液壓拉力試驗機PLC控制系統設計

孫勝兵

（沈陽理工大學機械工程學院 遼寧省沈陽市 110159）

拉力試驗機是一種對工件做力學性能試驗用的設備，用以檢驗其在常規受力和極限受力下的表現。它主要有四個方面的性能參數[1]：力的輸出能力、速度、準確性和精度。力的輸出能力是指機器必須能夠產生足夠的力以使試樣斷裂；速度是指機器要能夠快速或緩慢地施加力，以正確模擬實際應用；準確性指加力系統的準確程度；精度是指測力系統的分辨力。在國家標準《液壓式萬能試驗機 GB/T 3159-2008》中[2]，對于加力系統要求“試驗機在施加和卸除力的過程中應平穩， 無沖擊和振動現象”。對于測力系統要求“力的指示裝置在施加力的過程中應能隨時、準確地指示出加在試樣上的試驗力值。”

1 拉力試驗機工作原理

拉力試驗機由電控系統、液壓系統和操作面板組成。可用于檢測大型環形鑄件。測試時將被測工件的各個測試點位用拉桿與傳感器連接，液壓缸推壓傳感器來拉伸工件。將不同拉力點需輸出的各等級拉力值輸入HMI，設定好拉力增速，分段點位置以及測試等級后即可開始測試。系統拉力由比例溢流閥控制，各分支拉力由比例減壓閥調節，以提高輸出的準確性。液壓系統的壓力控制多采用PID 方式，但當系統中需要多個PID 控制器，各PID 控制器之間有并聯又有串聯時，其參數整定比較繁瑣，而且難以保證各個控制器輸出時的同步性。也很難在無震蕩調節的前提下快速達到穩態。所以本系統并沒有采用PID 控制方式。由于大型鑄件的制造成本經常在萬元以上，為保證測試成功，正式測試前需要做預測試。在此時可取得在當前溫度和油液狀況下的壓力特征，以及每級壓力對應的控制量。可用測試工裝對各等級拉力對應的控制量進行測量與記錄，控制量修正后存儲在PLC 中。正式試驗時，PLC 控制各點拉力均勻增加，根據之前測得的控制量，可快速達到分段點，再根據反饋控制其緩慢輸出，使其達到較高準確性。

2 液壓系統設計

拉力試驗機有兩種類型[3]，一種是液壓動力，一種是電磁動力。大型鑄件拉力測試所需要的力可達幾百KN，一般需使用液壓系統來提供足夠的動力。文中所設計的液壓系統由油箱、柱塞泵、蓄能器、比例溢流閥、換向閥、比例減壓閥、反向閥、液壓缸等組成。液壓系統原理圖如圖1 所示，柱塞泵用來給液壓系統提供動力，蓄能器可以吸收壓力突變時對系統的沖擊，提高系統穩定性[4-5]。系統的壓力通過電磁比例溢流閥來調節，各分支壓力通過電磁比例減壓閥調節，反向閥用來幫助保壓。采用華德DREM 型先導式比例減壓閥和力樂士DBEM 型先導式比例溢流閥，換向閥采用的是WANERF 的三位四通閥。

3 電控系統設計

3.1 硬件設計

根據控制需求采取了PLC 和觸摸屏結合的方案[6-7]。電控部分由PLC、觸摸屏、控制變壓器、開關電源、比例放大器、數字量模塊、模擬量模塊、拉力傳感器、變送器、繼電器以及交流接觸器等組成。PLC 選擇了帶24 個輸入，16 個輸出的歐姆龍CP1H 型。模擬量模塊選擇的是歐姆龍CP1WMAD44 型，模塊帶4 個模擬量輸入，4 個模擬量輸出點，分辨率為1/12000。和比例減壓閥配套使用的比例放大器為CAREFUL 的VT-2000BS40 型，其控制指令輸入方式為0-10V 的電壓輸入。和力樂士比例溢流閥配套使用的比例放大器是ReboTech RT-PSGM 型。其控制指令輸入方式可以為0-5V、0-10V、4-20MA，分辨率1‰，線性度1%。為和減壓閥保持一致也選擇了0-10V 的信號輸入方式。為防止電磁輻射的干擾，減壓閥的比例放大器放在了單獨的電氣柜中。模擬量模塊和比例放大器以及比例閥之間使用帶屏蔽的線纜連接。變送器選擇麗景DT70,模擬量輸出方式選擇帶斷線檢測的4-20MA 電流信號。

圖1：液壓系統原理圖

圖2：增壓部分順序功能圖

表1：未修正時誤差

圖3：人機界面（一）

圖4：人機界面（二）

3.2 軟件設計

3.2.1 壓力數據存儲及訪問

系統最多可以設置7 個拉力點，每個點可設20 個拉力等級。由于壓力傳感器變送器反饋的值是正數，所以用無符號整型處理即可。每個壓力值可以存儲在PLCD 區域一個存儲單元中。數據可通過人機界面輸入。另設一個表格存儲拉力值對應的模擬量值，這個模擬量用于快速接近預設值。在程序中使用7 個指針分別指向每個等級的首地址，保壓時間達到后，指針加1，指向下一級地址。逐級增壓時的順序功能圖如圖2 所示。W12.00 至W12.05 代表順序控制步，W12.00 為初始步。W13.00 為測試開始信號，W13.09 為所有拉力點均達到設定值標志位。D210-D217 存儲某一級設定壓力值，D200-D207 存儲壓力控制模擬量，增壓后需要判斷是否達到設定值，以及是否達到分段點，若達到分段點則將斜坡時間調慢。DR3 至DR10 為指向壓力設定表的指針，7 個指向分支壓力表，1 個指向系統壓力表。T6 為斜坡時間定時器，T5 為保壓時間定時器，C0 是計數器用來存儲測試等級。

3.2.2 壓力控制方式

壓力突變容易對液壓系統和測試工件造成沖擊，所以在增壓過程中采取了逐漸增壓的方式，并且設置了“斜坡時間”變量，以使增速可調。停止時為防止沖擊，先把系統壓力降到最低，再把各分支壓力卸掉，最后才關閉泵。

比例閥線性度較好的區間通常在其10%-90%的壓力區間。對于20MP 的液壓閥來說，是在2MP-18MP 的區間范圍內。2MP 以下基本上是輸入信號死區[8]。在線性度較好的區間，即使是開環控制也能達到不錯的效果。根據閥的技術參數以及實驗數據，可設定一分段點，進行分段控制。前半段根據修正過的模擬量，快速接近分段點，后半段根據反饋慢速接近預設值。前后兩段的分段點和壓力增速可在預實驗中確定。系統在第一階段快速接近分段點時，使用提前測好的模擬量來判斷，而不是根據反饋判斷。第一段用來提高調節速度，第二段來增加調節的準確性。

下面給出控制量修正方法，經過幾次修正，可以使誤差達到2%以下。

當預測試時，系統在每個分支達到該值時停止加壓，由于液壓系統是一個滯后系統，數值會超過預設值。當整個測試結束時，程序會生成一個表格，計算兩個表格的差值，可算出其誤差，由于在線性區域其超調與模擬量是基本成正比的，據此可以對控制量進行修正。系統對模擬量的修正是PLC 程序自動進行的，經過幾輪修正后可以將誤差降到2%以內。修正公式如下：

式中NM為變送器測得的力值，NS為預設值，S 為液壓缸面積，0.02 是當比例閥為20MP，比例放大器精度為千分之一時，壓力的單位變化量。10 是指PLC 模擬量精度是比例放大器精度的10 倍，即在線性區間內PLC 模擬量變化10 會引起比例放大器變化1。

表1 為未修正前誤差，系統在升壓速度比較快時誤差較大，基本在百分之三以上。

經兩次修正后誤差如表2 所示，誤差在百分之二以下。由于修正時無反饋控制，所以有下偏差，正式測試時加反饋控制，可將下偏差消除。

3.3 人機界面設計

人機界面是用維綸通EasyBuilder Pro 軟件設計，圖3 界面中可分別控制7 路換向閥的方向和開關，可設定測試的保壓時間、斜坡時間、分段點位置、測試倍數。可看到測試時各拉力點反饋值。

圖4 中可設定各級需達到的設定值。沒有使用的拉力點設置為0。

除此之外還設計了趨勢圖界面，可通過資料取樣獲得的拉力值曲線，還可將數據導入U 盤中，以便日后分析。

4 試驗驗證

正式測試時工件最終沒能通過測試，在9MP 等級被拉斷。表3為正式測試時誤差，也在百分之二以內。

5 結束語

本文針對大型鑄件拉力檢測的特殊需要，設計了一種可在多個拉力點同時準確輸出的液壓控制系統。經過多次實際使用，該系統操作方便，性能穩定，輸出準確。未來需增加應變方面的檢測，從而可以對工件的力學性能有更完善的測試分析。