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基于PLC的液压脉冲试验机控制系统设计 |
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1 引言
在汽车、飞机和工程机械等设备上的液压传动系统的管路受到不同工况的振动冲击。随着人们对产品可靠性要求的提高，以及各种行业发展的需要，管路的抗冲击和抗挠曲性能将越来越受到重视，因而管路的抗冲击性能成为反映其质量和可靠性的重要指标。随着我国汽车工业的迅速发展，需要液压脉冲设备来进行检测软管在不同环境和工况下的性能。
液压脉冲试验机用于汽车刹车管、燃油管、转向管、冷却水管、散热软管和暖风软管等软管脉冲压力的寿命试验，该试验机能方便、稳定的检测出设备所用的软管是否符合标准的要求。
液压脉冲试验机控制系统是基于plc的二级混合控制系统，下位机采用rockwell automation的slc500作为核心处理器的实时控制器，上位机ipc利用labview软件编写的人机界面具有易于操作，便于维护等特点。通过以太网将上位机和下位机连接，使该脉冲试验机具有很好的实时性，抗干扰性强，更加稳定可靠。
2 试验系统要求
该试验系统要求试验样管在-40～160℃，压力10～30mpa的不同环境条件下进行寿命试验，将新样管通过压力冲击和挠曲试验直至爆破来测试产品是否符合相关标准要求。
液压脉冲试验机是主要通过液压伺服系统来控制压力和脉冲波形。波形误差、压力施加方式、响应时间和精度直接影响试验系统的准确性，相关标准对要求波形的控制绝对误差为2％。由于采集和处理的数据需要实时上传到上位机，这就要求控制系统数据传输速度快、抗干扰能力强，从而保证试验系统具有很好的实时波形曲线。在试验过程中，试验样管会因为变形、膨胀引起管径和液压伺服系统参数的变化，控制系统如何根据这些变量来调节，其硬件和软件设计具有较高的难度。
3 试验方法
脉冲试验机主要有压力冲击和挠曲试验两种方法，两种方法同时进行试验，很好地模拟了不同环境和工况条件下，汽车行驶的实际路面状况。
3.1 压力冲击
液压脉冲试验机压力通过控制脉冲波形来实现。控制波形主要分梯形波、凸字波、正弦波和方波四种。控制系统可以根据试验工艺需要从上位机选择预定的脉冲波形来达到试验的目的，用户可以根据液压伺服系统结构自由选择间隔卸压。对存在间隔卸压的波形，如梯形波和凸字波，在脉冲的波谷的时候开启卸压阀使介质可以在试验样管中流动。波形的具体要求如图1所示。
图1 梯形波曲线要求
(1) 梯形波(方波、三角波)。梯形波(方波、三角波)参照德国标准tl82415要求为在t1段升压速率要求在1mpa/s～300mpa/s之间可调；在t2段要求保压时间在0～ns可设，n为大于0的任意值；在t3段要求与t1段基本对称；在t4段要求保压时间在0～ns可设，n为大于0的任意值；pmin控制在0～10%pmax；pmax根据不同的管有不同的要求，目前不会大于60mpa。
图2 凸字波形曲线要求
(2) 凸字波。参见图2，凸字波的要求是在t1段升压速率要求在100mpa/s，t1=2s；在t2段要求保压时间在0～ns可设，n为大于0的任意值，一般也设定为2s；在t3段要求与t1段基本对称；在t4段要求保压时间在0～n s可设，n为大于0的任意值，一般也设定为4s；pmin=0；第一个压力台阶=0.35mpa；最高压力=1.05mpa。
(3) 正弦波(半正弦或完整正弦)。正弦波比较难实现，在实际试验中主要是通过plc的专用凸轮指令产生凸轮波形来模拟间隔的正弦半波。完整正弦波是指在封闭状态下做的。频率要求为1s画出一个完整的正弦波，波峰值最大60mpa，波谷值为0。半正弦波按照0.5s画完一个半正弦，其他0.5s为卸压时间来设计，卸压时压力为0。
3.2 挠曲试验
控制系统控制一个伺服油缸y方向的上下振动，利用变频器控制电动机带动试验样管旋转，控制x方向挠曲速度和角度，形成振动和挠曲的二维组合。挠曲试验的频率最大为17hz，最大振幅为±35mm，在最大振动频率时的振幅为±4mm。
4 控制系统硬件设计
控制系统由上位机(ipc)、下位机(plc)和外部电路控制组成，通过以太网将上位机和下位机连接，完成液压伺服系统。环境条件变化由仪表控制，通过rs485与上位机通信，控制系统框图如图3所示。
图3 液压脉冲试验机控制系统框图
4.1 压力变送器和ad模块
压力变送器位于增压器出口，量程0～30mpa，输出4-20ma，频响200hz。压力变送器的精度为满量程的0.75％，为了得到更高的满量程精度，液压系统采用了切换两个压力变送器的组合方式。所有传感器的采样频率为500hz，压力采样相对变送器每个周期有3-5个16位数据，使于平滑处理，提高测量精度，以保证±2%的绝对误差要求。
系统采用4路差分输入16位ad模块，输入电流4-20ma，全部转换时间600μs，上传时间1ms，采样频率相当于500hz；2路电压/电流输出，输出±10v，全部转换时间600μs，下传时间1ms。伺服阀按100hz进行调节即为10ms，pid调节算法时间约为0.6ms，pid指令执行时间少于400μs，即可实现5次pid调节，实时性和稳定性有保证。
4.2 液压伺服系统控制
液压伺服系统的响应频率和调节精度完全取决于系统的固有频率和谐振频率，伺服系统仿真分析将成为伺服系统设计的关键。限于篇幅，本文省略液压伺服系统的相关内容。
控制系统通过ao模块输出0～10v的电压信号，经过伺服放大器放大来控制伺服阀的开度，伺服阀开度的大小决定了液体的流量，从而来控制试验样管所受压力大小。液压伺服系统是使系统的输出量如位移、速度或力等，能自动地、快速而准确地跟随输入量的变化而变化，与此同时，输出功率被大幅度地放大。液压伺服系统以其响应速度快、负载刚度大、控制功率大等独特的优点。
伺服控制采用ad-da方法，使用压力变送器作反馈元件。伺服刷新周期1000μs。伺服系统两个伺服阀控制方法相同，仅压力不同。
4.3 高速计数器和其它电路
hsc模块提供4路50khz高速输入脉冲计数，该模块与挠曲电动机的编码器相连。挠曲电动机控制挠曲速度和角度。系统的di和do模块用于开关量控制，如油泵、液位、液压阀、变频器、介质的温度与搅拌、液压系统保护和报警等控制。
4.4 以太网
slc500/l533处理器自带有以太网口，相对于rs232/rs485以太网具有较高的可靠性而且传输速率快，数据传输速率达到10～100mbps，因此本系统通过以太网将上位机和下位机连接，减少数据传输迟滞对波形曲线的影响，使脉冲试验机具有很好的实时性，抗干扰性强，更加稳定可靠。
5 控制系统软件设计
软件设计的主要难点就是实时脉冲波形曲线的控制，即始终要保证实际波形曲线要处在给定波形曲线的上下允许误差范围内，如图4所示。
图4 实时波形曲线
5.1 上位机软件
整个控制系统采用labview来编程实现人机界面，通过以太网实现通信，将试验指令下传给下位机，然后接受下位机的上传数据。labview是一种图形化的编程语言，它是一个开放性的环境，用于快速创建灵活的、可升级的测试、测量和控制应用程序。通过labview可以很方便地采集到实际信号，并对其进行分析得出有用信息，然后将测量结果通过直观化的显示、报告和网络实现共享。
上位机负责整个控制软件的界面设计，包括动态显示温度、压力、振幅、转速等数据，以数值和曲线形式显示。试验数据保存在数据库中，包括设备硬件信息(液压系统能力，增压器比例，伺服阀型号等)，当前试验信息(试验标准，试件规格、试验参数)。用户可以将保存在数据库中的数据提取出来，将测量的试验数据生成报表输出。所有波形全部保存在相应的波形图文件，波形数据中包含介质温度、环境温度、给定压力波形和实际压力波形数据。软件可以实现历史曲线的重放并可以改变重放的速度，以便用户迅速浏览脉冲的历史曲线。控制系统还实现了报警功能，若监测油箱温度、介质温度、环境温度、液位浮球、破裂浮球、过滤器堵塞、缸到头，出现报警立即输出报警信号。上位机负责采用rs485通信协议与环境仪表控制连接，环境温度用独立的环境箱控制，上位机可以写入温度控制值或者温度控制曲线，实时读取环境箱温度。
5.2 下位机软件
下位机负责整个控制软件的实时伺服控制和逻辑控制设计，包括接收上位机的给定压力波形曲线、挠曲试验的振动频率、振幅和挠曲的速度和角度，完成两个伺服油缸和挠曲电动机三个闭环控制系统的调节，以及开关量的逻辑控制。此处省略逻辑控制功能。
由于系统响应时间至少要4个系统时间常数，下位机根据给定压力波形曲线通过控制伺服油缸和增压器，保证压力上升斜坡时间小于50ms，调节周期5-10ms，界面波形显示滞后约1个实时波形。
脉冲给定压力曲线与伺服信号调节受到试验压力大小、试验样管膨胀量大小、增压器比例、伺服阀放大器增益大小等因素影响。下位机应根据前述影响因素自动改变给定压力曲线和放大器增益，通过控制伺服阀和增压器实现对脉冲压力的控制。通过ad模块采样频率和伺服阀响应频率的最佳匹配，以保证实际压力曲线和设定压力曲线绝对误差不超过2%。通过以太网将控制系统实时数据上传上位机，实现压力波形曲线的实时监控，保证了控制系统的实时性、高可靠性。
6 结束语
由于此试验系统比较复杂，控制系统和液压伺服系统先在实验室进行实物仿真，然后在试验系统联调时解决系统的机电耦合问题。目前控制系统实验室实物仿真已取得初步成果，初步解决ad模块采样频率和伺服阀响应频率的匹配、分级改变给定压力曲线和放大器增益等问题，还有待于试验系统联调时检验实际压力曲线和设定压力曲线误差是否符合相关标准要求。
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(11/3/2011) |
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