基于PLC控制的應(yīng)變測量系統(tǒng)

鄭壁森，梁焌龍，李子龍，梁錦松，徐成燁，譚兆湛

（華南理工大學(xué)廣州學(xué)院機械工程學(xué)院，廣州 510800）

0 引言

在機械工程學(xué)里應(yīng)變測量是分析零件受力狀態(tài)和材料性能最典型的研究手段之一。參考文獻[1]知現(xiàn)有的應(yīng)變測量系統(tǒng)大多以應(yīng)變儀為主，一般由電橋、電壓變換器、放大器、濾波器、A/D轉(zhuǎn)換器、數(shù)顯表及電源組成，同時還需要配備示波器和記錄儀進行數(shù)據(jù)記錄，所以對模塊及設(shè)備間的兼容性要求較高，所以此類應(yīng)變儀難以滿足高精度、直觀化和多樣化的需求。但如果利用PLC來組成控制系統(tǒng)的話將能夠很好地解決兼容性等問題。PLC最早是由美國通用公司推出的一款具有微處理器的用于自動化控制的數(shù)學(xué)運算控制器，這種控制器由于發(fā)展時間久遠，擁有可供拓展的模塊多種多樣，具有很好的兼容性，此外還具有可靠性高、編程容易、輸入/輸出模塊齊全、可存儲等特點，文獻[2]提出了PLC在自動化控制方面的應(yīng)用，證明了PLC技術(shù)操作快捷、功能廣泛、靈活穩(wěn)定的特點，因此確定PLC控制可以用于應(yīng)變儀上來使系統(tǒng)精度、穩(wěn)定性和拓展性都得以提高。參考文獻[3]可以確定利用PLC同樣可以實現(xiàn)測試數(shù)據(jù)的實時顯示、存儲、回放和打印輸出等功能，由于本測試系統(tǒng)采用的三菱PLC具有配套的觸控顯示屏模塊，還可實現(xiàn)人機交互功能。

1 應(yīng)變測量系統(tǒng)原理

電阻應(yīng)變片是利用金屬電阻絲應(yīng)變效應(yīng)制成用于構(gòu)件應(yīng)變測量的敏感元件，常用的有金屬電阻應(yīng)變片和半導(dǎo)體應(yīng)變片。電阻應(yīng)變片測量的原理是在外力作用下，被測對象產(chǎn)生微小機械形變，應(yīng)變片隨著發(fā)生相同變化，同時應(yīng)變片阻值也隨著發(fā)生變化，當(dāng)測得應(yīng)變片變化量后便可以得到被測對象的應(yīng)變值，再根據(jù)應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系，便可以得到應(yīng)力值。

由應(yīng)變測量相關(guān)理論可得：

在純彎曲條件下，可得到梁橫截面任意點的正應(yīng)力，計算公式為

式中：M為彎矩；Iz為橫截面對中性軸的慣性矩；y為所求應(yīng)力點至中性軸的距離。

為了測量梁在純彎曲時橫截面上正應(yīng)力的分布規(guī)律，應(yīng)變片貼于梁的彎曲段沿梁側(cè)面的不同高度，平行于軸線。

2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)以純彎曲梁橫截面上的正應(yīng)力實驗為例，詳細(xì)分析應(yīng)變測量系統(tǒng)的組成及應(yīng)用。純彎梁實驗裝置如圖1所示。轉(zhuǎn)動手輪時，通過壓頭給予承力下梁向下的壓力，再通過加載桿將力傳給彎曲梁，使之產(chǎn)生應(yīng)變，利用應(yīng)變片將其變化轉(zhuǎn)化成電阻的變化。

圖1 純彎曲梁實驗裝置

本測量系統(tǒng)主要基于PLC控制技術(shù)而設(shè)計的，結(jié)合傳統(tǒng)應(yīng)變儀的實際使用場景，再充分考慮實用性、易用性的特點后，決定采用PLC和觸控顯示屏來組建信號采集和顯示的方案。如圖2所示，應(yīng)變式傳感器測量被測對象后，將測量信號轉(zhuǎn)換為電信號，經(jīng)過差分信號隔離變送器IBF15將信號放大，再經(jīng)過FX2N-2AD將模擬電量信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字電量信號，信號在PLC處理后傳輸?shù)接|控顯示屏。根據(jù)PLC中編程的功能，在觸控顯示屏實現(xiàn)數(shù)據(jù)操作。

圖2 信號傳輸流程圖

3 硬件系統(tǒng)構(gòu)成

系統(tǒng)的硬件及電路原理如圖3所示，主要包括電阻應(yīng)變式傳感器、放大電路模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、PLC可編程控制器、觸控顯示屏和電橋盒等。

圖3 系統(tǒng)電路原理圖

3.1 傳感器

系統(tǒng)采用電阻應(yīng)變式傳感器，電阻應(yīng)變式傳感器采用箔式應(yīng)變片，其輸出電壓與梁應(yīng)變成正比，經(jīng)標(biāo)定后，測出電壓即可經(jīng)由換算得出梁應(yīng)變。

3.2 放大電路模塊

系統(tǒng)采用IBF15-Po2-2mV-P1-A4差分信號隔離變送器。該模塊提供輸入：配電10 V 2 mV/V；輔助電源：24 V；輸出：4～20 mA。

3.3 A/D轉(zhuǎn)換模塊

系統(tǒng)采用三菱公司研發(fā)的FX2N-2AD型模擬信號輸入模塊，作為三菱拓展模塊，可以直接接入三菱PLC。此模塊能用于將2點模擬輸入（電壓輸入或電流輸入）轉(zhuǎn)化為12位的數(shù)字值，再將這個數(shù)值輸入到PLC可編程控制器中，無需外加電源，模擬輸入值可以是0～10 V DC或者4～20 mA。

3.4 PLC可編程控制器

系統(tǒng)采用三菱FX3U-16M 可編程控制器。三菱FX3U-16M是三菱的一款小型PLC，屬于第3代標(biāo)準(zhǔn)機型，擁有FX3系列的易用性和一體型結(jié)構(gòu)及靈活的擴展性。適合小規(guī)模控制，具有非常高的性價比。 控制規(guī)模:24～128點(基本單元:24/40/60點) (CC-Link構(gòu)成遠程IO時256點)。

3.5 觸控顯示屏

觸控顯示屏采用GT1050-QBBD-C，分辨率為320×240，標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)存為3 M，擁有USB、RS-422、RS-232三種標(biāo)準(zhǔn)接口。

3.6 電橋電路設(shè)計

電阻應(yīng)變片在做力學(xué)測量時需要和電橋電路一起使用。

電阻應(yīng)變儀中的電橋線路如圖4所示，在A、B、C、D兩點間利用應(yīng)變片或電阻元件作為電橋橋臂。A、C作為電橋輸入端，B、C作為電橋的輸出端。應(yīng)變片的設(shè)置也可以有多種形式，如取R1為應(yīng)變片、R1和R2為應(yīng)變片或R1～R4均為應(yīng)變片等。

圖4 電橋原理

由電工學(xué)原理可知，當(dāng)輸入端加有電壓UI時，電橋的輸出電壓UO為

若電橋處于平衡狀態(tài)時，則UO=0。所以得到電橋的平衡條件為R1R3=R2R4。當(dāng)處于平衡狀態(tài)的電橋中各橋臂的電阻值分別有ΔR1、ΔR2、ΔR3和ΔR4的變化時，可近似地求得電橋的輸出變化電壓ΔUO為

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

4.1 軟件工程向?qū)?/h3>

本次項目利用到了GOT向?qū)гO(shè)置且擁有輸入模式、分別率、輸入范圍、顯示方式、顏色設(shè)置等，并顯示采集數(shù)據(jù)。

4.2 操作頁面

GT Designer3用于三菱電機自動化GOT1000系列圖形操作終端的編程軟件，本次項目利用此軟件實現(xiàn)人機交互。觸摸屏編程軟件如圖5所示。

由圖5可以看到觸摸屏頁面分成2個區(qū)域，一個是顯示基于PLC的應(yīng)變數(shù)值區(qū)域，另一個則是用來控制數(shù)值開關(guān)的區(qū)域及報警原因跟歷史記錄界面切換按鈕。歷史記錄是把剛剛測出的數(shù)據(jù)保存到如圖6所示頁面中。

圖5 觸摸屏頁面圖

圖6 歷史記錄頁面

加入圖7報警記錄頁面防止使用時出現(xiàn)量程過大而無法測量數(shù)據(jù)或數(shù)據(jù)顯示錯誤的情況，最大量程由于設(shè)備的不同要求會有所不同，所以本系統(tǒng)的最大量程是可以讓用戶根據(jù)實際情況自行更改的。

圖7 報警記錄頁面

4.3 系統(tǒng)程序

GX Works2 是一款PLC編程軟件，這款軟件的編程主要是針對機械設(shè)備，本次項目利用此軟件的編輯功能并借助硬件AD和運算放大器實現(xiàn)數(shù)模轉(zhuǎn)換，通過轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號再顯示到觸摸屏上面。 GX WORKS2 的編輯代碼如圖8 ～圖10所示。

圖8 GX WORKS2的編輯代碼（0～33）

圖9 GX WORKS2的編輯代碼（66～105）

圖10 GX WORKS2的編輯代碼（105～177）

其中0～32步的效果是選擇A/D通道1；CH1的A/D轉(zhuǎn)換開始；讀取通道1的數(shù)字值；通道1的高4位移到下面的8位位置上，并儲存到D100。33到65步的效果是選擇通道2；CH2的A/D轉(zhuǎn)換開始；讀取通道2的數(shù)值；通道2的高4位移到下面的8位位置上，并儲存到D101。66～104步是數(shù)據(jù)初始化。105～149 步則是采樣頻率計數(shù)，通道1采樣數(shù)據(jù)和；通道2 采樣數(shù)據(jù)和；采樣次數(shù)為20。150～177則是計算通道1 的平均值，并將結(jié)果存放在D110，計算通道2的平均值，并將結(jié)果存放到D112。

5 實驗對比數(shù)據(jù)

表1所示為CML-1L-16型綜合測試儀與此次基于PLC控制的應(yīng)變測量系統(tǒng)的實驗數(shù)據(jù)對比，可以看出相較于CML-1L-16型應(yīng)變&力綜合測試儀，此次的基于PLC控制的應(yīng)變測量系統(tǒng)與理論應(yīng)變值的偏差要更小。說明了基于PLC控制的應(yīng)變測量系統(tǒng)在精準(zhǔn)度上有更好的優(yōu)勢。

表1 實驗數(shù)據(jù)對比表

6 結(jié)論

基于PLC控制的應(yīng)變測量系統(tǒng)可以實現(xiàn)對應(yīng)變的正確測量，同時具有人機交互功能，能在觸控屏幕實現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)查詢，自動報警等功能。相較于CML-1L-16型應(yīng)變&力綜合測試儀的測量結(jié)果，基于PLC控制的應(yīng)變測量系統(tǒng)測量的結(jié)果更加準(zhǔn)確且穩(wěn)定。