基于PLC的標準布氏硬度機的自動控制系統*

張 巍，駱 昕，林家春*

(1.北京工業大學 機電學院，北京 100124;2.北京市計量檢測科學研究院，北京 100029)

0 引 言

標準布氏硬度機作為計量的基準裝置，具有復現和保存計量單位量值的作用，其可靠性對基準裝置所要求的計量性能穩定、長期穩定運行具有特殊意義[1-2]。目前，國內的標準布氏硬度機基本采用砝碼靜重的加荷方式，在測量過程中能夠有效保證加載的準確度。但該類硬度機多為上世紀70年代的產品，其原有的控制系統大多采用繼電器，存在接線復雜、體積龐大、功能單一且故障率高的缺點，給硬度檢定工作帶來了許多不足和不便之處[3-6]。為了改變這種現狀，實現布氏硬度靈活、高效的檢定，有必要針對原有的硬度機研制一套結構簡單、可靠性高的自動控制系統。

目前，可編程邏輯控制器(PLC)以其積木式的硬件結構和模塊化的軟件設計，廣泛應用于自動控制領域，依靠強大的指令系統，實現包括邏輯運算、中斷控制、脈沖輸出等各種各樣的功能；其中的伺服系統通過接受和發送脈沖，能夠實現高精度的定位控制，具有速度響應性快、負載能力強、穩定性好的特點。

本研究將結合PLC控制技術、觸摸屏、伺服系統，用于研制標準布氏硬度機的自動控制系統，旨在提高標準布氏硬度機的準確性，并實現布氏硬度的全自動檢測。

1 系統原理

1.1 硬度機原理

直接加荷式標準布氏硬度機主要由：機架、托盤、吊掛、砝碼、撥叉、壓頭和工作平臺等幾部分組成，其結構圖如圖1所示。

圖1 直接加荷式標準布氏硬度機

該硬度機工作原理是由砝碼的重力直接產生力值。其初試狀態是撥叉托住所有的砝碼，底部托盤托住吊掛。當施加規定試驗力時，伺服電機控制硬度機底部托盤上升，從而使相應的砝碼上升，將撥叉撥開后，再控制托盤下降；當托盤與吊掛徹底分離的時候，砝碼與吊掛的重力全部施加在頂部壓頭上。

這種直接加荷方式使得力值加載的準確度非常高，能達到萬分之一的量級；并且還具有使用時間長、穩定性好的特點。

1.2 伺服系統原理

伺服系統由伺服電機與伺服驅動器組成。伺服系統主要依靠脈沖定位，精度能夠達到0.001 mm的量級。伺服電機帶有22位絕對位置編碼器，其分辨率可達4 194 304"。電機每旋轉一周所需的脈沖數，可通過設置電子齒輪的分子與分母來確定。

假設每轉脈沖數為n，電子齒輪分子為a，分母為b，則伺服電機旋轉一周的脈沖數為：

(1)

1.3 PLC控制原理

PLC通過發送一定數量的脈沖，來控制伺服電機的旋轉。在有原點的絕對坐標系下，脈沖數相當于“坐標軸”，每個脈沖都對應固定的位置，系統能從當前位置(脈沖輸出當前值)及目標位置，自動算出移動脈沖的量及方向。

定義原點情況下的絕對脈沖原理圖如圖2所示。

圖2 定義原點情況下的絕對脈沖

圖2中：當前位置脈沖值為+200時，將脈沖量設定值設為+100，則伺服電機將會向反方向走100個脈沖數，直至到達+100的位置，即移動脈沖量=脈沖量設定值—指令執行時的脈沖輸出當前值，這時的方向會根據當前位置脈沖量多少，進行自動選擇。

經過上述的分析，不難發現：傳統的IoT技術和中心化的系統框架已經很難滿足未來的發展需求。針對IoT平臺的特點，區塊鏈技術能解決大量的智能設備數據在中心化的系統框架中會出現的安全和管理問題。區塊鏈是一種集成分布式數據庫、共識機制、點對點（P2P）傳輸和非對稱加密算法等新型應用模式，具有去中心化、開放性、自治性、匿名性和信息不可篡改的特點。本文主要對IoT平臺之一的體域網展開了詳細研究，結合新興的區塊鏈技術，針對傳輸的安全性能和數據傳輸性能差的特點，研究分析了適用于體域網的身份認證技術，利用區塊鏈技術在體域網平臺下設計一個新興的系統框架，主要解決以下問題:

系統行走的位移可由脈沖數來記錄。經位移傳感器測得脈沖當量為0.025 mm，設系統位移為x(mm)，走x所需的脈沖總數為N，則有：

(2)

PLC控制硬度機的流程圖如圖3所示。

圖3 PLC控制硬度機流程圖

圖3中，PLC通過控制硬度機底部托盤的升降，進而控制砝碼的位移。每級砝碼對應一個準備位置與停止位置，由各自的脈沖數所決定。系統運行速度由脈沖頻率大小決定。

在設置初試值時，將由式(1)確定合適的脈沖頻率，以及由式(2)計算出的各級砝碼準備位與停止位對應的脈沖數，置入PLC的數據寄存器D中，并顯示在觸摸屏上；由此，在觸摸屏上選擇試驗力，PLC會控制伺服電機旋轉相應的脈沖數后自動停止，以此來實現硬度機砝碼的精準定位。

2 系統硬件設計

該硬件系統主要由：電源模塊、可編程邏輯控制器、伺服放大器、伺服電機、人機交互界面、限位開關、接近(零點)開關、加載完成開關幾部分組成，如圖4所示。

圖4 硬件系統組成

圖4中，電源保證了系統中各個模塊的正常運行。可編程邏輯控制器不能直接控制伺服電機，因此，需要伺服放大器作為“中介”，通過發送一定數量的脈沖控制伺服放大器，進而控制伺服電機的旋轉；限位開關保證硬度機砝碼的運動不會超出應有的行程范圍；接近開關是整個系統出發的原點；加載完成開關裝在硬度機底部托盤上，指示托盤與吊掛是否分開，確保試驗力完全加載到壓頭上；人機交互界面用于使人控制機器運行。

3 系統軟件設計

軟件系統包括PLC程序設計與人機交互界面設計兩部分，其具體組成結構如圖5所示。

圖5 軟件系統組成

3.1 I/O分配表

標準布氏硬度機的控制系統有6個輸入信號和2個輸出信號，本研究選擇歐姆龍CP1H-X40DT-D型PLC即可滿足其要求，并可為后續功能的開發留有充足的余量[7-9]。

其I/O分配表如表1所示。

表1 I/O分配表

3.2 PLC程序設計

定位功能主要通過PLC給伺服放大器發送脈沖，控制伺服電機旋轉來實現。

限位保護功能主要依靠安裝在硬度機底部的兩個限位開關來實現，具體是通過碰撞，使其觸點吸合或斷開，來實現控制電路的通斷，達到控制目的。本研究將這兩個限位開關接入PLC的輸入端，當硬度機底部托盤碰到上限位或者下限位時，限位開關觸點吸合，觸發停止脈沖輸出指令，伺服電機即刻停止旋轉。

根據《GB/T 231.1-2018金屬材料布氏硬度試驗》的要求[11]，硬度機在加荷-保持相應時間-卸荷的過程要實現全自動，否則會對試樣壓痕的精度造成影響。

程序設計思路如下：在觸摸屏上選擇相應載荷后，伺服電機會按照預設的脈沖量旋轉，使砝碼達到加載完畢的停止位置；在這個過程中，將脈沖設定量與當前脈沖量進行實時比較，當兩者相等時，說明載荷加載完畢，隨即觸發定時器指令，倒計時10 s后觸發返回指令，伺服電機旋轉，使砝碼回到準備加載位，至此，整個加卸荷過程完成。

為了使調試過程更加方便快捷，本研究在PLC程序設計中增加了在觸摸屏上修改參數的功能，即在觸摸屏上放置數值輸入元件，能夠隨時更改每級砝碼準備位置和停止位置的脈沖量、脈沖頻率(電機速度)、每級砝碼的保持時間等參數，使操作更加簡便。

3.3 觸摸屏界面設計

人機交互界面(觸摸屏)主要用來控制PLC的指令語言，并檢測系統運行狀態。

其界面設計主要分為4部分：開始界面、控制面板、測試界面和設定界面，如圖6所示。

圖6 觸摸屏界面

圖6中：(1)開始界面是系統的初試界面，按下“進入系統”按鈕后，即進入控制面板；(2)控制面板是觸摸屏界面設計的核心環節，也是主要工作界面，一般測量均在該界面下進行。選擇載荷完成試驗力加載卸載過程，按鈕上放置了指示燈，當試驗力加載到位后，指示燈亮起，能夠實時獲取系統此時的狀態信息；(3)測試界面，也是手動控制界面，能夠隨時調整砝碼的位置，還能顯示當前脈沖數、脈沖頻率以及當前位移等狀態信息。由于在確定砝碼設定界面的參數之后，不宜隨意更改，在測試界面增加了“密碼”，只有輸入密碼才能進入設定界面；(4)砝碼設定界面可以設定砝碼相關的基礎數據。

觸摸屏界面設計充分考慮了實用性和可靠性，操作人員只須在控制面板上選擇好欲加載荷，控制系統就能夠實現自動加荷—保持—卸荷的過程，大大簡化了操作流程[12-15]；若遇到跳閘等緊急情況，重新上電后，觸摸屏上依舊會顯示斷電前硬度機的當前位置(脈沖數)，操作人員可以進入測試界面進行手動調試，使硬度機回到初始位置，然后再重新開始硬度塊的檢定工作。

4 實際應用

本研究將編寫完整的程序寫入PLC，通過觸摸屏控制硬度機，對HBW 5/750、HBW 10/1 000和HBW 10/3 0003種布氏硬度試樣進行了布氏硬度試驗。

試驗所得的硬度值及相對示值誤差如表2所示。

表2 硬度值驗證試驗數據

工作基準布氏硬度機的具體修正量要求如表3所示。

表3 工作基準布氏硬度機修正量要求

將上述試驗示值相對誤差與表3中的工作基準布氏硬度機修正量絕對值進行比對[16]可知，試驗硬度值全部符合標準；同時，試驗結果也表明控制系統運行穩定、性能可靠，檢測效率也得到了提高。

5 結束語

針對標準布氏硬度機自動控制系統的研制，本文應用PLC控制伺服系統，實現了精準的定位控制，控制過程更加便捷；通過PLC編程實現了試驗力的全自動加卸載。

測試試驗結果表明：該硬度機能夠高質量、高效率地完成標準布氏硬度塊的檢定工作，所測硬度值符合國家相關標準，對工作布氏硬度計的檢定與診斷有實際指導意義，具有一定的工程應用價值。相對于繼電器控制系統，該系統具有性能可靠、調整靈活等優點。