基于PLC的液壓脈沖試驗機控制系統設計

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段要求保壓時間在0～ns可設，n為大于0的任意值，一般也設定為2s；在t3段要求與t1段基本對稱；在t4段要求保壓時間在0～n s可設，n為大于0的任意值，一般也設定為4s；pmin=0；第一個壓力臺階=0.35mpa；最高壓力=1.05mpa。

　　(3) 正弦波(半正弦或完整正弦)。正弦波比較難實現，在實際試驗中主要是通過plc的專用凸輪指令產生凸輪波形來模擬間隔的正弦半波。完整正弦波是指在封閉狀態下做的。頻率要求為1s畫出一個完整的正弦波，波峰值最大60mpa，波谷值為0。半正弦波按照0.5s畫完一個半正弦，其他0.5s為卸壓時間來設計，卸壓時壓力為0。

3.2 撓曲試驗

　　控制系統控制一個伺服油缸y方向的上下振動，利用變頻器控制電動機帶動試驗樣管旋轉，控制x方向撓曲速度和角度，形成振動和撓曲的二維組合。撓曲試驗的頻率最大為17hz，最大振幅為±35mm，在最大振動頻率時的振幅為±4mm。

4 控制系統硬件設計

　　控制系統由上位機(ipc)、下位機(plc)和外部電路控制組成，通過以太網將上位機和下位機連接，完成液壓伺服系統。環境條件變化由儀表控制，通過rs485與上位機通信，控制系統框圖如圖3所示。

圖3 液壓脈沖試驗機控制系統框圖

　　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，液壓系統采用了切換兩個壓力變送器的組合方式。所有傳感器的采樣頻率為500hz，壓力采樣相對變送器每個周期有3-5個16位數據，使于平滑處理，提高測量精度，以保證±2%的絕對誤差要求。

　　系統采用4路差分輸入16位ad模塊，輸入電流4-20ma，全部轉換時間600μs，上傳時間1ms，采樣頻率相當于500hz；2路電壓/電流輸出，輸出±10v，全部轉換時間600μs，下傳時間1ms。伺服閥按100hz進行調節即為10ms，pid調節算法時間約為0.6ms，pid指令執行時間少于400μs，即可實現5次pid調節，實時性和穩定性有保證。

　　4.2 液壓伺服系統控制

　　液壓伺服系統的響應頻率和調節精度完全取決于系統的固有頻率和諧振頻率，伺服系統仿真分析將成為伺服系統設計的關鍵。限于篇幅，本文省略液壓伺服系統的相關內容。

　　控制系統通過ao模塊輸出0～10v的電壓信號，經過伺服放大器放大來控制伺服閥的開度，伺服閥開度的大小決定了液體的流量，從而來控制試驗樣管所受壓力大小。液壓伺服系統是使系統的輸出量如位移、速度或力等，能自動地、快速而準確地跟隨輸入量的變化而變化，與此同時，輸出功率被大幅度地放大。液壓伺服系統以其響應速度快、負載剛度大、控制功率大等獨特的優點。

　　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。伺服系統兩個伺服閥控制方法相同，僅壓力不同。

　　4.3 高速計數器和其它電路

　　hsc模塊提供4路50khz高速輸入脈沖計數，該模塊與撓曲電動機的編碼器相連。撓曲電動機控制撓曲速度和角度。系統的di和do模塊用于開關量控制，如油泵、液位、液壓閥、變頻器、介質的溫度與攪拌、液壓系統保護和報警等控制。

　　4.4 以太網

　　slc500/l533處理器自帶有以太網口，相對于rs232/rs485以太網具有較高的可靠性而且傳輸速率快，數據傳輸速率達到10～100mbps，因此本系統通過以太網將上位機和下位機連接，減少數據傳輸遲滯對波形曲線的影響，使脈沖試驗機具有很好的實時性，抗干擾性強，更加穩定可靠。

5 控制系統軟件設計

　　軟件設計的主要難點就是實時脈沖波形曲線的控制，即始終要保證實際波形曲線要處在給定波形曲線的上下允許誤差范圍內，如圖4所示。

圖4 實時波形曲線

　　5.1 上位機軟件

　　整個控制系統采用labview來編程實現人機界面，通過以太網實現通信，將試驗指令下傳給下位機，然后接受下位機的上傳數據。labview是一種圖形化的編程語言，它是一個開放性的環境，用于快速創建靈活的、可升級的測試、測量和控制應用程序。通過labview可以很方便地采集到實際信號，并對其進行分析得出有用信息，然后將測量結果通過直觀化的顯示、報告和網絡實現共享。

　　上位機負責整個控制軟件的界面設計，包括動態顯示溫度、壓力、振幅、轉速等數據，以數值和曲線形式顯示。試驗數據保存在數據庫中，包括設備硬件信息(液壓系統能力，增壓器比例，伺服閥型號等)，當前試驗信息(試驗標準，試件規格、試驗參數)。用戶可以將保存在數據庫中的數據提取出來，將測量的試驗數據生成報表輸出。所有波形全部保存在相應的波形圖文件，波形數據中包含介質溫度、環境溫度、給定壓力波形和實際壓力波形數據。軟件可以實現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。控制系統還實現了報警功能，若監測油箱溫度、介質溫度、環境溫度、液位浮球、破裂浮球、過濾器堵塞、缸到頭，出現報警立即輸出報警信號。上位機負責采用rs485通信協議與環境儀表控制連接，環境溫度用獨立的環境箱控制，上位機可以寫入溫度控制值或者溫度控制曲線，實時讀取環境箱溫度。

　　5.2 下位機軟件

　　下位機負責整個控制軟件的實時伺服控制和邏輯控制設計，包括接收上位機的給定壓力波形曲線、撓曲試驗的振動頻率、振幅和撓曲的速度和角度，完成兩個伺服油缸和撓曲電動機三個閉環控制系統的調節，以及開關量的邏輯控制。此處省略邏輯控制功能。

　　由于系統響應時間至少要4個系統時間常數，下位機根據給定壓力波形曲線通過控制伺服油缸和增壓器，保證壓力上升斜坡時間小于50ms，調節周期5-10ms，界面波形顯示滯后約1個實時波形。

　　脈沖給定壓力曲線與伺服信號調節受到試驗壓力大小、試驗樣管膨脹量大小、增壓器比例、伺服閥放大器增益大小等因素影響。下位機應根據前述影響因素自動改變給定壓力曲線和放大器增益，通過控制伺服閥和增壓器實現對脈沖壓力的控制。通過ad模塊采樣頻率和伺服閥響應頻率的最佳匹配，以保證實際壓力曲線和設定壓力曲線絕對誤差不超過2%。通過以太網將控制系統實時數據上傳上位機，實現壓力波形曲線的實時監控，保證了控制系統的實時性、高可靠性。

6 結束語

　　由于此試驗系統比較復雜，控制系統和液壓伺服系統先在實驗室進行實物仿真，然后在試驗系統聯調時解決系統的機電耦合問題。目前控制系統實驗室實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頻率的匹配、分級改變給定壓力曲線和放大器增益等問題，還有待于試驗系統聯調時檢驗實際壓力曲線和設定壓力曲線誤差是否符合相關標準要求。