滅火瓶沖擊試驗臺設計與實現

趙米鋒，吳娟

(西北工業大學自動化學院，陜西西安 710072)

滅火瓶沖擊試驗臺設計與實現

趙米鋒，吳娟

(西北工業大學自動化學院，陜西西安 710072)

滅火瓶沖擊試驗臺是用來測試飛機上滅火瓶質量的重要產品。滅火瓶在裝配到飛機之前要對其做沖擊試驗，以檢查其質量是否合格。設計一個滅火瓶沖擊試驗臺，該試驗臺的沖擊頻率可通過調節電機轉速進行調節，實現不同轉速下沖擊試驗。測控系統下位機使用S7-400PLC進行現場控制和數據采集，上位機使用WinCC軟件進行現場監控和數據歸檔。

滅火瓶;沖擊試驗臺;變頻電機;PLC;高速數據采集

飛機上的滅火瓶在飛機的起飛和降落過程中將會承受很大的過載加速度，若該沖擊加速度超過了滅火瓶所能承受的最大沖擊加速度值，可能會使滅火瓶爆裂，引起無法預料的事故。滅火瓶的抗沖擊性顯得尤為重要。因而在出廠之前要對滅火瓶進行沖擊耐久試驗，檢查其是否合格。為了能夠方便地檢測滅火瓶的質量是否達標，根據某航空公司的要求，設計了一臺性能可靠、成本低廉、操作方便的滅火瓶沖擊試驗臺。

1 系統性能需求

根據某航空公司的要求，試驗臺要求沖擊加速度在2～15g內可調，沖擊頻率要求在150～200次/min內可調，工作臺最大跌落范圍L小于20 mm，工作臺質量60 kg，工作臺最大承載質量小于80 kg。控制系統采用上位機實現。系統控制分自動控制和手動控制，數據自動采集存儲，可進行關鍵詞檢索，有良好的人機交互界面。

2 系統結構及原理分析

2.1 系統結構分析

系統機械結構簡圖如圖1所示，試驗臺包括機械結構部分和測控系統部分。

圖1 滅火瓶沖擊試驗臺示意圖

機械結構又包括工作機構和傳動機構。工作機構由工作臺、彈簧、頂桿和凸輪組成。滅火瓶通過被試件夾具固定在工作臺面上，試驗時，隨著工作臺面一起運動。

傳動機構由電機、減速機和傳動皮帶等組成。電機軸連接減速機的輸入軸，通過減速機減速和皮帶傳動調節凸輪的轉速至所需范圍，從而達到工作臺的工作頻率要求。

測控部分由上位機、上位機軟件WinCC、PLC、變頻器組成。通過上位機發出控制信號，經PLC運算輸出到變頻器調節電機轉速。同時PLC采集現場數據給上位機通過上位機軟件WinCC進行數據處理和歸檔。

2.1.1 工作臺簡單工作原理

試驗時，將產品通過夾具固定在工作臺面上，電機通過皮帶傳動帶動與皮帶輪同軸的凸輪旋轉，凸輪旋轉一周將工作臺頂起一次。由于凸輪的特殊結構，在工作臺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，給工作臺一個向上的作用力，進而使工作臺的下落速度瞬時變為零，因而會產生較大的瞬時沖擊加速度。調整彈簧底部的位置或者更換彈簧就可以調節過載加速度。

2.1.2 工作臺下落過程分析

工作臺在下落過程中，工作臺首先做一個近似的自由落體運動，自由落體的高度可通過調節螺帽調節彈簧底部的高度進行調節。當工作臺接觸到彈簧之后開始壓縮彈簧。彈簧由自由伸縮狀態被壓縮。此時工作臺做加速度遞增的減速運動。當工作臺下落速度變為零時，試驗臺達到最大的沖擊加速度。將工作臺、負載及其他附件視作一個整體，工作臺下降速度變為零時，工作臺的重力勢能完全轉化為彈簧的彈性勢能(不考慮內能損失)，整個過程遵循能量守恒定律。整個過程若不計彈簧的質量及其他摩擦損失，可構成典型的單自由度系統，稱之為彈簧質量系統。

工作臺下落的數學模型分析如圖2所示。其中m為實驗臺面、產品及夾具的總質量，H為m自由落體的高度，K為彈簧剛度系數，h為m的重力等于彈簧的彈力即平衡位置時彈簧的被壓縮量。設m在平衡位置時為位移坐標x的零點，方向向下為正，以撞擊時刻為時間起點。g為重力加速度。根據m受力平衡和能量守恒定律，得系統初始狀態:

圖2 工作臺下落數學模型

當m偏離平衡位置的距離為x時，m運動的微分方程為:

根據上式，當彈簧剛度系數K越大，工作臺及產品總質量越小，系統達到的沖擊加速大越大。

若彈簧選定，工作臺及產品質量選定時，計算工作臺自由落體的高度H。

從上式可得到:當工作臺及產品質量和彈簧剛度系數選定后，工作臺自由落體的高度與產品所需要達到的最大沖擊加速度有關。只需要調節工作臺自由落體的高度H就可以達到改變最大沖擊加速度的目的。

2.2 變頻調速控制系統

傳動系統采用四級變頻電機，由于四級變頻電機轉速高于系統工作頻率，因而采用減速器達到降低轉速的目的。同時，由于系統要求工作臺的工作頻率在150～200次/min內可調，采用變頻器調節電機輸入電源頻率達到調節轉速的目的。變頻調速系統框圖如圖3所示。

圖3 變頻調速系統框圖

該系統采用PLC和變頻器控制變頻電機轉速的方法，給定速度與PLC高速計數模塊反饋回來的電機實際轉速產生差值，經PLC運算可得控制量，再由RS485接口輸出到變頻器以驅動變頻電機，達到調節電機轉速的目的。PLC和變頻器之間沒有進行D/A轉換，而是采用RS485進行通訊，有效地提高了系統的抗干擾能力并且減小了A/D轉換的誤差。

3 數據采集系統

3.1 網絡結構

該試驗臺設備回路較少，模擬信號少，采用PLC進行控制和數據采集。PLC是一種專門為在工業環境下應用而設計的數字運算操作的電子裝置。有可靠性高、抗干擾能力強、功能強大、靈活、易學易用、體積小、質量輕、價格便宜的特點。

為了確保數據的傳輸能快速、有效進行，經過反復比較，選擇了目前通信速率較高的現場總線Profibus-DP將控制層與設備層連接起來，構成一個穩定、易于擴展的硬件環境。

控制系統結構如圖4所示，測控系統的監控層由一臺工控機組成，通過WinCC實現現場設備監控、數據歸檔和查詢等功能。

圖4 控制系統結構框圖

監控層由一臺工控機和WinCC軟件組成，實現對系統的控制、運行狀態的實時監測以及數據的處理、歸檔和查詢。控制層由S7-400的PLC組成，負責現場數據的高速采集和過程控制等工作。

3.2 實現高速數據采集原理

沖擊試驗臺要采集工作臺沖擊的加速度以及凸輪的轉速來觀測當前系統的沖擊頻率。由于試驗臺對加速度的精確度要求較高，而工作臺完成一次沖擊的時間很短，因而要進行高速數據采集，才能反映系統的實際工作情況。采用S7-400PLC和WinCC可以實現數據的高速數據采集。而WinCC刷新的周期最小也要250 ms，遠遠不能達到系統的要求，而這種采集方式主要是WinCC以主動訪問的形式采集PLC中數據，是單個過程值的訪問。這種數據采集形式受到WinCC刷新周期的限制，對一般的數據采集要求不高的場合完全可以滿足系統的要求，在此系統中若還是采用這種數據采集形式會丟失很多數據，不能滿足系統的要求。

許多采集卡會有一定容量的緩存區。采集卡從現場獲得信號并進行A/D轉換之后，將數據存儲在緩存區中。為了實現數據采集的連續性，通常是將緩存區分為兩個緩存區1和2。當緩存區1存滿時，則發出一個信號到計算機，計算機啟動數據讀取程序，將緩存區1中的數據讀取到計算機，完成之后清除緩存區1中的數據。在此期間，高速采集的數據存儲在緩存區2中，和緩存區1的過程相同，將緩存區2的數據存儲到計算機。這樣交替進行，就可完成高速數據采集。這種數據采集的形式是PLC主動發給WinCC，數據發送的形式是數據包，更重要的是數據采集不受WinCC刷新頻率的限制，大大提高了數據采集的速度，實現了數據高速采集，實時反映了系統的工作情況。

同樣的道理，這種高速數據采集的過程可以用在PLC+WinCC系統中。在PLC建立兩個DB塊1和2。PLC采集到的過程值以一定的格式存放在DB塊1中，當DB塊1存滿之后，PLC調用系統功能塊SFB37將DB塊1中的數據主動發給WinCC，同時發出一個高電平脈沖信號，觸發上位機調用標準化DLL來拆解數據，并按其順序保存在數據庫中。同時清除DB塊1中的數據。在此過程中，PLC采集到的數據先保存在DB塊2中，當DB塊2存滿之后，以同樣的過程存儲到WinCC的數據庫中。

3.3 數據采集的實現

3.3.1 PLC緩沖區的建立和數據采集編程

在DB1中建立兩個緩沖區Buf1和Buf2，分別可以存儲25組模擬量數據。工作臺加速度傳感器輸出的信號是標準的電流信號，所以其數據類型為REAL型，每個 REAL占 4個字節 (如 DBD0.0到DBD3.7)，所以緩沖區的地址從 DBD0.0到DBD200.0。建立的緩沖區如圖5所示。

圖5 緩沖區的建立

每次PLC上電之后，首先對各個數據單元進行初始化，其中包括對地址寄存器MD152和數據個數記數單元MW150的清零。每次采集完一組數據，地址寄存器向后移動一個地址。因為一個數據占用4個字節，相當于地址寄存器向后移動32位。同時給計數單元MW150加1。當MW150為25時，給M57.2一個高電平信號，觸發上位機啟動數據解包程序，解壓PLC上傳的數據包，同時將高速數據采集計數單元清零，準備下一輪數據采集。采集程序如圖6所示。

圖6 PLC高速數據采集程序

PLC執行完上述程序就可以將數據存儲在緩沖區中，同時觸發上位機執行數據解包程序。3.3.2 上位機組態

(1)監控軟件

PLC和上位機軟件WinCC之間通過PLC通訊模塊進行通訊。在WinCC中通過建立外部變量和PLC進行信號交換。為了不使上位機負荷過大，當系統變量過多時，外部變量的刷新周期不宜太短。當現場信號變化時，可將信號上傳至上位機進行計算和處理。同時上位機也可以發送控制信號至下位機，下位機進行計算之后輸出到PLC的輸出端控制現場設備。

(2)數據歸檔

在進行高速數據采集時，上位機的刷新周期不能滿足系統要求，在PLC將高速采集來的數據以數據包的形式發送到上位機。WinCC不能直接對原始數據進行處理，可以通過WinCC提供的C腳本編寫處理原始數據變量的全局動作。調用WinCC內部函數GetTagRaw()對PLC采集的高速數據包進行拆包處理，可以以記事本的形式存儲在上位機硬盤中，WinCC可以通過C腳本訪問硬盤上的數據。

在WinCC中，可以通過在線趨勢控件來查看采集到的數據曲線，也可以用I/O控件來鏈接顯示當前數據。

4 結束語

根據實際工程需要，本著可靠性高、抗干擾能力強、操作簡單的原則設計了以PLC作為控制器的測控系統和以變頻器、變頻電機和減速機組成的調速系統。目前該系統已成功投入使用，而且達到預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進行高速數據采集的系統。PLC和WinCC通過I/O驅動程序實現信息交換，WinCC通過自帶的腳本函數實現了高速數據采集。

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

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

【3】馮垛生.交流調速系統［M］.北京:機械工業出版社，2008.

【4】趙清，姜海濤.變頻器與電動機控制電路解讀［M］.北京:電機工業出版社，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，主要研究方向為機械電子工程。E－mail:zhaomifeng2006@163.com。