恒力液压机测控系统设计.pdf

2 0 1 3年 1 O月 第 4 1卷 第 1 9期 机床与液压 MACHI NE T OOL HYDRAUL I CS 0c t ． 2 01 3 Vo 1 ． 41 No ． 1 9 DO I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 3 ． 1 9 ． 0 3 1 恒 力液 压机测控系统设计 任善 畚 大连交通大学机械工程学院，辽宁大连 1 1 6 0 2 8 摘要恒力液压机能实现加载力、位移或其速率的恒定。测控系统以小型 P L C为控制核心，位移测量采用光栅尺，并 采用 P L C中断程序进行 4倍频处理以提高测量精度，压力测量采用带有通讯功能的高性能调理转换模块代替性能有限的 P L C的A ／ D模块 ，显著提高了测量分辨率和精度。自编的 P I D算法充分发挥了P L C的性能，提高了闭环控制精度。液压机 的参数设定、显示由触摸屏完成，而长期的数据保存 、输出由上位机实现。试验结果表明，测控系统达到了设计要求。 关键词 恒力液压机 ； 可编程序控制 器 ； 测控 系统 中图分类号 T P 2 7 3 文献标识码B 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 3 1 91 1 1 3 De s i g n o f M e a s u r e me n t a nd Co nt r o l S y s t e m f o r Co n s t a nt Fo r c e Hy dr a u l i c Pr e s s REN Xi y a n C o l l e g e o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ， D a l i a n J i a o t o n g U n i v e r s i t y ， D a l i a n L i a o n i n g 1 1 6 0 2 8 ，C h i n a Ab s t r a c t C o n s t a n t f o r c e h y d r a u l i c p r e s s c a n b e u s e d t o r e a l i z e c o n s t a n t d i s p l a c e me n t ， f o r c e a n d t h o s e r a t e s ．T h e mi n i a t u r e P L C wa s u s e d a s t h e c o r e o f t h e me a s u r e me n t a n d c o n t r o l s y s t e m．T h e g r a t i n g r u l e r w a s a p p l i e d t o me a s u r e d i s p l a c e me n t ，a n d i t s me a s u r e me n t a c c u r a c y w a s i mp r o v e d b y me t h o d o f f o u r f o l d f r e q u e n c y p r o d u c e d b y i n t e r r u p t p r o gra m．Me a s u r i n g r e s o l u t i o n a n d a c c u r a c y o f t h e p r e s s u r e we r e i mp r o v e d s u b s t a n t i a l l y b y h i g h p e rf o r ma n c e c o n d i t i o n i n g c o n v e r s i o n mo d u l e wi t h c o mmu n i c a t i o n i n t e rf a c e ，i n s t e a d o f P L C’ S A ／D mo d u l e o f l o w p e rf o r ma n c e ．P e rfo rm a n c e o f P L C w a s b r o u g h t i n t o f u l l p l a y ，a n d c l o s e d - l o o p c o n t r o l a c c u r a c y wa s i mp r o v e d b y s e l f ma d e PI D p r o gra m． S e t t i n g a n d d i s p l a y o f p r e s s p a r a me t e r s w e r e fi n i s h e d b y h u ma n ma c h i n e i n t e rf a c e ．T h e s e w e r e s t o r e d f o r a l o n g a n d o u t p u t t e d b y t h e h o s t c o mp u t e r ．T h e r e s u h s s h o w t h a t t h e me a s u r e me n t a n d c o n t r o l s y s t e m me e t s t h e d e s i g n r e q u i r e me n t s ． Ke y wo r d s Co n s t a n t f o r c e h y d r a u l i c p r e s s ； P L C； Me a s u r e me n t a n d c o n t r o l s y s t e m 恒 力液压机是为某 军 品产生 开发 的专用 液压 机 ， 其要求是先恒定力或位移的加载速率 ，达到设定值 后保持该值不变。恒力液压机的测控方式与液压式 材料压力试验机相似，但用途不是材料试验而是产 品生产 ，所以恒力液压机是具备试验机性能的生产 设备。 材料压力试 验机的测控系统有多种方式 ，以工控 机加上通用或 自制多功能卡组 成 的居多 ，工控 机 除了完成控制外 ，还要完成数据采集 、处理储存等工 作 。也有采用 单 片机 或 其他 的处理 器 开发 的测控 系 统 。 ，多应用于水泥强度试 验机。由于 P L C的性 能 越来越 强 ，采用 P L C和触摸 屏组 成 的测 控 系统 在 压 力试验机 中得 到了应用 ，但 P L C，特别是 小型 P L C的 A ／ D模块分辨率 、精度有限，其测量、控制 精 度较低 。 从可靠性 、操作方便性以及设备 的连贯性 使 用单位 已经有多套普通液压机 等 因素综合考虑， 该液压机采用 P L C加触摸屏的测控方案 ，但在软硬 件上采取措施以提高测量、控制精度 。 1液压机要求 恒力液压 机力 方 面 的性 能 要求 按 照 液压 式 万 能试验机 G B ／ T 3 1 5 9 - 2 0 0 8 1 级标准制造 压力 等级 5 0 0 k N，加荷速率 0 ． 3～1 0 k N ／ s ；位移 0～ 4 2 0 m m，精 度 0 ． 0 1 m m，速 率 快 速 2 0 m m ／ s 、慢 速 0 ． 2 ～1 ． 0 m m ／ s 可调 。 从上述要求看 ，对测控系统的检测、控制精度要 求较高，但响应速度要求较低。 2 测控系统 2 ． 1 系统 组成 测控 系统组成 见 图 1 ，采 用 4 0点 小型 P L C作 为 主控制器，该机具备中断、高速计数、脉冲输出、浮 点运算等功能 ，指令丰富、程序和数据容量大。通过 安装通信插件，共有 3个 C O M 口，分别与触摸屏 、 上位计算机、调理模块通讯。其 D ／ A模块控制伺服 比例阀，通过反馈信号控制液压缸力和位移输出。技 术要求中的快速是靠大流量液压泵实现的，不用闭环 控制 。 收稿 日期 2 0 1 2 0 8 2 7 作者简介任喜岩 1 9 6 3 一 ，男，硕士，副教授，主要从事机电一体化方面科研与教学工作。Em a i l r e n x y s o h u ． c o rn。 1 1 2 机床与液压 第 4 1 卷 其他 I ／ O 触 摸 屏 I R 2 3 2 上位l 光 栅 尺 位 移 液 压 缸 小型 一体 P L C C0M l l COM2 l COM 3 H 模 块 f 业 力 1压 力 ／ 量H盛 图 1 测控 系统组成 6英寸触摸屏用于输入显示工艺参数、过程数 据 ，选择控制方式等。 光栅尺用 于测量液压机位移 ，P L C通过 中断 的方 式读取光栅尺的 A、B两相脉冲信号，累加计数转换 为位移，位移经微分后 ，求出液压缸速度。 压力传感器用于测量液压缸压力，经过标定转换 为液压机输出力。由于小型 P L C的 A ／ D模块分辨率 低、精度低 ，无法满足 1 级液压机示值误差 1 ％的 要求，而采用中大型 P L C成本会大幅上升，因此采 用带有通讯功能的高性能调理模块，通过通讯方式解 决压力信号采样问题。精度 0 ． 1 ％的压力传感器将 压力转换为电信号 ，调理转换模块将其滤波、放大， 经 2 4位 A ／ D转换器 转换 为数字 量 ，编码成 浮点 数 ， 最后由 R S 4 8 5串行总线输 出。串行总线通信速度为 1 1 5 ． 2 k B ／ s ，采样频率为 1 0 0 H z 。 上位计算机是 与现场 的其他液压机共用 的 ，组成 1 N的主从 网络 ，通 过采 集软 件 采集储 存 在 P L C数 据寄存器的数据，以数据库的形式保存在计算机中， 供后 续分析 、打印之用 。 2 ． 2主要 程序 2 ． 2 ． 1 光栅尺输入 光栅尺的栅距 0 ． 0 2 m m，经 四倍频后精度可达 4 - 5 tx r n ／ m、分辨率 5 m，能满足设计要 求 。但所选 的P L C虽然内置 3 0 k H z 的两相高速计数 ，并不具备 四倍频输出，因此通过程序实现四倍频输出。 其方法是将光栅尺每相信号接人两个中断点 ，分 别产生上升沿 、下降沿 中断。在 A相上升沿 中断时 判断之前保存的 B相中断是上升沿还是下降沿，如 果是下 降 沿 图 2 a ，A相 超前 B相 9 0 。 ，累加 计数器加 1 ，否则 B相超前 图 2 b ，累加计数 器减 1 。用同样方法判断 A相下降沿、B相上升沿和 B相下降沿 ，即可实现可逆计数的四倍频输出。 A厂 _ ] 厂 _ ] r _ ] r _ ] 壁厂 ] 厂 ] 旦 r _ ] 厂 ] 8 光栅 正 向 b 光栅 反 向 图2 光栅输出信号 2 ． 2 ． 2 定 时 所有关键 的定 时如 P I D调节 周期 、采样周 期 、速 率计算 、参 数 记 录间 隔等 ，都 是 采用 时 基为 0 ． 5 m s 的定 时中断通 过 3 2位计 数器 累加实 现 的 ，避免 了扫 描周期的影响，大幅提高了定时精度。 2 ． 2 ． 3 P I D控 制 P L C内置的 P I D指令输入范围只有 0～1 0 0 0 0 ， 无法使用，所以自编了全浮点运算的 P I D程序。为了 兼顾动态响应和干扰敏感度 ，P I D采用不完全积分的 算法 。 自编的 P I D算法有 以下 3个优点 1 采用 全浮 点运 算 ，适应 范 围广 ，解 决 了 内 置 P I D参数范 围受 限 问题 ； 2 实 时控 制 ，即采样 结束标志直接调用 P I D子程序 ，运算结果也在同一个 扫描周期输 出 ，这 是 内置 P I D无 法做 到 的 ； 3 针 对力、位移的控制要求不同以及控制阶段不同 ，P I D 参数可变 ，在保证系统稳定性的同时进一步提高了控 制精度 。 2 ． 2 ． 4 力 的标定 标定解决测量 压力和实际输出力之间 的关系 。按 照 静力单轴试验机的检验 G B ／ T 1 6 8 2 5 ． 1 - 2 0 0 2 规定 的办法进行。标定是采用半 自动方式 ，在触摸屏 上按 标定力大小依次设置触摸键 ，按下触摸键 ，液压 机动作 ，待稳定后分别读取压力值和0 ． 3级标准测力 仪的力值，重复下一个力值点，最后将各点的压力、 力的均值由触摸屏输入到 P L C，通过线性插值 的方 法，求出满量程压力与力的对应关系。 2 ． 2 ． 5 力 的零点 与一般 的压力试验机不 同 ，该液压机 液压缸的行 程长达 4 0 0 m m，不同的位置 ，液压机输出力的零点 是变化的，因此专门编制零点测量程序，自动测量液 压机7个位置的零点 3次，其结果平均，再经线性插 值求出液压机全行程上的零点。 2 ． 3数 据 采 集 数 据采集 是上 位机 读取 暂存 在 P L C中 的工艺 参 数和过 程数据 ，以便 长期保 存 ，保 证每个产 品质量 的 可溯性 。采集软件采用 V B ． N E T开发 ，其核 心是 A c C e S 数据库的读写。数据库是软件 自动建立的，每个 生产 日自动生成两个表 一个保存产品编号、工艺参 数 、开始时间、控制方式等；另一个保存每个产品的 时间、力、力速率 、位移、速度等调节过程数据。用 户界面可以查询、显示数据库内容。每个产品的数据 能以E x c e l 表形式输出，由于保密原因，具体的后续 处理 由用户 自行 完成。 3试验结果分析 图3中曲线是基于力控方式的试验数据用 E x c e l 第 1 9期 任喜岩 恒力液压机测控系统设计 1 1 3 表直接画出的，恒值段绝对误差随力值增加略有增 大 ，为 0 ． 0 7～ 0 ． 1 3 k N，从 该误差 范 围计算 ，液压机 的使用范围为满量程的 1 ． 5 ％ ～1 0 0 ％，但综合考虑 标定、摩擦力变化等 因素，校准后液压 机在满量程 4 ％以上能达到 1级精度。图中虚线是 0 恒值段 、 0 ． 3 、0 ． 5 、1 k N ／ s 恒 速率 曲线 ，除 了刚开始 前 7 s 绝 对误差偏大外 ，其余误差基本恒定，最大0 ． 0 3 k N ／ s ， 其控制精度很 高。 图 3 力控制 曲线 位移测量、控 制 同样满 足要 求，恒速 率误 差 0 ． 0 2 m m ／ s 、恒 值 误 差 0 ． 0 3 m m、测 量 精 度 0 ． 0 0 5 I T I I T I 。在恒速率 和恒值 转换 时有小 幅振 荡 ，可能与 单 作用缸的下行靠重力和被压物料弹性有关。 4结束语 采用中断方式倍频、高性能压力调理模块、全行 程零点、自编 P I D和标定等措施 ，小型 P L C功能得 到 了充分 的发挥 。实际测试和应用表明 ，所 开发的系 统完全达 到了设计要求 。 P L C控制程序 7千余步 ，而扫描周期还不到 5 m s ，远低于实际5 0 m s 的P I D调节周期 ，换言之，如 果需要 ，P I D的调节周期还 可 以缩短 ，调节速 度进一 步加快 ，这也说 明 P L C可 以用 在变 化较 快 的过程 控 制场合 。 参考文献 【 1 】 牟丹， 廖生行， 周恩涛． 比例阀控制压力试验机的设计与 开发[ J ] ． 机床与液压， 2 0 0 3 3 2 9 1 2 9 2 ． 【 2 】项祖丰， 姜伟， 高红俐． 3 0 0 k N压力试验机控制及测量 系统研究[ J ] ． 北京计量技术 ， 2 0 0 3 5 1 9 2 0 ． 【 3 】张小建． 单片机在 自动加载试验机控制系统中的运用 [ J ] ． 武汉科技学院学报， 2 0 0 5 1 1 3 9 4 1 ． 【 4 】张雁平， 吴雄彪． 基于单片机的混凝土压力试验机用数 控阀设计[ J ] ． 液压与气动， 2 0 0 8 7 2 8 3 0 ． 【 5 】闫亚峰， 姚明海， 朱 肖肖． 嵌入式智能压力试验机测控系 统设计[ J ] ． 机电工程， 2 0 0 7 9 7 47 6 ． 【 6 】朱仁学， 黄立军． 基于 P L C的大型构件压力试验机电液 伺服力控制系统设计 [ J ] ． 煤矿机械， 2 0 0 8 5 1 3 6 1 38． 【 7 】 赵欣． 基于 P L C的压力试验机测控系统[ J ] ． 兵工 自动 化 ， 2 0 0 8 7 5 8 5 9 ． 【 8 】陶永华 ， 尹怡辛， 葛芦生． 新型 P I D控制及其应用 [ M] ． 北京 机械工业出版社 ， 1 9 9 8 1 1 1 4 ． 青海 一机数控机床有限责任公司 “ 领跑” 行业技术进步 作为我国开发与研制数控机床、加工中心的重点企业 ，青海一机数控机床有限责任公司凭借近 3 0年的技术积 淀与成功经验，持续开展管理创新、技术创新与自主创新 ，实现了产品结构由经济普及型向中、高档的转型升级。 如今 ，公司不仅成为国内首台卧式加工中心的研制企业 ，而且拥有 自主研发的五轴联动加工中心、双驱动同步控制 机构等行业核心技术 ，并已成功应用于中高档数控机床的设计制造中。 为提升企业的科技创新能力，公司从承担重大科研项目、建设科研平台、营造科研氛围等方面人手，大力推进 科技创新体系建设 ，加大科技创新投入 ，培育科技创新队伍。近年来，公司先后建立了研发管理制度和鼓励发明创 造奖励制度，设立了知识产权办公室 ，成立了青海省省级技术中心和青海省高速加工中心重点实验室，并加强与高 校的产学研合作，完成了从单纯 自主研发到建立多渠道立体研发模式的转变。此外 ，公司还把研究开发新技术 、新 产品、新工艺放在重要战略位置 ，每年均投入大量科研经费 ，仅近3年的研发投入就达 7 3 0 7万元，从而有力支撑 了关键技术研究的持续性。 领先的创新平台，先进的实验手段，明显的计量检测优势，使公司的产品始终处于国内先进水平。几年来，公 司先后研制成功了 H NC 6 3高速卧式加工中心、X C H1 2 0 0立卧转换铣车复合加工中心、H MC 1 0 0 S高速型卧式加工中 心等多款具有 自主知识产权的新机床，并成功实现产业化。继承担 “ 机器人与加工中心集成技术研究” 、“ 高档数 控机床动态综合补偿技术” 、“ 高速立、卧式加工中心产业化”等多项青海省科技攻关项 目之后 ，公司于今年再次 承担了国家科技重大专项 “ 整体床身式精密卧式加工中心”的研发任务。目前，公司每年新申请发明专利3 4件 ， 共取得专利技术 1 5项。 内容来源青海日报