基于PLC 的拉力試驗機電控系統

孫勝兵

拉力試驗是材料科學與工程實踐中的基礎試驗。 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， 通常可施加的力較小， 施力點較少。 本文設計的控制系統可用于對較大的環型鑄件進行測試。 測試過程是提出測試要求的一方根據測試工件在工作狀態下的應力狀態、 分布規律進行受力分析， 經理論計算和有限元仿真計算， 確定應加載的載荷大小、 載荷等級及作用點位置。 拉力試驗機據此施加力， 為此應確保力的精確性， 并能控制施力的速度以模擬工件實際工作狀態。 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均有明確要求。 本文設計的控制系統主要是用于力的施加與測量。

1 拉力試驗機系統構成

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、 數字量模塊、 模擬量模塊、 串口通信模塊、 開關電源、 變壓器、 比例放大器、 壓力變送器等組成。 液壓系統由柱塞泵、 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。

液壓系統設計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 獲得的數據以趨勢圖形式顯示出來，同時將數據存儲， 以備日后分析（見圖1， 圖2）。

2 PLC 程序設計

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

圖1 液壓系統實物圖

圖2 電控系統實物圖

圖3 程序流程圖

由于測試數據較多， 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據。 為模擬實際壓力升速， 通過設定斜坡時間定時器來設置增壓速度。 測試數據的寫入可通過HMI 人機界面輸入， 也可在CXProgarmmer 中通過寫內存的方式， 一次性寫入PLC D 存儲區域中。 由變送器反饋的0～20 mA 電流值經過縮放轉換為壓力值后進行比較。 轉換過程可使用CP1H 指令集中的縮放指令， 或自己編寫程序計算。

3 人機界面設計

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

在數據界面中可輸入要達到的拉力數據（見圖5） 。 每個數據對應PLC D 區域一個字的存儲區。數據為16 位無符號型。

趨勢圖可實時顯示輸出力曲線（ 見圖6） ， 設置周期式采樣， 通道數為7， 歷史記錄保存到HMI。 數據來源為PLC 程序設定的緩存區。

人機界面中還設有數據存入U 盤的功能， 存儲格式為CSV 文件， 可轉為EXCEL 文件， 方便分析。

圖4 主界面圖

圖5 數據界面

4 試驗驗證

筆者以實際試驗數據為樣本， 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， 超過3MP 等級后誤差在1%以內。 最終筆者得到實際測試數據曲線（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 測試數據曲線

5 結 語

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