电液伺服综合试验系统的设计及应用

【摘 要】针对现有设备使用中遇到的问题，提出了基于PLC和LabVIEW的电液伺服综合试验系统改造方案，搭建了系统模型框架，制定了相关的算法，实现了在线控制。PLC对位移、负荷、压力等原始信号进行采集、存储，执行上位机的控制命令，LabVIEW实现了数据采集、I/O控制、模拟量输出控制、PID算法等功能，为静态或动态试验提供详细的数据资料。该系统在数据采集的速度和准确性、控制的实时性和快速性得到了改善和提高，具有较强的可移植性。

【关键词】电液伺服系统；PLC；虚拟仪器；数据采集；LabVIEW

0 引言

TZ 100KN电液伺服综合试验机是一种拉压双向动静试验系统，主要用于测试各种金属材料、高强度非金属、复合材料及部件，如汽车板簧、门锁、链条等，在常温下的动静力学性能，可对被测试件施加规则波形和任意波形试验，其负荷、位移（变形）两种状况任意转换。试件装夹、横梁升降、锁紧均为液压驱动、操作方便，安全可靠。随着电子技术、虚拟仪器仪表技术、总线技术的快速发展，原系统的硬件、软件功能已经跟不上科技发展的步伐，应用现有的技术成果和先进经验对其进行技术升级改造，使设备更能满足具体要求，尤其在我国产品更新换代缓慢的条件下，具有较大的意义。

1 存在的问题

原系统使用年限已久，计算机、信号调制电路、伺服阀驱动器、控制电路、油源系统出现不同程度老化；负荷传感器及其信号调制电路出现问题，致使负荷测量不准确；试验操作界面不友好，参数设定不直观、不方便，试验时操作繁琐，且其程序为16位程序，不利于升级和修改；液压源采用调压回路和旁路分油的方式实现输出压力调节，耗电量大。

2 系统设计

由于出现上述问题，该试验系统已无法正常使用，为了恢复系统功能，延长系统寿命，对原系统进行下列技术升级改造（如图1所示），系统由高压油源（变频器和液压泵等）、检测变送装置（位移、负荷传感器和位移、负荷变送器）、控制器（PLC）、执行机构（伺服阀及其驱动器）以及操作界面（上位机）组成。

图1 系统硬件组成图（控制部分、机械部分略）

LabVIEW是虚拟仪器领域中最具有代表性的图形化编程开发平台，它广泛地被工业界、学术界和研究实验室所接受，视为一个标准的数据采集和仪器控制软件。上位机采用基于LabVIEW开发的人机界面，通过RS232与PLC进行通讯，实时监测和显示油源系统以及PLC的状态，完成数据记录、数据分析、数据保存、参数设置、报表统计、打印等功能。

3 系统工作原理

电液伺服综合试验系统有位移控制和负荷控制两种方式，位移控制系统位移跟随设定变化，负荷控制系统负荷跟随设定变化。控制算法为PID控制算法，比例系数、积分增益、微分增益三个参数可调。将位移、负荷传感器信号以及伺服阀控制信号转化成标准电流信号，PLC按一定的时间间隔采集位移、负荷、压力信号，并对数据进行运算、存储，PLC根据上位机的操作，载入不同类型的试验（包括静态位移试验、静态负荷试验、动态负荷试验、动态位移试验），位移、负荷PID控制运算输出通过DA模块变成0～10V信号后做为伺服放大器的输入，伺服放大器在将其转换成-40mA～40mA的控制信号，控制电液伺服阀中高压油的流量，从而改变油缸的位置和负荷；压力PID控制运算输出通过DA模块变成0～10V信号后做为变频器是频率设定，控制液压泵的转速，从而调整油源系统的出口压力，控制程序流程图如图2所示。

图2 控制程序流程图

基于LabVIEW开发的电液伺服综合试验系统，操作界面程序部分采用了生产者/消费者的设计模式，该设计模式要求有一个队列，生产者以事件驱动方式生成队列中的项，消费者根据队列中的元素异步执行代码。本系统程序中，数据通讯和部分需要重复使用的功能，使用了这一设计模式来设计。

生产者就是一个定时循环结构和一个用户事件结构，消费者就事件处理器。定时循环中的代码产生周期性事件，比如数据采集、数据记录和通讯侦测；用户事件结构产生用户进行操作时触发的事件，比如数据处理、参数设置等等；指令队列处理器包含了多条指令，每条指令都有不同的功能，它们主要实现与PLC通讯和显示界面的更新（如图3所示）。

4 电液伺服综合试验机信息化管理系统

本信息化管理系统用于微机控制电液伺服综合试验机，进行各种金属及非金属的试验，按照相应标准完成实时测量与显示、实时控制及数据处理、结果输出等各种功能（部分功能如下图4、图5、图6所示），具有以下主要特点：

图4 电液伺服综合试验系统（静态试验）主界面

图5 动态试验界面

（1）分权限管理，不同级别的操作者有不同的操作权限，可操作的菜单等内容也不同，有效的保护了系统；

（2）实时测量与显示试验力及峰值、位移、变形等各信号；

（3）实现了负荷-变形，负荷-位移等多种试验曲线的实时屏幕显示，可随时切换观察，曲线的放大与缩小非常方便；

（4）具备试验参数的计算机存储、设定、加载等功能，调零、标定等操作都从软件上进行，各参数可方便的进行存储和调入；

（5）试验数据以文本文件存贮，以方便用户查询，以及利用任何通用商业报表、字处理软件对试验数据进行再处理，同时方便联网传递数据；

（6）可记录、保存试验全过程的数据曲线，并具有演示功能，实现试验曲线再现，还可以进行曲线叠加对比，便于对比分析；

（7）可按用户要求格式打印试验报告，用户可以自己选择报告输出基本信息和试验结果及试验曲线的内容，满足各种需要；

（8）具备过载保护自动停机功能，并可以自动判断试样断裂，自动停机。

图6 参数设置界面

5 结语

我们设计的这套基于PLC和LabVIEW的电液伺服综合试验系统，能够对电液伺服综合试验机性能及工艺参数进行高速实时的数据采集，并将数据及时地送入计算机进行分析、处理，最后将结果形象地显示在计算机屏幕上。系统升级改造交付厂家使用以来，显现出以下优点：人机界面友好、程序结构清晰、易于阅读与维护、数据准确、参数设置简单、操作方便，企业投入少量的资金对原有设备进行技术改造，使旧设备再生并获得巨大的经济效益，同时可使旧设备升值，该系统适用性好、可移植性强，具有很好的推广应用前景。

【参考文献】

[1]刘君华，贾慧芹，丁晖，等.虚拟仪器图形化编程语言LabVIEW教程[M].西安：西安电子科技大学出版社，2001.

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[3]王春行.液压伺服控制系统[M].机械工业出版社，1989.

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