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　0　引　言

　　工程中有许多零部件在多次冲击碰撞载荷下失效,常见的如发动机进排气门、各类往复式泵阀以及各种冲击机械中的对碰件等。对多次碰撞工况进行模拟试验,探讨多碰条件下零部　　件的疲劳失效行为、规律、机理和影响等因素,寻求有效的控制方法来提高其使用寿命,降低生产成本,提高系统的可靠性和安全性,有着重要的意义。

　　针对目前缺少专用多碰试验机的现状,研制了一台新型多冲碰撞试验机。多冲碰撞试验机包括机械部分、液压部分和控制部分,机械液压部分工作原理如图1所示。图1中,当电磁换向阀4处于右位时,高压液压油进入插装阀6右腔压开阀芯进入液压缸,提升活塞使弹簧11压缩并使冲头16蓄能。此时插装阀5由于右腔通入液压油而阀芯无法打开。当电磁换向阀4处于左位时,插装阀6左右两腔都通入高压液压油,阀芯无法打开。此时插装阀5右腔通油箱,左腔通液压缸高压油,阀芯打开,液压缸和油箱接通,弹簧势能迅速释放,压力油回到油箱,从而实现冲头的一次碰撞。

　　本文研制了一套基于PLC的多冲碰撞试验机控制系统。根据碰撞试验机工作的需要,控制系统应满足的要求是: (1)碰撞频率的控制与上油、卸荷时间占空比的调节; (2)碰撞次数的计数与溢出后停机; (3)出现工件砸飞等异常工作状况时对机器的保护。

　　1　控制系统硬件设计

　　该控制系统的硬件设计是以三菱FX1S-10MT型号的PLC为核心,表1是PLC输入输出点数的分配情况。硬件设计是控制功能能够实现的基础,主要包括控制电磁阀的硬件设计;下限位控制的硬件设计;计数显示及其停机控制的硬件设计。

　　电磁阀的脉宽调制输出控制,如图2所示Y0在电磁阀回路上起到开合作用。Y0断开,电磁阀释放,Y0闭合,电磁阀吸合。调节Y0断开、闭合的时间就可对电磁阀进行脉宽调制输出控制。

　　如图1中的光电限位开关14与PLC的输入点X3、输入公共端COM相连。因为连接板12、活塞杆13、重块16和冲头17是刚性连接,所以当冲头砸飞试件时,冲头接触到工作台,连接板会挡下光电开关,光电开会短时间闭合一次,输入继电器X3也闭合一次然后断开。

　　计数显示及其停机控制的硬件设计,计数显示采用SC-09通信电缆将计算机和PLC相连接并进行通信,碰撞次数通过计算机的CRT屏幕现场显示出来;停机控制要让电磁阀和电动机都能停止工作,如图2,Y0断开,电磁阀YV停止工作, Y1断开,电动机停机。

2　控制系统软件设计

　　控制系统的软件设计是在硬件设计的基础上进行的,软硬结合使得控制系统的控制功能得以实现。该控制系统的硬件核心是PLC,所以该控制系统的软件设计就是PLC梯形图的设。根据多冲碰撞试验机的特点和设计要求,梯形如图3所示,主要包括:对电磁阀的脉宽调制输出控制软件设计;下限位控制和电机停机控制软件设计;计数显示及其停机控制软件设计。

　　2.1　电磁阀脉宽调制输出控制的软件设计

　　以图3中的数据为例, PLC开始工作,定时器T1开始计时,定时时间400 ms到达后,定时器T1常开触点闭合,定时器T0线圈通电并开始计时,同时Y0输出;当定时器T0定时时间1600ms到达后,T0常闭触点断开,定时器T1线圈断电,从而定时器T1失去对常开触点T1的控制,常开触点T1复位,Y0断开,同时定时器T0线圈断电,T0常闭触点复位,定时器T1又开始计时,如此循环往复Y0不断地输出一个矩形波信号。该矩形波周期为2s,通断占空比为4: 1。分别调整两个定时器的定时时间就可以对电磁阀进行脉宽调制输出,例如,将定时器T1的定时时间改为K3,将定时器T0的定时时间改为K10时,从Y0输出的矩形波的周期1300ms,占空比为10: 3。

　　2.2　下限位控制的软件设计

　　当试件被砸飞,冲头直接砸到工作台上,将会造成试验机损坏。为了避免此类情况发生,设置了一个下限位功能。控制过程为:当冲头低于正常工作高度时,图2中的限位开关SQ1闭合,X0闭合,图3中继电器M0得电并自锁,常闭触点M0断开,Y1断开,交流接触器KM断电复位,电动机停机,Y0断开,电磁阀停止工作。

　　2.3　计数显示及其停机控制的软件设计

　　如图3中断电保持型计数器C16、C17构成一个32位的计数器,C16对Y0口的输出直接计数,C16计数溢出后自动复位并且向C17进位,当C17溢出后,常开触点C17闭合使继电器M0得电并自锁,常闭触点M0断开,Y1断开,交流接触器KM断电复位,电动机停机,Y0断开,电磁阀停止工作,当要再次启动试验机时,先要按下SB2按钮X2闭合继电器M0复位。以图3中的数据为例,C16的计数数值为5000,C17的计数数值为2000,32位计数器的计数数值为1000万次。当计数满1000万次后,常开触点C17闭合,电磁阀、电机全部停止,试验机停机。计数器的复位,按下SB1闭合X1, C16、C17复位。计数次数的显示通过安装在计算机上的FXGP/WIN-C软件的监控功能来实现。

　　3　系统调试实验

　　控制系统与机械液压部分联合调试,通电试运行,各部分均工作正常。将压力传感器置于冲头下,开机进行碰撞测试,压力传感器的压力信号通过示波器显示出来,如图4(a)是在碰撞周期为2s的示波器图;图4(b)是调整控制系统对电磁阀的脉宽调制输出值后碰撞周期为1s的示波器图,纵坐标是与冲压压力成正比的关系量,横坐标是时间。在碰撞过程中,取出试件,模拟试件被砸飞异常情况,限位开关被挡下,电动机和电磁阀均断电停止工作。把计数次数设置为1200次,当达到设置次数时,电动机电磁阀断电停止工作。

　　4　结　语

　　研制的多冲碰撞机控制系统碰撞频率、碰撞力可调,性能稳定,功能有了较大的改善。与凸轮—弹簧式碰撞试验机相比其碰撞频率的修改灵活;与电磁吸合重块式碰撞试验机相比,其碰撞频率范围更宽,适应各种工况。

　　在整机的试运行过程中,该控制系统对电磁阀进行的脉宽调制输出可根据需要进行调整;对下限位的控制使得试验机在无人看管的情况下仍能安全运行;现场计数显示让观察实验进　　  程更为方便;计数溢出停机控制提高了试验机的自动化程度。该控制系统经济、安全可靠、性能好。

　0引言

　　粘度是油品的重要物理性质，测量油品的粘度和流动性在工业生产和基础学科研究中具有十分重要的意义[1]。自20世纪90年代以来，石油分析仪器在我国得到了迅猛的发展。随着我国加人WTO和国内自动化技术的发展，以及国外自动石油分析仪器的引进，迫切要求对现有的手动分析仪器进行改进。因单片机开发周期长、开发成本大，所以开发人员将PLC技术引人石油分析仪器中，以满足对油品的自动化分析，从而减少化验员的工作量且提高了分析质量。该方法现已成为国内石油分析仪器发展的必然趋势，因此我们研究了一种基于PLC的油品运动粘度测量系统。

　　1运动粘度测量工作原理

　　1. 1运动粘度

　　运动枯度指的是液体在重力作用下流动时摩擦力的量度。GB/T265 - 88中指出，运动粘度是在某一恒定温度下，测定一定体积的液体在重力下流过一个标定好的玻璃毛细管粘度计的时间。粘度计的毛细管常数与流动时间的乘积，即为该温度下测定液体的运动粘度。运动粘度广泛用于测定原油、燃料油、柴油、润滑油等液体石油及深色石油产品的粘度。

　　1. 2测量工作原理

　　该系统运动粘度测定采用逆流法[2]。逆流法即油样在逆流毛细管中的流动时间乘以该毛细管系数既可得出该油样的运动粘度，通过光导纤维检测油品位置。测量装置如图1所示，主要由光电放大器、光导纤维、毛细管组成。当公肪羊流至毛细管X1位置时，油样挡住光导纤维，光电放大器1接收光信号，并将光信号转换为电信号，送给PLC输人端，PLC计时程　　序启动，C球计时开始，油样流至X2时，光电放大器2动作，此时C球计时停止，J球计时开始，当油样流至X3时，光电放大器3动作，此时J球计时停止。测量完毕，通过计算即可得出油样运动粘度。

　　2系统硬件组成

　　油品运动粘度测量系统采用外总线组合方式。其功能和性能指标符合有关，该系统采用模块化设计思想，测量、控制与管理功能由各功能模块分工完成。包括主机模块、温控模块、显示檬块、液位检测模块、清洗系统模块以及其它接口模块。系统功能模块组成如图2所示。

　　(1)主机模块:是系统的核心，主要完成粘度测量系统的检测与自动控制、数据处理、以及与上层管理机和其它模块的通讯。选用信捷公司的PLC作为主机，型号为XC-32RC-E。根据需要，系统还可以经过串行通信接口将数据送至上位机，从而完成数据管理、智能决策、历史资料统计分析等更为强大的功能;

　　(2)温控模块:根据粘度测量系统的需要，温控模块必须控制水浴温度恒定，温控模块将铂电阻pt100采集的温度信号转换为数字信号，测量值与温度设定值进行比较，经Pm控制算法计算后，温控模块给出相应的控制信号进行温度调节，从而实现温度的恒定;

　　(3)显示模块:通过液晶触摸屏的全中文化菜单功能，操作员可以完成对本系统的各项功能的参数设定、修改，而且可以对系统当前状态进行监视。由于采用中文显示，使得操作人员对测量系统的工况一目了然，系统的操作也变得更加容易;

　　(4)液位检测模块:它是油品液位检测装置，由光电放大器(E3XR-CE4)及光导纤维组成的光纤架安装在毛细管测试点上，其功能为检测油样流动位置。光导纤维将液位信号转换为电信号，并通过光电放大器作为PLC的输人信号，从而实现运动粘度自动检测功能;

　　(5)清洗系统模块:当运动粘度测量完毕后，系统可进行自动清洗烘干，清洗系统由空压机、电磁阀及清洗溶剂组成。将测量用的毛细管进行清洗烘干，以便下一次测量使用;

　　(6)其它接口模块:包括打印机、管理机接口(与上位机通讯采用ModBus RTU串口协议)、蜂鸣器报警等模块。

　  3系统软件设计

　　本系统软件均用PLC梯形图语言编写困，针对梯形图语言的特点，本文在软件设计时采用了结构化程序设计方法。即先把程序分为几大模块，然后再划分为若干个子模块，一直到所导出的子模块能直接用编程语言实现为止。在编程时力求每个模块的独立性和通用性，而且做到清晰易读、易修改。PLC编程整体思路如图3所示。

　　由于该款PLC具有PID功能指令、数据运算指令，所以可以很容易实现对油品运动粘度测量的控制。程序启动后，PLC对温控模块进行PID调节，通过对指定寄存器的修改可设定采样时间及比例、积分、微分参数值，通过PID调节，实现温度恒定。

　　当温度恒定一段时间后，自动启动粘度测试程序，自动控制电磁阀打开，油样流动，计时开始，油样测试完毕后将计时结果存人寄存器，程序自动计算结果、显示、存储、打印。粘度测量及计算完毕后，PLC启动清洗程序，将毛细管中废油抽出并清洗干净，清洗时间和次数可根据实际情况进行合理设定。清洗完毕后报警，以提示工作人员测试工作结束。

　　4结论

　　本自动控制系统满足了油品运动粘度分析的要求，在同行业中，属于先进技术。同时提高了化验员劳动效率，降低能耗和物耗，提高了分析水平。该设计于2006年研制成功，广泛应用于各大石化企业。

　　通过用户现场的使用情况来看，系统的可靠性好，操作简单，维护方便，计量精度高，为企业创造了良好的经济效益。值得在化工厂、油厂等油品检测化验室中广泛推广和使用。