趙米鋒，吳娟

(西北工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，陜西西安 710072)

滅火瓶沖擊試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

趙米鋒，吳娟

(西北工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，陜西西安 710072)

滅火瓶沖擊試驗(yàn)臺(tái)是用來(lái)測(cè)試飛機(jī)上滅火瓶質(zhì)量的重要產(chǎn)品。滅火瓶在裝配到飛機(jī)之前要對(duì)其做沖擊試驗(yàn)，以檢查其質(zhì)量是否合格。設(shè)計(jì)一個(gè)滅火瓶沖擊試驗(yàn)臺(tái)，該試驗(yàn)臺(tái)的沖擊頻率可通過(guò)調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)不同轉(zhuǎn)速下沖擊試驗(yàn)。測(cè)控系統(tǒng)下位機(jī)使用S7-400PLC進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)控制和數(shù)據(jù)采集，上位機(jī)使用WinCC軟件進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控和數(shù)據(jù)歸檔。

滅火瓶;沖擊試驗(yàn)臺(tái);變頻電機(jī);PLC;高速數(shù)據(jù)采集

飛機(jī)上的滅火瓶在飛機(jī)的起飛和降落過(guò)程中將會(huì)承受很大的過(guò)載加速度，若該沖擊加速度超過(guò)了滅火瓶所能承受的最大沖擊加速度值，可能會(huì)使滅火瓶爆裂，引起無(wú)法預(yù)料的事故。滅火瓶的抗沖擊性顯得尤為重要。因而在出廠之前要對(duì)滅火瓶進(jìn)行沖擊耐久試驗(yàn)，檢查其是否合格。為了能夠方便地檢測(cè)滅火瓶的質(zhì)量是否達(dá)標(biāo)，根據(jù)某航空公司的要求，設(shè)計(jì)了一臺(tái)性能可靠、成本低廉、操作方便的滅火瓶沖擊試驗(yàn)臺(tái)。

1 系統(tǒng)性能需求

根據(jù)某航空公司的要求，試驗(yàn)臺(tái)要求沖擊加速度在2～15g內(nèi)可調(diào)，沖擊頻率要求在150～200次/min內(nèi)可調(diào)，工作臺(tái)最大跌落范圍L小于20 mm，工作臺(tái)質(zhì)量60 kg，工作臺(tái)最大承載質(zhì)量小于80 kg。控制系統(tǒng)采用上位機(jī)實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)控制分自動(dòng)控制和手動(dòng)控制，數(shù)據(jù)自動(dòng)采集存儲(chǔ)，可進(jìn)行關(guān)鍵詞檢索，有良好的人機(jī)交互界面。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理分析

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析

系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示，試驗(yàn)臺(tái)包括機(jī)械結(jié)構(gòu)部分和測(cè)控系統(tǒng)部分。

圖1 滅火瓶沖擊試驗(yàn)臺(tái)示意圖

機(jī)械結(jié)構(gòu)又包括工作機(jī)構(gòu)和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。工作機(jī)構(gòu)由工作臺(tái)、彈簧、頂桿和凸輪組成。滅火瓶通過(guò)被試件夾具固定在工作臺(tái)面上，試驗(yàn)時(shí)，隨著工作臺(tái)面一起運(yùn)動(dòng)。

傳動(dòng)機(jī)構(gòu)由電機(jī)、減速機(jī)和傳動(dòng)皮帶等組成。電機(jī)軸連接減速機(jī)的輸入軸，通過(guò)減速機(jī)減速和皮帶傳動(dòng)調(diào)節(jié)凸輪的轉(zhuǎn)速至所需范圍，從而達(dá)到工作臺(tái)的工作頻率要求。

測(cè)控部分由上位機(jī)、上位機(jī)軟件WinCC、PLC、變頻器組成。通過(guò)上位機(jī)發(fā)出控制信號(hào)，經(jīng)PLC運(yùn)算輸出到變頻器調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速。同時(shí)PLC采集現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)給上位機(jī)通過(guò)上位機(jī)軟件WinCC進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和歸檔。

2.1.1 工作臺(tái)簡(jiǎn)單工作原理

試驗(yàn)時(shí)，將產(chǎn)品通過(guò)夾具固定在工作臺(tái)面上，電機(jī)通過(guò)皮帶傳動(dòng)帶動(dòng)與皮帶輪同軸的凸輪旋轉(zhuǎn)，凸輪旋轉(zhuǎn)一周將工作臺(tái)頂起一次。由于凸輪的特殊結(jié)構(gòu)，在工作臺(tái)被凸輪頂起后將近似自由落體跌落在彈簧上，由于彈簧的彈性抗力，給工作臺(tái)一個(gè)向上的作用力，進(jìn)而使工作臺(tái)的下落速度瞬時(shí)變?yōu)榱?，因而?huì)產(chǎn)生較大的瞬時(shí)沖擊加速度。調(diào)整彈簧底部的位置或者更換彈簧就可以調(diào)節(jié)過(guò)載加速度。

2.1.2 工作臺(tái)下落過(guò)程分析

工作臺(tái)在下落過(guò)程中，工作臺(tái)首先做一個(gè)近似的自由落體運(yùn)動(dòng)，自由落體的高度可通過(guò)調(diào)節(jié)螺帽調(diào)節(jié)彈簧底部的高度進(jìn)行調(diào)節(jié)。當(dāng)工作臺(tái)接觸到彈簧之后開始?jí)嚎s彈簧。彈簧由自由伸縮狀態(tài)被壓縮。此時(shí)工作臺(tái)做加速度遞增的減速運(yùn)動(dòng)。當(dāng)工作臺(tái)下落速度變?yōu)榱銜r(shí)，試驗(yàn)臺(tái)達(dá)到最大的沖擊加速度。將工作臺(tái)、負(fù)載及其他附件視作一個(gè)整體，工作臺(tái)下降速度變?yōu)榱銜r(shí)，工作臺(tái)的重力勢(shì)能完全轉(zhuǎn)化為彈簧的彈性勢(shì)能(不考慮內(nèi)能損失)，整個(gè)過(guò)程遵循能量守恒定律。整個(gè)過(guò)程若不計(jì)彈簧的質(zhì)量及其他摩擦損失，可構(gòu)成典型的單自由度系統(tǒng)，稱之為彈簧質(zhì)量系統(tǒng)。

工作臺(tái)下落的數(shù)學(xué)模型分析如圖2所示。其中m為實(shí)驗(yàn)臺(tái)面、產(chǎn)品及夾具的總質(zhì)量，H為m自由落體的高度，K為彈簧剛度系數(shù)，h為m的重力等于彈簧的彈力即平衡位置時(shí)彈簧的被壓縮量。設(shè)m在平衡位置時(shí)為位移坐標(biāo)x的零點(diǎn)，方向向下為正，以撞擊時(shí)刻為時(shí)間起點(diǎn)。g為重力加速度。根據(jù)m受力平衡和能量守恒定律，得系統(tǒng)初始狀態(tài):

圖2 工作臺(tái)下落數(shù)學(xué)模型

當(dāng)m偏離平衡位置的距離為x時(shí)，m運(yùn)動(dòng)的微分方程為:

根據(jù)上式，當(dāng)彈簧剛度系數(shù)K越大，工作臺(tái)及產(chǎn)品總質(zhì)量越小，系統(tǒng)達(dá)到的沖擊加速大越大。

若彈簧選定，工作臺(tái)及產(chǎn)品質(zhì)量選定時(shí)，計(jì)算工作臺(tái)自由落體的高度H。

從上式可得到:當(dāng)工作臺(tái)及產(chǎn)品質(zhì)量和彈簧剛度系數(shù)選定后，工作臺(tái)自由落體的高度與產(chǎn)品所需要達(dá)到的最大沖擊加速度有關(guān)。只需要調(diào)節(jié)工作臺(tái)自由落體的高度H就可以達(dá)到改變最大沖擊加速度的目的。

2.2 變頻調(diào)速控制系統(tǒng)

傳動(dòng)系統(tǒng)采用四級(jí)變頻電機(jī)，由于四級(jí)變頻電機(jī)轉(zhuǎn)速高于系統(tǒng)工作頻率，因而采用減速器達(dá)到降低轉(zhuǎn)速的目的。同時(shí)，由于系統(tǒng)要求工作臺(tái)的工作頻率在150～200次/min內(nèi)可調(diào)，采用變頻器調(diào)節(jié)電機(jī)輸入電源頻率達(dá)到調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的目的。變頻調(diào)速系統(tǒng)框圖如圖3所示。

圖3 變頻調(diào)速系統(tǒng)框圖

該系統(tǒng)采用PLC和變頻器控制變頻電機(jī)轉(zhuǎn)速的方法，給定速度與PLC高速計(jì)數(shù)模塊反饋回來(lái)的電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速產(chǎn)生差值，經(jīng)PLC運(yùn)算可得控制量，再由RS485接口輸出到變頻器以驅(qū)動(dòng)變頻電機(jī)，達(dá)到調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。PLC和變頻器之間沒(méi)有進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換，而是采用RS485進(jìn)行通訊，有效地提高了系統(tǒng)的抗干擾能力并且減小了A/D轉(zhuǎn)換的誤差。

3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

3.1 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

該試驗(yàn)臺(tái)設(shè)備回路較少，模擬信號(hào)少，采用PLC進(jìn)行控制和數(shù)據(jù)采集。PLC是一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的數(shù)字運(yùn)算操作的電子裝置。有可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、功能強(qiáng)大、靈活、易學(xué)易用、體積小、質(zhì)量輕、價(jià)格便宜的特點(diǎn)。

為了確保數(shù)據(jù)的傳輸能快速、有效進(jìn)行，經(jīng)過(guò)反復(fù)比較，選擇了目前通信速率較高的現(xiàn)場(chǎng)總線Profibus-DP將控制層與設(shè)備層連接起來(lái)，構(gòu)成一個(gè)穩(wěn)定、易于擴(kuò)展的硬件環(huán)境。

控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示，測(cè)控系統(tǒng)的監(jiān)控層由一臺(tái)工控機(jī)組成，通過(guò)WinCC實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備監(jiān)控、數(shù)據(jù)歸檔和查詢等功能。

圖4 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

監(jiān)控層由一臺(tái)工控機(jī)和WinCC軟件組成，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的控制、運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)以及數(shù)據(jù)的處理、歸檔和查詢?？刂茖佑蒘7-400的PLC組成，負(fù)責(zé)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的高速采集和過(guò)程控制等工作。

3.2 實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)采集原理

沖擊試驗(yàn)臺(tái)要采集工作臺(tái)沖擊的加速度以及凸輪的轉(zhuǎn)速來(lái)觀測(cè)當(dāng)前系統(tǒng)的沖擊頻率。由于試驗(yàn)臺(tái)對(duì)加速度的精確度要求較高，而工作臺(tái)完成一次沖擊的時(shí)間很短，因而要進(jìn)行高速數(shù)據(jù)采集，才能反映系統(tǒng)的實(shí)際工作情況。采用S7-400PLC和WinCC可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速數(shù)據(jù)采集。而WinCC刷新的周期最小也要250 ms，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能達(dá)到系統(tǒng)的要求，而這種采集方式主要是WinCC以主動(dòng)訪問(wèn)的形式采集PLC中數(shù)據(jù)，是單個(gè)過(guò)程值的訪問(wèn)。這種數(shù)據(jù)采集形式受到WinCC刷新周期的限制，對(duì)一般的數(shù)據(jù)采集要求不高的場(chǎng)合完全可以滿足系統(tǒng)的要求，在此系統(tǒng)中若還是采用這種數(shù)據(jù)采集形式會(huì)丟失很多數(shù)據(jù)，不能滿足系統(tǒng)的要求。

許多采集卡會(huì)有一定容量的緩存區(qū)。采集卡從現(xiàn)場(chǎng)獲得信號(hào)并進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換之后，將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在緩存區(qū)中。為了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集的連續(xù)性，通常是將緩存區(qū)分為兩個(gè)緩存區(qū)1和2。當(dāng)緩存區(qū)1存滿時(shí)，則發(fā)出一個(gè)信號(hào)到計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)啟動(dòng)數(shù)據(jù)讀取程序，將緩存區(qū)1中的數(shù)據(jù)讀取到計(jì)算機(jī)，完成之后清除緩存區(qū)1中的數(shù)據(jù)。在此期間，高速采集的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在緩存區(qū)2中，和緩存區(qū)1的過(guò)程相同，將緩存區(qū)2的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到計(jì)算機(jī)。這樣交替進(jìn)行，就可完成高速數(shù)據(jù)采集。這種數(shù)據(jù)采集的形式是PLC主動(dòng)發(fā)給WinCC，數(shù)據(jù)發(fā)送的形式是數(shù)據(jù)包，更重要的是數(shù)據(jù)采集不受WinCC刷新頻率的限制，大大提高了數(shù)據(jù)采集的速度，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)高速采集，實(shí)時(shí)反映了系統(tǒng)的工作情況。

同樣的道理，這種高速數(shù)據(jù)采集的過(guò)程可以用在PLC+WinCC系統(tǒng)中。在PLC建立兩個(gè)DB塊1和2。PLC采集到的過(guò)程值以一定的格式存放在DB塊1中，當(dāng)DB塊1存滿之后，PLC調(diào)用系統(tǒng)功能塊SFB37將DB塊1中的數(shù)據(jù)主動(dòng)發(fā)給WinCC，同時(shí)發(fā)出一個(gè)高電平脈沖信號(hào)，觸發(fā)上位機(jī)調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)化DLL來(lái)拆解數(shù)據(jù)，并按其順序保存在數(shù)據(jù)庫(kù)中。同時(shí)清除DB塊1中的數(shù)據(jù)。在此過(guò)程中，PLC采集到的數(shù)據(jù)先保存在DB塊2中，當(dāng)DB塊2存滿之后，以同樣的過(guò)程存儲(chǔ)到WinCC的數(shù)據(jù)庫(kù)中。

3.3 數(shù)據(jù)采集的實(shí)現(xiàn)

3.3.1 PLC緩沖區(qū)的建立和數(shù)據(jù)采集編程

在DB1中建立兩個(gè)緩沖區(qū)Buf1和Buf2，分別可以存儲(chǔ)25組模擬量數(shù)據(jù)。工作臺(tái)加速度傳感器輸出的信號(hào)是標(biāo)準(zhǔn)的電流信號(hào)，所以其數(shù)據(jù)類型為REAL型，每個(gè) REAL占 4個(gè)字節(jié) (如 DBD0.0到DBD3.7)，所以緩沖區(qū)的地址從 DBD0.0到DBD200.0。建立的緩沖區(qū)如圖5所示。

圖5 緩沖區(qū)的建立

每次PLC上電之后，首先對(duì)各個(gè)數(shù)據(jù)單元進(jìn)行初始化，其中包括對(duì)地址寄存器MD152和數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)記數(shù)單元MW150的清零。每次采集完一組數(shù)據(jù)，地址寄存器向后移動(dòng)一個(gè)地址。因?yàn)橐粋€(gè)數(shù)據(jù)占用4個(gè)字節(jié)，相當(dāng)于地址寄存器向后移動(dòng)32位。同時(shí)給計(jì)數(shù)單元MW150加1。當(dāng)MW150為25時(shí)，給M57.2一個(gè)高電平信號(hào)，觸發(fā)上位機(jī)啟動(dòng)數(shù)據(jù)解包程序，解壓PLC上傳的數(shù)據(jù)包，同時(shí)將高速數(shù)據(jù)采集計(jì)數(shù)單元清零，準(zhǔn)備下一輪數(shù)據(jù)采集。采集程序如圖6所示。

圖6 PLC高速數(shù)據(jù)采集程序

PLC執(zhí)行完上述程序就可以將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在緩沖區(qū)中，同時(shí)觸發(fā)上位機(jī)執(zhí)行數(shù)據(jù)解包程序。3.3.2 上位機(jī)組態(tài)

(1)監(jiān)控軟件

PLC和上位機(jī)軟件WinCC之間通過(guò)PLC通訊模塊進(jìn)行通訊。在WinCC中通過(guò)建立外部變量和PLC進(jìn)行信號(hào)交換。為了不使上位機(jī)負(fù)荷過(guò)大，當(dāng)系統(tǒng)變量過(guò)多時(shí)，外部變量的刷新周期不宜太短。當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)變化時(shí)，可將信號(hào)上傳至上位機(jī)進(jìn)行計(jì)算和處理。同時(shí)上位機(jī)也可以發(fā)送控制信號(hào)至下位機(jī)，下位機(jī)進(jìn)行計(jì)算之后輸出到PLC的輸出端控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。

(2)數(shù)據(jù)歸檔

在進(jìn)行高速數(shù)據(jù)采集時(shí)，上位機(jī)的刷新周期不能滿足系統(tǒng)要求，在PLC將高速采集來(lái)的數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)包的形式發(fā)送到上位機(jī)。WinCC不能直接對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，可以通過(guò)WinCC提供的C腳本編寫處理原始數(shù)據(jù)變量的全局動(dòng)作。調(diào)用WinCC內(nèi)部函數(shù)GetTagRaw()對(duì)PLC采集的高速數(shù)據(jù)包進(jìn)行拆包處理，可以以記事本的形式存儲(chǔ)在上位機(jī)硬盤中，WinCC可以通過(guò)C腳本訪問(wèn)硬盤上的數(shù)據(jù)。

在WinCC中，可以通過(guò)在線趨勢(shì)控件來(lái)查看采集到的數(shù)據(jù)曲線，也可以用I/O控件來(lái)鏈接顯示當(dāng)前數(shù)據(jù)。

4 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)實(shí)際工程需要，本著可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、操作簡(jiǎn)單的原則設(shè)計(jì)了以PLC作為控制器的測(cè)控系統(tǒng)和以變頻器、變頻電機(jī)和減速機(jī)組成的調(diào)速系統(tǒng)。目前該系統(tǒng)已成功投入使用，而且達(dá)到預(yù)期的功能和精度要求。

由于受到通訊條件的限制，文中采用了PLC和WinCC進(jìn)行高速數(shù)據(jù)采集的系統(tǒng)。PLC和WinCC通過(guò)I/O驅(qū)動(dòng)程序?qū)崿F(xiàn)信息交換，WinCC通過(guò)自帶的腳本函數(shù)實(shí)現(xiàn)了高速數(shù)據(jù)采集。

【1】蘇昆哲.深入淺出西門子WinCC V6［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2004.

【2】龔仲華.S7-200/300/400 PLC應(yīng)用技術(shù)［M］.北京:人民郵電出版社，2006.

【3】馮垛生.交流調(diào)速系統(tǒng)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

【4】趙清，姜海濤.變頻器與電動(dòng)機(jī)控制電路解讀［M］.北京:電機(jī)工業(yè)出版社，2011.

Design and Imp lementation of Fire Extinguisher Bottle Impact Test-bed

ZHAO Mifeng，WU Juan
(Automation Control Department，Northwestern Polytechnical University，Xi'an Shaanxi710072，China)

Fire extinguisher bottle impact test-bed is a very important product to test the quality of fire extinguisher bottle on the aircraft.Fire extinguisher bottle quality should be checked before assembly.A fire extinguisher bottle impact test-bed was designed.The impact frequency of the test-bed was adjusted by adjusting themotor speed and impact tests under different speedswere achieved.S7-400PLCwas used as lower computer of themeasure and control system to control and acquire data.WinCC software was used in superiormachine to realize on-sitemonitoring and data archiving.

Fire extinguisher bottle;Impact test bench;Invertermotor;PLC;High-speed data acquisition

TP237.5;TP274.2

A

1001－3881(2013)9－108－4

10.3969/j.issn.1001 －3881.2013.09.030

2012－04－10

趙米鋒 (1987—)，男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械電子工程。E－mail:zhaomifeng2006@163.com。