基于PLC的耐久试验装置设计

韩慧彦

（山西省财政科学研究院，山西 太原 030006）

引言

操作杆及力传感器是将操作者力反馈给控制系统的重要部件，其性能影响电传系统的可靠性，其中疲劳耐久性试验是必不可少的试验之一。由于操作杆及传感器部件因使用工况不同种类繁多，形状各异，针对该类部件和试验传感器的疲劳试验机也就各有所需[1]。目前，常用的耐久试验根据动力不同主要有电机驱动加载、气动驱动加载和液压驱动加载三种方式，取决于系统的压力、频率、精度及经济性等因素，因此非标耐久试验装置是各类加载装置的设计主流。设计结构简单、安全可靠、易于操作、适用广泛的试验装置[2]，已成为耐久性试验机需求主流。

本文结合某类操作杆及传感器部件功能性和耐久性试验需求，从系统设计、系统组成、控制软件等方面进行详细设计，并进行功能验证，设计结构紧凑、功能齐全、安全可靠的试验装置，为操作杆类部件耐久性试验提供参考依据。

1 系统组成

试验装置应满足操纵杆及传感器功能性试验和耐久试验要求，该试验装置包含机械装置、气动系统和电控系统三部分组成。机械装置为试验提供安装工装、台架和机械接口，为试验装置基础部分；气动系统为试验装置提供动力、施载压力和疲劳动作等，为系统的动力部分；电气系统控制气动装置完成相应功能，并将参数进行显示、处理和存储等，为系统控制部分。三者协调完成操作杆功能试验和疲劳耐久试验。其系统框图如图1所示。

试验工件即操作杆及力传感器部件通过工装安装到试验台架后，电气系统上电，通过触摸屏操作控制电磁阀给空压机供电，待系统压力达到设定压力后，手动调节表显式调压阀，使系统满足试验压力，此时可通过触摸屏操作按钮对控制气缸加载，气缸与试验件安装有压力传感器，可采集加载压力。气缸运动到位后其限位开关状态改变，PLC检测到后控制换向阀换向，气缸回程，完成一次操作杆加载试验。在操作杆前推、后拉、左右侧各布置一套加载气缸，完成操作杆推拉力及侧向载荷的模拟。

2 系统设计

2.1 机械装置设计

试验装置机械部分包括安装有测试操作杆工装、台架和机械气动接口等。工装可将操作杆及传感器安装在台架工作台上，由气缸进行加载，并可根据型号不同更换工装以适应不同类型操纵杆。台架为箱体式结构，顶部安装有操作箱，底部有安装板，布置有电气系统和气动系统，为系统提供支撑。箱体采用双开门的结构形式，可方便电气系统和气动系统的维护。操作箱上布置有触摸屏和操作面板，面板有急停按钮、PLC系统上电指示灯、旋转按钮，触摸屏安装高度基本与人面部等高，符合人体学设计。

2.2 电气系统设计

电气控制系统分为执行层、控制层及配电系统，其中执行层包括各气缸及磁环传感器、电磁阀；控制层包括控制器、现场操作按钮盒、按钮开关、急停及触摸式操作面板；配电系统主要包括小型塑壳断路器、中间继电器及电源模块等电气元件。电气系统控制气动系统为操作杆及传感器部件施加载荷，通过传感器将采集数据信息显示和存储，采用西门子S7-200 Smart作为系统主要控制器，与触摸屏以以太网形式通信[3-5]，其结构如图2所示。操作杆四个方向布置有加载气缸，气缸等高安装，气缸两个极限位置安装有磁环传感器，可采集气缸内活塞位置并传给PLC，由PLC判定气缸位置，控制换向电磁阀动作，完成操作杆及传感器往复一次加载。系统根据厂家试验要求从四个方向进行加载，加载力由气动系统保证，由PLC实现加载顺序逻辑和加载时间控制。通过继电器控制空压机的通断，系统配置触摸屏完成系统操作并显示压力、加载力、加载次数等系统参数，触摸屏与西门子Smart PLC以太网方式进行通信。压力传感器采集气缸加载力的大小，根据需求可手动调节数显调压阀进而通过调节系统气压方式更改加载力的大小，传感器数据经过西门子模拟量扩展模块EM AE04进入PLC，由PLC进行计算，通过触摸屏进行显示。PLC控制两位三通换向阀更改气路对气缸换向，实现加载气缸的往复运动控制。

2.3 气动系统设计

试验装置采用气动为系统加载，其组成原理如图3所示。气动系统包括空气压缩机、气动三联件、表显式调压阀、电磁换向阀、出口节流阀、加载气缸及附件等。空压机经气动三联件后，由调压阀、电磁换向阀后进入加载气缸，调压阀上带有数显式压力表，可实时显示系统压力。电磁换向阀为两位三通阀，控制加载气缸的往复运动，在气缸回程回路布置节流阀，可手动调节加载气缸的运动速度，较少对操纵杆及传感器部件的冲击。

系统开机后，由控制系统通过继电器对空压机上电，空压机到达设定最大压力值后自动停机保护。通过手动调压阀调节系统压力，并通过触摸屏控制某号缸单次加载和卸载，此时实时观察触摸屏上系统压力，并不断调节调压阀压力，待系统达到试验要求压力和加载力后停止调节，可启动系统试验。试验开始后，电控系统通过气缸磁环传感器和电磁换向阀实现加载力的往复加载，根据需求手动调节出口节流阀，调节系统加载速度。

2.4 软件系统设计

2.4.1 程序设计

电控系统设计主程序和子程序，完成操纵杆功能试验和疲劳耐久试验。其中耐久试验流程如图4所示。进入疲劳试验选择界面后，选择疲劳试验，系统按1、2、3、4顺序进行加载。先是推出1号缸加载，判定其极限开关动作后推出2号缸，并同时收回1号缸，判定2号缸推出磁环动作和1号缸收回磁环动作后，推出3号缸加载收回2号缸，其磁环动作后，推出4号缸加载收回3号缸，4号缸磁环动作后，耐久试验计数器加1，完成一次循环，再次推出一号缸加载，进行耐久试验。

主程序采用循环扫描的方式自上而下从左至右进行，并调用子程序。主程序完成参数的初始化、PLC的I/O端口自检和存储器的复位。参数的初始化主要完成相关参数的初值设置，如以太网、定时器初值设定等；存储器复位完成系统开始运行前清除程序所使用中间寄存器中的数值，如M寄存器和V寄存器，防止上次运行后某位处于不确定的状态而引起误动作。I/O可通过置位、复位的方式对PLC相关管脚进行检查，以查询I/O口是否良好。子程序完成加载缸的自动控制和手动控制，并将状态参数实时显示。

2.4.2 人机交互界面设计

系统设计触摸式操作面板实现人机交互，设计了选择主界面和二级界面。二级界面包含气泵控制、手动控制、自动控制三个控制方式；并包含疲劳参数设定、数据存储及系统参数设定等操作界面，如图5所示。其中疲劳参数为断电保持型数据，清零设定如图6所示，可清除耐久试验次数。

主界面为开机后显示界面，提供二级控制界面选择界面，可通过虚拟按钮打开二级界面。气泵控制界面主要提供气泵的通断控制和状态显示，实现空气压缩机的上电控制，提高空压机的安全性和可靠性。手动控制界面主要提供4个加载缸的同时回零点、同时加载及单个缸的点动单向控制，满足操作杆及传感器部件单次加载的功能需求，同时在调节系统压力和缸加载力时为系统提供手动方式。自动控制为系统耐久性试验操作界面，提供气缸回零点、实施加载、疲劳开始、疲劳暂停和疲劳停止等按钮，并实时显示系统的加载力、加载次数、缸的当前状态等信息。

系统上电后，先进入选择主界面，选择气泵控制界面，通过虚拟按钮接通气泵电源，压力稳定后，返回主界面选择进入手动控制界面，此时手动调节某回路的数显式调压阀，通过手动控制界面控制该回路气缸加载和卸载，实时观察界面内加载力的大小，并不断调节调压阀且手动往复加载气缸，直到该回路加载力达到试验规定值，虚拟按钮控制该回路复位；同理调节其他回路加载力达到试验规定值后退出手动控制界面返回主界面。选择自动控制界面，启动疲劳耐久试验，系统根据设定逻辑依次对各气缸进行加载。可通过虚拟暂停和停止按钮对耐久试验进行暂停和终止，其中停止按钮是在一个加载周期完成后才能停止，暂停操作按钮是让加载缸停留在当前状态。耐久试验次数较多、时间较长，设计其试验次数为断电保持型数据，保证因系统突然断电或者系统关机后该耐久试验次数数据的存储和记忆功能。为防止该数据因误操作清除给试验过程带来经济损失，设置数据清零确定功能，由操作者根据需求对该参数清零。清零时会弹出提示框，确认清除后系统将该参数清零处理。

3 现场调试

试验设备在中航某企业进行了功能性试验和耐久性试验，符合性分析后满足设计要求，达到预期效果。现场图如图7所示。试验结果表明，本文设计试验装置满足企业某型号工件试验大纲要求，完成了某操作杆和传感器部件功能性和耐久性试验，试验装置功能齐全、系统可靠运行，试验数据符合要求，取得了较好的效果。

4 结语

本设计操作杆及传感器部件功能性和疲劳耐久试验的试验装备，对机械装置、气动系统和电气系统进行了详细设计，并设计了良好的人机交互界面，可以对操作杆及传感器部件进行功能性验证和耐久性试验，经过现场调试，取得较好的效果。试验装置可为操作杆类传感器部件功能和耐久性试验提供思路和实现方法。