薄膜充氣，充氣20s 后關(guān)閉。此時(shí)放氣閥打開(kāi)5s，薄膜里的氣體得到釋放，計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)一次即完成一次充放氣循環(huán)，未達(dá)到10000 次繼續(xù)執(zhí)行該充放氣循環(huán)，直至10000 次退出循環(huán)，復(fù)位所有電磁閥，整個(gè)設(shè)備回到初始狀態(tài)。整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中薄膜一旦破損，充放氣循環(huán)結(jié)束，輸出試驗(yàn)次數(shù)，即為該薄膜使用壽命和疲勞性數(shù)據(jù)。

2.2 HMI 人機(jī)界面設(shè)計(jì)

HMI 主要的功能是人機(jī)的信息交互，通過(guò)HMI 可以直接看到壓力、循環(huán)實(shí)時(shí)信息和設(shè)備的使用情況。在Kinco HIM2.4 環(huán)境中進(jìn)行界面開(kāi)發(fā)時(shí)，本系統(tǒng)選擇觸摸屏型號(hào)為Kinco MT4414TE，PLC 選擇SIEMENS S7-200；然后新建各個(gè)畫(huà)面，定義各畫(huà)面的名稱，在各畫(huà)面上使用編輯功能添加按鈕、指示燈、數(shù)字輸入框和文本。根據(jù)PLC 程序的功能，主要設(shè)計(jì)以下幾個(gè)畫(huà)面：第一類導(dǎo)入頁(yè)面，如圖3 所示的歡迎頁(yè)面；第二類是控制畫(huà)面，如圖4所示手動(dòng)控制畫(huà)面，包含所有閥門的控制畫(huà)面和氣體壓力實(shí)時(shí)顯示；第三類是功能選擇畫(huà)面，如圖5 所示主要是手動(dòng)/自動(dòng)控制方式選擇、壓力、循環(huán)次數(shù)等各項(xiàng)參數(shù)的設(shè)置；第四類是試驗(yàn)實(shí)時(shí)畫(huà)面，如圖6 所示該畫(huà)面為循環(huán)充放氣全程試驗(yàn)控制和顯示畫(huà)面。

圖3 歡迎頁(yè)面

圖4 手動(dòng)控制畫(huà)面

圖5 功能選擇畫(huà)面

圖6 試驗(yàn)實(shí)時(shí)畫(huà)面

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

首先把要試驗(yàn)的薄膜安裝固定到專用的檢驗(yàn)水箱里，水箱注水淹沒(méi)薄膜。開(kāi)啟氣瓶開(kāi)關(guān)并將空氣減壓閥出口壓力調(diào)至2MPa。整個(gè)設(shè)備接通電源，觸摸屏自動(dòng)開(kāi)啟出現(xiàn)首頁(yè)標(biāo)題頁(yè)面。點(diǎn)擊觸摸屏標(biāo)題頁(yè)面右下角的淡藍(lán)色方框控件進(jìn)入“功能選擇”頁(yè)面。

手動(dòng)功能：在“功能選擇”頁(yè)面的中間“手動(dòng)or 自動(dòng)”選擇旋鈕控件，撥向左邊選擇手動(dòng)功能。點(diǎn)擊“手動(dòng)控制”頁(yè)面控制鍵，進(jìn)入手動(dòng)控制頁(yè)面。在“手動(dòng)控制”頁(yè)面中，各閥旋鈕控制閥的開(kāi)啟和關(guān)閉：指示燈為綠色時(shí)表示閥已經(jīng)開(kāi)啟，指示燈為黃色時(shí)表示閥是關(guān)閉的。實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前管路上的氣體壓力。

自動(dòng)功能：在“功能選擇”頁(yè)面的中間“手動(dòng)or 自動(dòng)”選擇旋鈕，撥向右邊選擇自動(dòng)功能。在淡藍(lán)色的自動(dòng)控制區(qū)域里，選擇試驗(yàn)壓力進(jìn)入試驗(yàn)頁(yè)面。選擇充放氣試驗(yàn)次數(shù)百次或者完成，點(diǎn)擊“試驗(yàn)開(kāi)始”設(shè)備將會(huì)自動(dòng)開(kāi)始試驗(yàn)，“充放氣次數(shù)”實(shí)時(shí)顯示循環(huán)次數(shù)。點(diǎn)擊“試驗(yàn)停止”試驗(yàn)器停在當(dāng)前狀態(tài)，試驗(yàn)不再繼續(xù)進(jìn)行。點(diǎn)擊“復(fù)位”按鈕，試驗(yàn)器將回到初始狀態(tài)。

如圖7 所示右邊為2MPa 壓力下循環(huán)充放氣后的薄膜零件，對(duì)比左圖試驗(yàn)前的薄膜變形明顯。

圖7 2MPa 下100 次循環(huán)充放氣后的薄膜對(duì)比圖

4 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了一套適合用薄膜疲勞性和使用壽命檢測(cè)的方案，薄膜在0.4MPa、0.9MPa、2MPa、3.35MPa 壓力下，每次受壓20s，形變恢復(fù)5s 單面受壓循環(huán)充放氣次數(shù)的檢測(cè)，通過(guò)PLC 和HMI 為核心的控制系統(tǒng)，開(kāi)發(fā)了一套完整、先進(jìn)、可靠、擴(kuò)展性強(qiáng)的控制系統(tǒng)，并且進(jìn)行了實(shí)際測(cè)試和安裝，并投入生產(chǎn)運(yùn)行。現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)證明，該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、操作簡(jiǎn)單，能滿足用戶的使用要求，具有很強(qiáng)的推廣價(jià)值。最后給出了在該設(shè)備上某薄膜循環(huán)充放氣100 次的前后對(duì)比圖，形變明顯。在薄膜疲勞性檢測(cè)方面還應(yīng)考慮充氣時(shí)間、雙面受壓、形變恢復(fù)時(shí)間、形變量、材質(zhì)等因素的影響，與之配套的試驗(yàn)設(shè)備的研制還有很大的發(fā)展空間。