基于PLC的标准布氏硬度机的自动控制系统*

张 巍，骆 昕，林家春*

(1.北京工业大学 机电学院，北京 100124;2.北京市计量检测科学研究院，北京 100029)

0 引 言

标准布氏硬度机作为计量的基准装置，具有复现和保存计量单位量值的作用，其可靠性对基准装置所要求的计量性能稳定、长期稳定运行具有特殊意义[1-2]。目前，国内的标准布氏硬度机基本采用砝码静重的加荷方式，在测量过程中能够有效保证加载的准确度。但该类硬度机多为上世纪70年代的产品，其原有的控制系统大多采用继电器，存在接线复杂、体积庞大、功能单一且故障率高的缺点，给硬度检定工作带来了许多不足和不便之处[3-6]。为了改变这种现状，实现布氏硬度灵活、高效的检定，有必要针对原有的硬度机研制一套结构简单、可靠性高的自动控制系统。

目前，可编程逻辑控制器(PLC)以其积木式的硬件结构和模块化的软件设计，广泛应用于自动控制领域，依靠强大的指令系统，实现包括逻辑运算、中断控制、脉冲输出等各种各样的功能；其中的伺服系统通过接受和发送脉冲，能够实现高精度的定位控制，具有速度响应性快、负载能力强、稳定性好的特点。

本研究将结合PLC控制技术、触摸屏、伺服系统，用于研制标准布氏硬度机的自动控制系统，旨在提高标准布氏硬度机的准确性，并实现布氏硬度的全自动检测。

1 系统原理

1.1 硬度机原理

直接加荷式标准布氏硬度机主要由：机架、托盘、吊挂、砝码、拨叉、压头和工作平台等几部分组成，其结构图如图1所示。

图1 直接加荷式标准布氏硬度机

该硬度机工作原理是由砝码的重力直接产生力值。其初试状态是拨叉托住所有的砝码，底部托盘托住吊挂。当施加规定试验力时，伺服电机控制硬度机底部托盘上升，从而使相应的砝码上升，将拨叉拨开后，再控制托盘下降；当托盘与吊挂彻底分离的时候，砝码与吊挂的重力全部施加在顶部压头上。

这种直接加荷方式使得力值加载的准确度非常高，能达到万分之一的量级；并且还具有使用时间长、稳定性好的特点。

1.2 伺服系统原理

伺服系统由伺服电机与伺服驱动器组成。伺服系统主要依靠脉冲定位，精度能够达到0.001 mm的量级。伺服电机带有22位绝对位置编码器，其分辨率可达4 194 304"。电机每旋转一周所需的脉冲数，可通过设置电子齿轮的分子与分母来确定。

假设每转脉冲数为n，电子齿轮分子为a，分母为b，则伺服电机旋转一周的脉冲数为：

(1)

1.3 PLC控制原理

PLC通过发送一定数量的脉冲，来控制伺服电机的旋转。在有原点的绝对坐标系下，脉冲数相当于“坐标轴”，每个脉冲都对应固定的位置，系统能从当前位置(脉冲输出当前值)及目标位置，自动算出移动脉冲的量及方向。

定义原点情况下的绝对脉冲原理图如图2所示。

图2 定义原点情况下的绝对脉冲

图2中：当前位置脉冲值为+200时，将脉冲量设定值设为+100，则伺服电机将会向反方向走100个脉冲数，直至到达+100的位置，即移动脉冲量=脉冲量设定值—指令执行时的脉冲输出当前值，这时的方向会根据当前位置脉冲量多少，进行自动选择。

经过上述的分析，不难发现：传统的IoT技术和中心化的系统框架已经很难满足未来的发展需求。针对IoT平台的特点，区块链技术能解决大量的智能设备数据在中心化的系统框架中会出现的安全和管理问题。区块链是一种集成分布式数据库、共识机制、点对点（P2P）传输和非对称加密算法等新型应用模式，具有去中心化、开放性、自治性、匿名性和信息不可篡改的特点。本文主要对IoT平台之一的体域网展开了详细研究，结合新兴的区块链技术，针对传输的安全性能和数据传输性能差的特点，研究分析了适用于体域网的身份认证技术，利用区块链技术在体域网平台下设计一个新兴的系统框架，主要解决以下问题:

系统行走的位移可由脉冲数来记录。经位移传感器测得脉冲当量为0.025 mm，设系统位移为x(mm)，走x所需的脉冲总数为N，则有：

(2)

PLC控制硬度机的流程图如图3所示。

图3 PLC控制硬度机流程图

图3中，PLC通过控制硬度机底部托盘的升降，进而控制砝码的位移。每级砝码对应一个准备位置与停止位置，由各自的脉冲数所决定。系统运行速度由脉冲频率大小决定。

在设置初试值时，将由式(1)确定合适的脉冲频率，以及由式(2)计算出的各级砝码准备位与停止位对应的脉冲数，置入PLC的数据寄存器D中，并显示在触摸屏上；由此，在触摸屏上选择试验力，PLC会控制伺服电机旋转相应的脉冲数后自动停止，以此来实现硬度机砝码的精准定位。

2 系统硬件设计

该硬件系统主要由：电源模块、可编程逻辑控制器、伺服放大器、伺服电机、人机交互界面、限位开关、接近(零点)开关、加载完成开关几部分组成，如图4所示。

图4 硬件系统组成

图4中，电源保证了系统中各个模块的正常运行。可编程逻辑控制器不能直接控制伺服电机，因此，需要伺服放大器作为“中介”，通过发送一定数量的脉冲控制伺服放大器，进而控制伺服电机的旋转；限位开关保证硬度机砝码的运动不会超出应有的行程范围；接近开关是整个系统出发的原点；加载完成开关装在硬度机底部托盘上，指示托盘与吊挂是否分开，确保试验力完全加载到压头上；人机交互界面用于使人控制机器运行。

3 系统软件设计

软件系统包括PLC程序设计与人机交互界面设计两部分，其具体组成结构如图5所示。

图5 软件系统组成

3.1 I/O分配表

标准布氏硬度机的控制系统有6个输入信号和2个输出信号，本研究选择欧姆龙CP1H-X40DT-D型PLC即可满足其要求，并可为后续功能的开发留有充足的余量[7-9]。

其I/O分配表如表1所示。

表1 I/O分配表

3.2 PLC程序设计

定位功能主要通过PLC给伺服放大器发送脉冲，控制伺服电机旋转来实现。

限位保护功能主要依靠安装在硬度机底部的两个限位开关来实现，具体是通过碰撞，使其触点吸合或断开，来实现控制电路的通断，达到控制目的。本研究将这两个限位开关接入PLC的输入端，当硬度机底部托盘碰到上限位或者下限位时，限位开关触点吸合，触发停止脉冲输出指令，伺服电机即刻停止旋转。

根据《GB/T 231.1-2018金属材料布氏硬度试验》的要求[11]，硬度机在加荷-保持相应时间-卸荷的过程要实现全自动，否则会对试样压痕的精度造成影响。

程序设计思路如下：在触摸屏上选择相应载荷后，伺服电机会按照预设的脉冲量旋转，使砝码达到加载完毕的停止位置；在这个过程中，将脉冲设定量与当前脉冲量进行实时比较，当两者相等时，说明载荷加载完毕，随即触发定时器指令，倒计时10 s后触发返回指令，伺服电机旋转，使砝码回到准备加载位，至此，整个加卸荷过程完成。

为了使调试过程更加方便快捷，本研究在PLC程序设计中增加了在触摸屏上修改参数的功能，即在触摸屏上放置数值输入元件，能够随时更改每级砝码准备位置和停止位置的脉冲量、脉冲频率(电机速度)、每级砝码的保持时间等参数，使操作更加简便。

3.3 触摸屏界面设计

人机交互界面(触摸屏)主要用来控制PLC的指令语言，并检测系统运行状态。

其界面设计主要分为4部分：开始界面、控制面板、测试界面和设定界面，如图6所示。

图6 触摸屏界面

图6中：(1)开始界面是系统的初试界面，按下“进入系统”按钮后，即进入控制面板；(2)控制面板是触摸屏界面设计的核心环节，也是主要工作界面，一般测量均在该界面下进行。选择载荷完成试验力加载卸载过程，按钮上放置了指示灯，当试验力加载到位后，指示灯亮起，能够实时获取系统此时的状态信息；(3)测试界面，也是手动控制界面，能够随时调整砝码的位置，还能显示当前脉冲数、脉冲频率以及当前位移等状态信息。由于在确定砝码设定界面的参数之后，不宜随意更改，在测试界面增加了“密码”，只有输入密码才能进入设定界面；(4)砝码设定界面可以设定砝码相关的基础数据。

触摸屏界面设计充分考虑了实用性和可靠性，操作人员只须在控制面板上选择好欲加载荷，控制系统就能够实现自动加荷—保持—卸荷的过程，大大简化了操作流程[12-15]；若遇到跳闸等紧急情况，重新上电后，触摸屏上依旧会显示断电前硬度机的当前位置(脉冲数)，操作人员可以进入测试界面进行手动调试，使硬度机回到初始位置，然后再重新开始硬度块的检定工作。

4 实际应用

本研究将编写完整的程序写入PLC，通过触摸屏控制硬度机，对HBW 5/750、HBW 10/1 000和HBW 10/3 0003种布氏硬度试样进行了布氏硬度试验。

试验所得的硬度值及相对示值误差如表2所示。

表2 硬度值验证试验数据

工作基准布氏硬度机的具体修正量要求如表3所示。

表3 工作基准布氏硬度机修正量要求

将上述试验示值相对误差与表3中的工作基准布氏硬度机修正量绝对值进行比对[16]可知，试验硬度值全部符合标准；同时，试验结果也表明控制系统运行稳定、性能可靠，检测效率也得到了提高。

5 结束语

针对标准布氏硬度机自动控制系统的研制，本文应用PLC控制伺服系统，实现了精准的定位控制，控制过程更加便捷；通过PLC编程实现了试验力的全自动加卸载。

测试试验结果表明：该硬度机能够高质量、高效率地完成标准布氏硬度块的检定工作，所测硬度值符合国家相关标准，对工作布氏硬度计的检定与诊断有实际指导意义，具有一定的工程应用价值。相对于继电器控制系统，该系统具有性能可靠、调整灵活等优点。