基于PLC的液壓脈沖試驗機控制系統(tǒng)設(shè)計
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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(shù)據(jù)，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(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(zhuǎn)換時間600μs，下傳時間1ms。伺服閥按100hz進行調(diào)節(jié)即為10ms，pid調(diào)節(jié)算法時間約為0.6ms，pid指令執(zhí)行時間少于400μs，即可實現(xiàn)5次pid調(diào)節(jié)，實時性和穩(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ao模塊輸出0～10v的電壓信號，經(jīng)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(tǒng)是使系統(tǒng)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(tǒng)以其響應速度快、負載剛度大、控制功率大等獨特的優(yōu)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(tǒng)兩個伺服閥控制方法相同，僅壓力不同。
4.3 高速計數(shù)器和其它電路
hsc模塊提供4路50khz高速輸入脈沖計數(shù)，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(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)保護和報警等控制。
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)傳輸速率達到10～100mbps，因此本系統(tǒng)通過以太網(wǎng)將上位機和下位機連接，減少數(shù)據(jù)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(wěn)定可靠。
5 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計
軟件設(shè)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(nèi)，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(tǒng)采用labview來編程實現(xiàn)人機界面，通過以太網(wǎng)實現(xiàn)通信，將試驗指令下傳給下位機，然后接受下位機的上傳數(shù)據(jù)。labview是一種圖形化的編程語言，它是一個開放性的環(huán)境，用于快速創(chuàng)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(jié)果通過直觀化的顯示、報告和網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)共享。
上位機負責整個控制軟件的界面設(shè)計，包括動態(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。試驗數(shù)據(jù)保存在數(shù)據(jù)庫中，包括設(shè)備硬件信息(液壓系統(tǒng)能力，增壓器比例，伺服閥型號等)，當前試驗信息(試驗標準，試件規(guī)格、試驗參數(shù))。用戶可以將保存在數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)提取出來，將測量的試驗數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)中包含介質(zhì)溫度、環(huán)境溫度、給定壓力波形和實際壓力波形數(shù)據(jù)。軟件可以實現(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?？刂葡到y(tǒng)還實現(xiàn)了報警功能，若監(jiān)測油箱溫度、介質(zhì)溫度、環(huán)境溫度、液位浮球、破裂浮球、過濾器堵塞、缸到頭，出現(xiàn)報警立即輸出報警信號。上位機負責采用rs485通信協(xié)議與環(huán)境儀表控制連接，環(huán)境溫度用獨立的環(huán)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(huán)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(shè)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(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)響應時間至少要4個系統(tǒng)時間常數(shù)，下位機根據(jù)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(diào)節(jié)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(diào)節(jié)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(jù)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(xiàn)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(shè)定壓力曲線絕對誤差不超過2%。通過以太網(wǎng)將控制系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)上傳上位機，實現(xiàn)壓力波形曲線的實時監(jiān)控，保證了控制系統(tǒng)的實時性、高可靠性。
6 結(jié)束語
由于此試驗系統(tǒng)比較復雜，控制系統(tǒng)和液壓伺服系統(tǒng)先在實驗室進行實物仿真，然后在試驗系統(tǒng)聯(lián)調(diào)時解決系統(tǒng)的機電耦合問題。目前控制系統(tǒng)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(tǒng)聯(lián)調(diào)時檢驗實際壓力曲線和設(shè)定壓力曲線誤差是否符合相關(guān)標準要求。
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