基于PLC的液壓脈沖試驗(yàn)機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖2 凸字波形曲線要求

　　(2) 凸字波。參見圖2，凸字波的要求是在t1段升壓速率要求在100mpa/s，t1=2s；在t2段要求保壓時(shí)間在0～ns可設(shè)，n為大于0的任意值，一般也設(shè)定為2s；在t3段要求與t1段基本對(duì)稱；在t4段要求保壓時(shí)間在0～n s可設(shè)，n為大于0的任意值，一般也設(shè)定為4s；pmin=0；第一個(gè)壓力臺(tái)階=0.35mpa；最高壓力=1.05mpa。

　　(3) 正弦波(半正弦或完整正弦)。正弦波比較難實(shí)現(xiàn)，在實(shí)際試驗(yàn)中主要是通過(guò)plc的專用凸輪指令產(chǎn)生凸輪波形來(lái)模擬間隔的正弦半波。完整正弦波是指在封閉狀態(tài)下做的。頻率要求為1s畫出一個(gè)完整的正弦波，波峰值最大60mpa，波谷值為0。半正弦波按照0.5s畫完一個(gè)半正弦，其他0.5s為卸壓時(shí)間來(lái)設(shè)計(jì)，卸壓時(shí)壓力為0。

3.2 撓曲試驗(yàn)

　　控制系統(tǒng)控制一個(gè)伺服油缸y方向的上下振動(dòng)，利用變頻器控制電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)試驗(yàn)樣管旋轉(zhuǎn)，控制x方向撓曲速度和角度，形成振動(dòng)和撓曲的二維組合。撓曲試驗(yàn)的頻率最大為17hz，最大振幅為±35mm，在最大振動(dòng)頻率時(shí)的振幅為±4mm。

4 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　控制系統(tǒng)由上位機(jī)(ipc)、下位機(jī)(plc)和外部電路控制組成，通過(guò)以太網(wǎng)將上位機(jī)和下位機(jī)連接，完成液壓伺服系統(tǒng)。環(huán)境條件變化由儀表控制，通過(guò)rs485與上位機(jī)通信，控制系統(tǒng)框圖如圖3所示。

圖3 液壓脈沖試驗(yàn)機(jī)控制系統(tǒng)框圖

　　4.1 壓力變送器和ad模塊

　　壓力變送器位于增壓器出口，量程0～30mpa，輸出4-20ma，頻響200hz。壓力變送器的精度為滿量程的0.75％，為了得到更高的滿量程精度，液壓系統(tǒng)采用了切換兩個(gè)壓力變送器的組合方式。所有傳感器的采樣頻率為500hz，壓力采樣相對(duì)變送器每個(gè)周期有3-5個(gè)16位數(shù)據(jù)，使于平滑處理，提高測(cè)量精度，以保證±2%的絕對(duì)誤差要求。

　　系統(tǒng)采用4路差分輸入16位ad模塊，輸入電流4-20ma，全部轉(zhuǎn)換時(shí)間600μs，上傳時(shí)間1ms，采樣頻率相當(dāng)于500hz；2路電壓/電流輸出，輸出±10v，全部轉(zhuǎn)換時(shí)間600μs，下傳時(shí)間1ms。伺服閥按100hz進(jìn)行調(diào)節(jié)即為10ms，pid調(diào)節(jié)算法時(shí)間約為0.6ms，pid指令執(zhí)行時(shí)間少于400μs，即可實(shí)現(xiàn)5次pid調(diào)節(jié)，實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性有保證。

　　4.2 液壓伺服系統(tǒng)控制

　　液壓伺服系統(tǒng)的響應(yīng)頻率和調(diào)節(jié)精度完全取決于系統(tǒng)的固有頻率和諧振頻率，伺服系統(tǒng)仿真分析將成為伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。限于篇幅，本文省略液壓伺服系統(tǒng)的相關(guān)內(nèi)容。

　　控制系統(tǒng)通過(guò)ao模塊輸出0～10v的電壓信號(hào)，經(jīng)過(guò)伺服放大器放大來(lái)控制伺服閥的開度，伺服閥開度的大小決定了液體的流量，從而來(lái)控制試驗(yàn)樣管所受壓力大小。液壓伺服系統(tǒng)是使系統(tǒng)的輸出量如位移、速度或力等，能自動(dòng)地、快速而準(zhǔn)確地跟隨輸入量的變化而變化，與此同時(shí)，輸出功率被大幅度地放大。液壓伺服系統(tǒng)以其響應(yīng)速度快、負(fù)載剛度大、控制功率大等獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。

　　伺服控制采用ad-da方法，使用壓力變送器作反饋元件。伺服刷新周期1000μs。伺服系統(tǒng)兩個(gè)伺服閥控制方法相同，僅壓力不同。

　　4.3 高速計(jì)數(shù)器和其它電路

　　hsc模塊提供4路50khz高速輸入脈沖計(jì)數(shù)，該模塊與撓曲電動(dòng)機(jī)的編碼器相連。撓曲電動(dòng)機(jī)控制撓曲速度和角度。系統(tǒng)的di和do模塊用于開關(guān)量控制，如油泵、液位、液壓閥、變頻器、介質(zhì)的溫度與攪拌、液壓系統(tǒng)保護(hù)和報(bào)警等控制。

　　4.4 以太網(wǎng)

　　slc500/l533處理器自帶有以太網(wǎng)口，相對(duì)于rs232/rs485以太網(wǎng)具有較高的可靠性而且傳輸速率快，數(shù)據(jù)傳輸速率達(dá)到10～100mbps，因此本系統(tǒng)通過(guò)以太網(wǎng)將上位機(jī)和下位機(jī)連接，減少數(shù)據(jù)傳輸遲滯對(duì)波形曲線的影響，使脈沖試驗(yàn)機(jī)具有很好的實(shí)時(shí)性，抗干擾性強(qiáng)，更加穩(wěn)定可靠。

5 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　軟件設(shè)計(jì)的主要難點(diǎn)就是實(shí)時(shí)脈沖波形曲線的控制，即始終要保證實(shí)際波形曲線要處在給定波形曲線的上下允許誤差范圍內(nèi)，如圖4所示。

圖4 實(shí)時(shí)波形曲線

　　5.1 上位機(jī)軟件

　　整個(gè)控制系統(tǒng)采用labview來(lái)編程實(shí)現(xiàn)人機(jī)界面，通過(guò)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)通信，將試驗(yàn)指令下傳給下位機(jī)，然后接受下位機(jī)的上傳數(shù)據(jù)。labview是一種圖形化的編程語(yǔ)言，它是一個(gè)開放性的環(huán)境，用于快速創(chuàng)建靈活的、可升級(jí)的測(cè)試、測(cè)量和控制應(yīng)用程序。通過(guò)labview可以很方便地采集到實(shí)際信號(hào)，并對(duì)其進(jìn)行分析得出有用信息，然后將測(cè)量結(jié)果通過(guò)直觀化的顯示、報(bào)告和網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)共享。

　　上位機(jī)負(fù)責(zé)整個(gè)控制軟件的界面設(shè)計(jì)，包括動(dòng)態(tài)顯示溫度、壓力、振幅、轉(zhuǎn)速等數(shù)據(jù)，以數(shù)值和曲線形式顯示。試驗(yàn)數(shù)據(jù)保存在數(shù)據(jù)庫(kù)中，包括設(shè)備硬件信息(液壓系統(tǒng)能力，增壓器比例，伺服閥型號(hào)等)，當(dāng)前試驗(yàn)信息(試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，試件規(guī)格、試驗(yàn)參數(shù))。用戶可以將保存在數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)提取出來(lái)，將測(cè)量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)生成報(bào)表輸出。所有波形全部保存在相應(yīng)的波形圖文件，波形數(shù)據(jù)中包含介質(zhì)溫度、環(huán)境溫度、給定壓力波形和實(shí)際壓力波形數(shù)據(jù)。軟件可以實(shí)現(xiàn)歷史曲線的重放并可以改變重放的速度，以便用戶迅速瀏覽脈沖的歷史曲線。控制系統(tǒng)還實(shí)現(xiàn)了報(bào)警功能，若監(jiān)測(cè)油箱溫度、介質(zhì)溫度、環(huán)境溫度、液位浮球、破裂浮球、過(guò)濾器堵塞、缸到頭，出現(xiàn)報(bào)警立即輸出報(bào)警信號(hào)。上位機(jī)負(fù)責(zé)采用rs485通信協(xié)議與環(huán)境儀表控制連接，環(huán)境溫度用獨(dú)立的環(huán)境箱控制，上位機(jī)可以寫入溫度控制值或者溫度控制曲線，實(shí)時(shí)讀取環(huán)境箱溫度。

　　5.2 下位機(jī)軟件

　　下位機(jī)負(fù)責(zé)整個(gè)控制軟件的實(shí)時(shí)伺服控制和邏輯控制設(shè)計(jì)，包括接收上位機(jī)的給定壓力波形曲線、撓曲試驗(yàn)的振動(dòng)頻率、振幅和撓曲的速度和角度，完成兩個(gè)伺服油缸和撓曲電動(dòng)機(jī)三個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)，以及開關(guān)量的邏輯控制。此處省略邏輯控制功能。

　　由于系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間至少要4個(gè)系統(tǒng)時(shí)間常數(shù)，下位機(jī)根據(jù)給定壓力波形曲線通過(guò)控制伺服油缸和增壓器，保證壓力上升斜坡時(shí)間小于50ms，調(diào)節(jié)周期5-10ms，界面波形顯示滯后約1個(gè)實(shí)時(shí)波形。

　　脈沖給定壓力曲線與伺服信號(hào)調(diào)節(jié)受到試驗(yàn)壓力大小、試驗(yàn)樣管膨脹量大小、增壓器比例、伺服閥放大器增益大小等因素影響。下位機(jī)應(yīng)根據(jù)前述影響因素自動(dòng)改變給定壓力曲線和放大器增益，通過(guò)控制伺服閥和增壓器實(shí)現(xiàn)對(duì)脈沖壓力的控制。通過(guò)ad模塊采樣頻率和伺服閥響應(yīng)頻率的最佳匹配，以保證實(shí)際壓力曲線和設(shè)定壓力曲線絕對(duì)誤差不超過(guò)2%。通過(guò)以太網(wǎng)將控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)上傳上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)壓力波形曲線的實(shí)時(shí)監(jiān)控，保證了控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、高可靠性。

6 結(jié)束語(yǔ)

　　由于此試驗(yàn)系統(tǒng)比較復(fù)雜，控制系統(tǒng)和液壓伺服系統(tǒng)先在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)物仿真，然后在試驗(yàn)系統(tǒng)聯(lián)調(diào)時(shí)解決系統(tǒng)的機(jī)電耦合問(wèn)題。目前控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室實(shí)物仿真已取得初步成果，初步解決ad模塊采樣頻率和伺服閥響應(yīng)頻率的匹配、分級(jí)改變給定壓力曲線和放大器增益等問(wèn)題，還有待于試驗(yàn)系統(tǒng)聯(lián)調(diào)時(shí)檢驗(yàn)實(shí)際壓力曲線和設(shè)定壓力曲線誤差是否符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。