汽车V带疲劳试验机自动控制系统设计

摘 要：汽车V带疲劳试验机是用于检测汽车传动带的寿命及可靠性的专用试验机，广泛应用于传动带疲劳性试验检测，其控制系统采用工控机、显示器与PLC、模块共同实现数据采集自动化、试验检测过程自动化，同时自动生成测试曲线，记录测试结果。

关键词：试验机；控制系统；自动化；检测

随着汽车的普及化，公众对汽车的安全性及配件使用寿命要求日益提高，汽车传动带质量及使用寿命对于驾乘人员的安全起着重要的作用，现今市面上的生产的汽车V带种类繁杂、良莠不齐，因此对其质量的监督势在必行。汽车V带的疲劳性能则需在其疲劳试验机上进行测试，那么试验机的控制系统设计显得尤为重要。然而从设计理念上采用机电一体化的形式，从数据采集的智能性、设备操作的便捷性、检测过程中无人值守及设备自身的可靠性出发，设计研发拥有高度自动化的控制系统更能提高检测效率。

1 概述

汽车V带疲劳试验机自动控制系统是结合其设备系统原理、依据国家标准《V带疲劳试验方法有扭矩法》（GB/T14562）、《普通V带疲劳试验方法（无扭矩法）》（GB/T15328）中的试验程序对其进行自动试验控制。

2 硬件分析与选型

2.1 下位机

试验系统主要由电机、滑差离合器、转速传感器、扭矩传感器等组成。电机通过变频器控制，运用模拟量输出控制变频器频率，进而改变电机转速。电机通过传送带带动主轴转动，主轴转速采用转速传感器采集，输出频率信号。从动轴则通过滑差离合器来控制加载的功率，扭矩传感器则是用来采集其转速和扭矩，进而换算出加载的功率大小。综上原理，本试验机的自动控制系统的下位机采用台达PLC[ 1 ]来控制输出和采集数据，具体采用DVP-14SS211T系列主机和DVP-02DA-S扩展模块来实现。

DVP-14SS211T：

主机点数：14（8DI+6DO）；

程序容量：8k steps；

通讯端口：内置RS-232与RS-485，兼容Modbus ASCII/RTU通讯协议；

内置高数计数器，2相2输入，频率可达10kHz。

DVP-02DA-S：

模拟信号输出通道：2通道/台；

模拟输出范围：0～10V或0～20mA；

数字数据范围：0～4000；

分辨率：12bits（1LSB=2.5mV）或（1LSB=5μA）。

2.2 模块

RemoDAQ-8000模块是基于RS-485网络的数据采集模块。它们提供了计数器/频率测量功能。模块可以由命令远程控制。RemoDAQ-8080特性如下：2个单独的32位计数器，计数器0和计数器1；2路频率测量；输入频率：1Hz～100K Hz；输出：RS-485通讯。

RemoDAQ-8080模块是用来测量主动轴转速。主动轴转速传感器测量转速后输出频率信号，经RemoDAQ-8080模块采集，与工控机通过RS-485通讯，运用计算机控制技术[ 2 ]经上位机软件处理，实时显示主动轴转速。

2.3 上位机

系统上位机采用工控机，显示器作为人机界面显示，运用Visual Basic程序设计[ 3 ]软件进行自动控制系统设计与界面设计。

3 界面设计

系统界面包含主界面、参数设置、试验报表、手动调试。主界面可实时显示主动轴转速、从动轴转速、加载功率、运行时间、滑差率数据，同时自动绘制滑差率与运行时间曲线。参数设置界面用来设置试验过程用参数，系统可根据设置好的参数自动运行试验机，对试件进行疲劳测试。试验报表可在试验完成后自动生成结果数据并于数据库连接，可对试验结果进行输出、打印，也可查询历史试验数据。手动调试界面主要用于设备维护和前期调试，可控制试验系统的各个动作、采集系统内所有参数指标。

4 控制系统设计与实现

汽车V带疲劳试验机系统主要分为两大部分，一部分为主动轴部分，另一部分为从动轴部分。电机的转动经主动轴带轮带动从动轴带轮旋转，从动带轮轴的一端连接滑差离合器电枢，滑差离合器感应轴与增速带轮的带轮相连接，带轮带动与主动带轮同轴的小带轮旋转，再在主动轴与从动轴上按标准连接好试件，即可实现试件疲劳性能的检测。该试验机的自动控制系统关键在于自动控制主动轴的转速和施加在从动轴上的功率，并且能自动采集试验数据，实时显示系统的各项性能指标。主动轴的转速通过传感器与模块采集、变换后传于上位机系统，上位机接收到其转速信号，经计算后改变PLC的模拟量输出，进而控制变频器，再通过变频器控制交流变频电机的输出频率，电机的输出频率改变，即主动轴转速也随之改变，主动轴的转速控制系统即形成了闭环控制系统[ 4 ]，最终稳定在设定转速范围内。从动轴部分施加的功率是通过PLC的模拟量输出控制滑差离合器的激磁电流的变化来获得试验所需的不同的转矩，转矩的大小体现在系统施加的功率上。自动控制从动轴部分施加的功率则是通过实时监测从动轴扭矩和从动轴转速的变化，反馈到上位机，再与设定功率进行比较计算来改变输出，形成闭环控制，实时保证加载的功率与设定值相符。自动控制系统还具备自动计时功能，实时记录测试运行时间（结果数据），达到测试终止条件自动停机功能，自动化程度高，可靠性好，无需定人值守，自动完成检测功能。

5 结语

本自动控制系统由工控机、显示器、PLC、模块、打印机和专用软件组成。工控机、显示器配合专用软件完成了系统的自动控制与显示，PLC和模块执行控制的输出与数据的采集，实现了数据采集自动化、数据处理自动化，人机界面直观友善，同时自动生成测试曲线，自动完成测试数据的报表填写，测试结果由专用数据库储存，实现历史数据查取功能。最终测试结果可通过打印机输出。

参考文献：

[1] 刘教瑜.现代电气控制与台达DVP系列PLC应用技术[M].人民邮电出版社，2013，4.

[2] 王建华，黄河清.计算机控制技术[M].高等教育出版社，2003，12.

[3] 刘瑞新.Visual Basic程序设计教程[M].电子工业出版社，2007，8.

[4] 梅晓榕.自动控制原理（第三版）[M].科学出版社，2014，7.

作者简介：宋庆东（1988-），男，辽宁沈阳人，研究方向：自动化。