基于PLC控制的应变测量系统

2021-12-22郑壁森梁焌龙李子龙梁锦松徐成烨谭兆湛

机械工程师 2021年12期

郑壁森，梁焌龙，李子龙，梁锦松，徐成烨，谭兆湛

（华南理工大学广州学院机械工程学院，广州 510800）

0 引言

在机械工程学里应变测量是分析零件受力状态和材料性能最典型的研究手段之一。参考文献[1]知现有的应变测量系统大多以应变仪为主，一般由电桥、电压变换器、放大器、滤波器、A/D转换器、数显表及电源组成，同时还需要配备示波器和记录仪进行数据记录，所以对模块及设备间的兼容性要求较高，所以此类应变仪难以满足高精度、直观化和多样化的需求。但如果利用PLC来组成控制系统的话将能够很好地解决兼容性等问题。PLC最早是由美国通用公司推出的一款具有微处理器的用于自动化控制的数学运算控制器，这种控制器由于发展时间久远，拥有可供拓展的模块多种多样，具有很好的兼容性，此外还具有可靠性高、编程容易、输入/输出模块齐全、可存储等特点，文献[2]提出了PLC在自动化控制方面的应用，证明了PLC技术操作快捷、功能广泛、灵活稳定的特点，因此确定PLC控制可以用于应变仪上来使系统精度、稳定性和拓展性都得以提高。参考文献[3]可以确定利用PLC同样可以实现测试数据的实时显示、存储、回放和打印输出等功能，由于本测试系统采用的三菱PLC具有配套的触控显示屏模块，还可实现人机交互功能。

1 应变测量系统原理

电阻应变片是利用金属电阻丝应变效应制成用于构件应变测量的敏感元件，常用的有金属电阻应变片和半导体应变片。电阻应变片测量的原理是在外力作用下，被测对象产生微小机械形变，应变片随着发生相同变化，同时应变片阻值也随着发生变化，当测得应变片变化量后便可以得到被测对象的应变值，再根据应力与应变的关系，便可以得到应力值。

由应变测量相关理论可得：

在纯弯曲条件下，可得到梁横截面任意点的正应力，计算公式为

式中：M为弯矩；Iz为横截面对中性轴的惯性矩；y为所求应力点至中性轴的距离。

为了测量梁在纯弯曲时横截面上正应力的分布规律，应变片贴于梁的弯曲段沿梁侧面的不同高度，平行于轴线。

2 系统总体结构

系统以纯弯曲梁横截面上的正应力实验为例，详细分析应变测量系统的组成及应用。纯弯梁实验装置如图1所示。转动手轮时，通过压头给予承力下梁向下的压力，再通过加载杆将力传给弯曲梁，使之产生应变，利用应变片将其变化转化成电阻的变化。

图1 纯弯曲梁实验装置

本测量系统主要基于PLC控制技术而设计的，结合传统应变仪的实际使用场景，再充分考虑实用性、易用性的特点后，决定采用PLC和触控显示屏来组建信号采集和显示的方案。如图2所示，应变式传感器测量被测对象后，将测量信号转换为电信号，经过差分信号隔离变送器IBF15将信号放大，再经过FX2N-2AD将模拟电量信号转换为数字电量信号，信号在PLC处理后传输到触控显示屏。根据PLC中编程的功能，在触控显示屏实现数据操作。

图2 信号传输流程图

3 硬件系统构成

系统的硬件及电路原理如图3所示，主要包括电阻应变式传感器、放大电路模块、A/D转换模块、PLC可编程控制器、触控显示屏和电桥盒等。

图3 系统电路原理图

3.1 传感器

系统采用电阻应变式传感器，电阻应变式传感器采用箔式应变片，其输出电压与梁应变成正比，经标定后，测出电压即可经由换算得出梁应变。

3.2 放大电路模块

系统采用IBF15-Po2-2mV-P1-A4差分信号隔离变送器。该模块提供输入：配电10 V 2 mV/V；辅助电源：24 V；输出：4～20 mA。

3.3 A/D转换模块

系统采用三菱公司研发的FX2N-2AD型模拟信号输入模块，作为三菱拓展模块，可以直接接入三菱PLC。此模块能用于将2点模拟输入（电压输入或电流输入）转化为12位的数字值，再将这个数值输入到PLC可编程控制器中，无需外加电源，模拟输入值可以是0～10 V DC或者4～20 mA。

3.4 PLC可编程控制器

系统采用三菱FX3U-16M 可编程控制器。三菱FX3U-16M是三菱的一款小型PLC，属于第3代标准机型，拥有FX3系列的易用性和一体型结构及灵活的扩展性。适合小规模控制，具有非常高的性价比。控制规模:24～128点(基本单元:24/40/60点) (CC-Link构成远程IO时256点)。

3.5 触控显示屏

触控显示屏采用GT1050-QBBD-C，分辨率为320×240，标准内存为3 M，拥有USB、RS-422、RS-232三种标准接口。

3.6 电桥电路设计

电阻应变片在做力学测量时需要和电桥电路一起使用。

电阻应变仪中的电桥线路如图4所示，在A、B、C、D两点间利用应变片或电阻元件作为电桥桥臂。A、C作为电桥输入端，B、C作为电桥的输出端。应变片的设置也可以有多种形式，如取R1为应变片、R1和R2为应变片或R1～R4均为应变片等。

图4 电桥原理

由电工学原理可知，当输入端加有电压UI时，电桥的输出电压UO为

若电桥处于平衡状态时，则UO=0。所以得到电桥的平衡条件为R1R3=R2R4。当处于平衡状态的电桥中各桥臂的电阻值分别有ΔR1、ΔR2、ΔR3和ΔR4的变化时，可近似地求得电桥的输出变化电压ΔUO为

4 系统软件设计

4.1 软件工程向导

本次项目利用到了GOT向导设置且拥有输入模式、分别率、输入范围、显示方式、颜色设置等，并显示采集数据。

4.2 操作页面

GT Designer3用于三菱电机自动化GOT1000系列图形操作终端的编程软件，本次项目利用此软件实现人机交互。触摸屏编程软件如图5所示。

由图5可以看到触摸屏页面分成2个区域，一个是显示基于PLC的应变数值区域，另一个则是用来控制数值开关的区域及报警原因跟历史记录界面切换按钮。历史记录是把刚刚测出的数据保存到如图6所示页面中。

图5 触摸屏页面图

图6 历史记录页面

加入图7报警记录页面防止使用时出现量程过大而无法测量数据或数据显示错误的情况，最大量程由于设备的不同要求会有所不同，所以本系统的最大量程是可以让用户根据实际情况自行更改的。

图7 报警记录页面

4.3 系统程序

GX Works2 是一款PLC编程软件，这款软件的编程主要是针对机械设备，本次项目利用此软件的编辑功能并借助硬件AD和运算放大器实现数模转换，通过转换后的数字信号再显示到触摸屏上面。 GX WORKS2 的编辑代码如图8 ～图10所示。

图8 GX WORKS2的编辑代码（0～33）

图9 GX WORKS2的编辑代码（66～105）

图10 GX WORKS2的编辑代码（105～177）

其中0～32步的效果是选择A/D通道1；CH1的A/D转换开始；读取通道1的数字值；通道1的高4位移到下面的8位位置上，并储存到D100。33到65步的效果是选择通道2；CH2的A/D转换开始；读取通道2的数值；通道2的高4位移到下面的8位位置上，并储存到D101。66～104步是数据初始化。105～149 步则是采样频率计数，通道1采样数据和；通道2 采样数据和；采样次数为20。150～177则是计算通道1 的平均值，并将结果存放在D110，计算通道2的平均值，并将结果存放到D112。