基于PLC 的拉力试验机电控系统

孙胜兵

拉力试验是材料科学与工程实践中的基础试验。 通常的拉力试验多为静力单轴试验， 通过不断对测试件施加载荷， 直到其断裂， 来测得其屈服强度、 断裂强度、 杨氏模量、 泊松比等。 拉力试验机也多为单轴试验用机， 通常可施加的力较小， 施力点较少。 本文设计的控制系统可用于对较大的环型铸件进行测试。 测试过程是提出测试要求的一方根据测试工件在工作状态下的应力状态、 分布规律进行受力分析， 经理论计算和有限元仿真计算， 确定应加载的载荷大小、 载荷等级及作用点位置。 拉力试验机据此施加力， 为此应确保力的精确性， 并能控制施力的速度以模拟工件实际工作状态。 国标《 液压式万能试验机GB/T 3159-2008》 中对拉力试验机的加力和测力系统均有明确要求。 本文设计的控制系统主要是用于力的施加与测量。

1 拉力试验机系统构成

本文的试验机由电控部分和液压部分组成。电控部分由PLC、 人机界面、 数字量模块、 模拟量模块、 串口通信模块、 开关电源、 变压器、 比例放大器、 压力变送器等组成。 液压系统由柱塞泵、 蓄能器、 滤油器、 三位四通阀、 比例减压阀、 比例溢流阀、 液压缸等元件组成。 为避免电磁干扰， 比例放大器设在单独的控制柜中。 通过带屏蔽的线缆与PLC 控制柜连接。

液压系统设计7 个液压支路， 最多可在7 个作用点施加拉力。 PLC 控制换向阀打开或关闭某一支路， 通过比例减压阀控制分支压力。 作用在传感器上的压力通过变送器反馈给PLC 模拟量模块。 人机界面将PLC 获得的数据以趋势图形式显示出来，同时将数据存储， 以备日后分析（见图1， 图2）。

2 PLC 程序设计

本文的PLC 为CP1H， 开发环境为CXProgrammer 4.0。 使用梯型图方式编写程序。 包括启停模块、 测试模块、 数据备份模块、 调试模块。启停模块负责平稳启停液压泵， 减少对系统的冲击； 测试模块用来测试工件， 是最主要的模块； 数据备份模块可将测试数据在PLC 和HMI 中分别备份； 调试模块提供一些辅助功能， 方便调试时使用（见图3）。

图1 液压系统实物图

图2 电控系统实物图

图3 程序流程图

由于测试数据较多， 所以通过使用指针指向每一级需达到的压力值， 测完一级后指针自增1， 就可以指向下一级数据。 为模拟实际压力升速， 通过设定斜坡时间定时器来设置增压速度。 测试数据的写入可通过HMI 人机界面输入， 也可在CXProgarmmer 中通过写内存的方式， 一次性写入PLC D 存储区域中。 由变送器反馈的0～20 mA 电流值经过缩放转换为压力值后进行比较。 转换过程可使用CP1H 指令集中的缩放指令， 或自己编写程序计算。

3 人机界面设计

人机界面分为主界面、 数据界面、 备份界面、趋势图界面等。 在主界面中可以打开或关闭各个支路换向阀， 设定保压时间、 斜坡时间， 以及压力等级（见图4）。

在数据界面中可输入要达到的拉力数据（见图5） 。 每个数据对应PLC D 区域一个字的存储区。数据为16 位无符号型。

趋势图可实时显示输出力曲线（ 见图6） ， 设置周期式采样， 通道数为7， 历史记录保存到HMI。 数据来源为PLC 程序设定的缓存区。

人机界面中还设有数据存入U 盘的功能， 存储格式为CSV 文件， 可转为EXCEL 文件， 方便分析。

图4 主界面图

图5 数据界面

4 试验验证

笔者以实际试验数据为样本， 检验试验机输出力的准确性。 该次测试所测工件较小， 施力点只有两个（见表1）。

图6 输出力曲线图

经过试验得到实际输出力（ 见表2） 和误差值（见表3）。

从误差表可以看出， 压力较低时误差在2%以内， 超过3MP 等级后误差在1%以内。 最终笔者得到实际测试数据曲线（见图7）。

表1 测试需输出力 （10 N）

表2 实际输出力 (10N)

表3 实际误差

图7 测试数据曲线

5 结 语

本文设计的试验机控制系统可用于测试较大铸件的拉力。 经过实际使用， 该系统在输出的准确性、 稳定性， 测量的精确性， 操作的方便性等方面均有不错的表现。 今后， 通过提升系统的响应速度， 会进一步降低误差， 提高本系统的整体性能。