高壓柱塞泵手/自一體測試平臺的控制系統研究*

楊尚賢 李文卓 柴永生 丁兆露 周 京 姜 曼 解玉平 徐尚武

(①煙臺大學機電汽車工程學院，山東 煙臺264005；②煙臺艾迪液壓科技有限公司，山東 煙臺265500)

高壓柱塞泵手/自一體測試平臺的控制系統研究*

楊尚賢①李文卓①柴永生①丁兆露①周 京①姜 曼①解玉平①徐尚武②

(①煙臺大學機電汽車工程學院，山東 煙臺264005；②煙臺艾迪液壓科技有限公司，山東 煙臺265500)

針對30～40 MPa高壓柱塞泵出廠測試的作業要求，研制了一款基于工控機與PLC聯合控制的液壓泵手/自一體測試平臺。該測試平臺選用數據采集卡進行模擬信號的輸入輸出，通過傳感器將測試數據輸入到工控機中分析并進行交互式處理，來構建閉環控制系統，實現電動機轉速與加載壓力的可靠控制。運用PLC、開關量控制卡、電壓比較器、手動開關來實現測試狀態的手/自一體控制。現場使用表明，測試平臺操作方便、穩定性好，其控制精度達到了機械行業標準JB/T 7043-2006規定的B級精度。

高壓柱塞泵；測試平臺；閉環控制；手/自一體

伴隨國內裝備制造業的轉型升級和液壓公司自主研發的資金投入，高壓重載液壓技術得到了很大推動。液壓測試是評判液壓元件和系統性能的最終依據，也是最重要的研發手段[1]。高壓柱塞泵的生產過程必須進行出廠測試。一方面，按照客戶要求對泵的調節器(由流量控制閥芯、功率控制閥芯、彈簧、換向閥等元件構成，當外控壓力或負載壓力變化時能夠對液壓泵的流量、功率進行控制)進行設置，保證液壓泵的工作性能達到出廠標準。另一方面，積累大量的測試數據，為進一步完善泵的結構設計及制造工藝提供理論基礎。

本文主要對測試平臺的控制系統進行研究，開發了一款擁有自主知識產權的手自一體測試平臺。該測試平臺基于工控機與PLC的聯合控制，同時擁有工控機良好的人機交互界面和PLC高可靠性的邏輯判斷能力。綜合高壓柱塞泵出廠測試的作業要求以及機械行業標準JB/T 7043-2006提供的液壓泵測試方法來制定控制系統的總體設計方案，包括硬件的選擇與搭建，控制程序的設計等。實現了測試平臺采樣數據的顯示與計算、測試參數的選擇與控制、工作狀態的監控與管理等功能。

1 功能分析

為適應大批量測試的作業要求，最大限度地減輕工作人員的勞動強度，液壓測試正向著高效率、高自動化的方向發展[2]。而一款新的液壓泵在自動測試前一般需要進行“預測試”步驟，即通過手動控制測試平臺的電動機轉速、加載壓力等物理量來獲得一些自動測試時的控制參數數值，并將控制參數在測試平臺中保存以備自動測試時調用。另外，特殊型號液壓泵的測試過程與測試平臺的控制程序并不匹配，需要手動控制各輸入參數來設置調節器。綜合以上要求，確定研制具有手/自一體控制方式的液壓泵測試平臺。手/自一體，即把手動控制和自動控制兩種系統融合運用在同一設備上，應用這種控制方式使測試平臺具有自動化性能的同時還具有良好的可操作性。

高壓柱塞泵的測試流程如圖1所示，測試之前要借助工裝在測試平臺上裝夾固定和連接液壓管路。手/自一體測試平臺的控制任務主要包括：(1)預熱階段：控制加熱器動作提高油溫，并控制冷卻器與之協作，來保證整個測試過程的油箱溫度維持在一定范圍(一般是45～55 ℃之內)。(2)設置調節器階段：控制電動機轉速、加載壓力和先導壓力(先導壓力是測試平臺提供的壓力，用于推動調節器流量控制閥芯移動并最終改變泵的斜盤傾角)變化并能維持在某一特定數值。(3)繪制性能曲線階段：控制加載壓力從空載壓力緩慢升高，達到最大壓力后再緩慢減小到空載壓力，控制P/shift閥(一種比例減壓閥)的動作來切換液壓泵的功率。此外，測試平臺還能完成自動補油，在系統發生故障時及時準確報警、緊急停止等任務。

2 硬件方案

高壓柱塞泵的測試過程需要進行大量的邏輯判斷和模擬信號的輸入輸出。如圖2所示是控制系統的硬件方案，主要由開關量控制系統和模擬量控制系統構成。

2.1 開關量控制系統

測試模式的選擇，執行元件的控制以及各種故障的監測都需要進行邏輯判斷。雖然工控機能夠實現很多邏輯判斷功能，但在高壓重載的測試環境下一旦死機或程序跑飛將釀成嚴重后果。選擇工控機與PLC聯合控制的方式，當測試平臺出現故障時，PLC將斷開驅動電路的開關，即使工控機發出控制信號也不能驅動執行器，作業現場的安全得到保證。

2.1.1 PLC

選用韓國LS產電公司生產的組合式PLC,包括開關量輸入模塊XGI-D28A、XGI-D22A，開關量輸出模塊XGQ-TR8A、電源模塊XGP-ACF2和處理器模塊XGK-CPUE。應用配套的編程軟件XG5000編寫梯形圖程序并在PLC的處理器模塊中保存，工控機與PLC之間除通過開關量控制卡進行信號的交換外無需串行通信接口。

2.1.2 開關量控制卡

選用研華PCL-725數據控制卡進行開關量的控制。其機電式SPDT繼電器在測試模式的自動選擇，先導閥與P/shift閥的開關控制上有良好的適用性。具有光電隔離的數字量輸入通道又特別適用于噪聲環境下故障信號、急停信號的采集。

2.1.3 電壓比較器

電壓比較器將傳感器輸出的電壓值與自身基準電壓進行對比，當傳感器電壓大于基準電壓的上限或小于基準電壓的下限時，控制自帶的繼電器閉合，實現開關量控制信號的輸出。電壓比較器的基準電壓通過可調電阻來預先設定。

2.1.4 控制面板

控制面板主要由旋鈕開關和按鈕開關構成。旋鈕開關是無級調速器，用于手動控制測試平臺的電動機轉速、加載壓力等物理量。操作旋鈕開關時需要密切關注數顯儀表的變化，防止超載。除急停按鈕(用于切斷電源)外，按鈕開關均為帶燈按鈕開關。顯示燈具有獨立的供電端子，該供電端子與PLC的開關量輸出端子相連接。按鈕開關被按下時即將開關量信號輸入到PLC中，通過PLC的邏輯判斷再輸出開關量信號到顯示燈，使操作人員通過觀察按鈕開關顯示燈的亮滅就能獲知測試平臺的工作狀態。

2.2 模擬量控制系統

自動測試時，工控機通過模擬量輸出卡輸出模擬信號驅動各執行元件，包括電動機旋轉，加載閥加載等。執行元件的動作引起轉速、壓力、流量、扭矩等物理量的變化，此時，傳感器將檢測到的物理量通過模擬量輸入卡傳入到工控機中。

2.2.1 模擬量控制卡

選用研華PCL-818HG模擬量輸入卡對各物理參數進行采集，其16路單端模擬量輸入通道、12位A/D轉換器以及100 kHz的采樣速率，完全滿足測試平臺的需求。應用研華PCL-726模擬量輸出卡控制電動機轉速、加載壓力等被控參數，其6路12位模擬量輸出通道是多路模擬輸出中一種經濟、理想的控制方案。

2.2.2 傳感器

傳感器檢測的物理量包括：壓力、轉速、流量、扭矩、溫度、液位等。為適應電壓比較器的應用以及數據采集卡各通道信號類型的統一設置，相關傳感器的輸出信號均為0～5 V或0～10 V的電壓輸出。另外，液壓泵的測試現場環境嘈雜，為避免對測試信號的干擾，在傳感器與數據采集卡之間串接低通濾波器。

2.3 電動機的選型

電動機是測試平臺的動力源。由于液壓泵的出廠測試是一種模擬實際工況的測試，所以測試平臺驅動電動機的選擇方式與液壓泵實際應用中電動機的選擇方式類似。被測柱塞泵是一款帶有壓力補償的變量泵，工作過程中功率恒定。電動機功率P為：

式中：Pp為液壓泵的額定功率；ηp為液壓泵的總效率。

該系列液壓泵額定功率最高的是150 kW，額定轉速最高的是2 200 r/min，液壓泵的總效率取0.85，計算得P=176 kW。輸入電動機的功率和轉速應留有一定余量，選取額定功率為200 kW，額定轉速為2 400 r/min的直流電動機。

2.4 加載方式的確定

節流和溢流加載是液壓測試中最常用的加載方式，但兩種加載方式均會導致油液發熱嚴重，這對測試平臺的油溫控制能力提出較高要求。油溫較高尤其會使節流閥口的液阻變化進而引起加載壓力的變化，而溢流閥的性能受油溫影響相對較小[1]。選擇在液壓泵的輸出油路中串聯比例溢流閥，通過控制溢流閥開口大小來改變油路的阻力，實現各種負載狀態的模擬[3]。被試泵是一類雙聯柱塞泵，分前后兩個泵體。如圖3所示是構建的高壓柱塞泵主壓力加載油路圖。電控比例溢流閥的控制程序在工控機中運行，由模擬量輸出卡輸出控制信號，再經功率放大器放大，最終驅動比例溢流閥的加載。

3 軟件方案

3.1 邏輯控制程序

測試平臺的邏輯控制程序即PLC中的梯形圖程序。應用“經驗設計方法”設計控制程序，將測試平臺的邏輯判斷問題分解成PLC的典型控制電路，再對典型控制電路進行拼湊，即獲得整體梯形圖程序。PLC主要實現了測試平臺工作狀態的監控與管理，如圖4是PLC監控與管理的流程[4]。

故障監測部分的“故障自鎖”是指在PLC程序中設計自鎖電路，使控制系統排除故障之前持續報警。虛線框中的循環判斷需要PLC與電壓比較器協作完成。此外，邏輯控制程序還實現了延時控制與急停控制等功能。

3.2 反饋控制程序

雖然高壓柱塞泵的測試步驟復雜、條件繁多，但同一系列液壓泵的測試過程基本類似，差別主要表現在轉速、主壓力、先導壓力、P/shift閥的電流等控制參數在不同測試環節對應不一樣的大小。針對液壓泵測試的這種特點，選擇以數據庫為核心對測試過程的參數進行管理。具體操作是：將測試參數保存在Access數據庫管理文件中，在delphi7環境下進行測試程序的開發。應用ADO組件實現測試程序與數據庫之間的連接，借助SQL語言使程序運行時調用數據庫中的數據。

電動機轉速增加以及加載閥加載的過程要盡量避免沖擊，另外為實現被控參數的準確、穩定控制，選擇反饋控制思路。應用定時器(timer)控件對反饋程序進行循環，其響應之前要先初始化模擬輸出的通道，再在響應周期中輸出模擬電壓。反饋程序的偽代碼如下：

Procedure 計時器Timer周期觸發；

定義E、V為實數變量；

Begin

E=R-C；

IF E>b 則

V=V +Δ1；

否則 IF a≤E≤b 則

V=V +Δ2；

否則 IF -b≤E≤-a 則

V=V -Δ2；

否則 IF E<-b 則

V=V -Δ1；

否則 V=V；

輸出電壓值V；

End.

程序中R是從數據庫中調用的控制參數，C是實際檢測值，二者均為全局變量，二者之差為控制偏差E(值域如圖5所示)。a、b、Δ1、Δ2是根據不同控制條件設定的實數。通過交互式處理調整a、b、Δ1、Δ2(a

4 控制分析

經過不斷地調試與改進設計，高壓柱塞泵手/自一體測試平臺在企業的專業化生產現場搭建完成。多次調試證實，測試平臺的手動測試效果良好，開關量控制響應迅速。下面對測試平臺在自動模式下的模擬量控制效果進行分析：

應用反饋控制思路取得的模擬量控制曲線如圖6所示。其中，圖6b開始的一段壓力增加是伴隨電動機轉速增加而產生的空載壓力。圖6c是電動機維持在1 850 r/min加載壓力維持在80 kgf/m2時控制先導壓力獲得的曲線。從三條曲線可以看出測試平臺能夠控制電機轉速、加載壓力以及先導壓力逐漸變化，也能將控制參數維持在某一特定數值。

測試平臺在穩態工況下測得的模擬量控制誤差情況如表1所示，包括轉速T，加載壓力P1、P2，先導壓力PP1、PP2。將相對誤差與機械行業標準JB/T 7043-2006給定的被控參數允許變化范圍進行對比，分析發現，滿足出廠測試規定的C級精度：轉速2%，壓力2.5%。也滿足型式測試規定的B級精度：轉速1%，壓力1.5%。此外，先導壓力也有較高的控制精度。

表1 模擬量控制誤差情況

參數設定值實際值最大最小絕對誤差相對誤差/%T/(r/min)18501852184920.1P1/(kgf/m2)800810804101.25P2/(kgf/m2)240024112403110.46PP1/(kgf/m2)14014113910.7PP2/(kgf/m2)40040239920.5

5 結語

基于工控機與PLC聯合控制的液壓泵測試平臺操作簡便、響應迅速，提高了液壓泵出廠測試的效率和自動化程度。通過分析測試平臺的控制精度發現，該種控制策略達到了機械行業標準JB/T 7043-2006規定的B級精度，不僅滿足液壓泵出廠測試的要求，還可向型式測試平臺的研制拓展。總之，該柱塞泵測試平臺的控制系統為我國裝備制造業的持續健康發展提供支持，也為其他測控設備的研制提供參考。

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Control system’s research of high-pressure piston pump manual-automatic test platform

YANG Shangxian①, LI Wenzhuo①, CHAI Yongsheng①, DING Zhaolu①, ZHOU Jing①, JIANG Man①, XIE Yuping①, XU Shangwu②

(①School of Mechanical and Automotive Engineering, Yantai University, Yantai 264005, CHN; ②Yantai Eddie Hydraulic Technology Co., Ltd., Yantai 265500, CHN)

To meet the operational requirements of 30～40 MPa high pressure piston pump in factory test, a manual-automatic pump test platform based on a industrial PC and PLC joint control is developed. The test platform selects data acquisition card to input and output analog signals and the test data is input to the industrial PC by sensors to conduct analysis and interactive processing and to build a closed loop control system so that a reliable control of motor speed and load pressure is achieved. PLC, switch control card, voltage comparators and manual switches are used to implement manual-automatic control for test status. Field use shows that the test platform is easy to operate and has good stability. Its control precision has reached B precision of machinery industry standard JB/T 7043-2006.

high-pressure piston pump; test platform; closed-loop control; manual-automatic

*國家自然科學基金資助項目(51405416)；山東省科技重大專項(2015ZDJS05002)；山東省科技發展計劃(2012GGB01251)；山東省教育廳科技發展計劃(J13LD12)；煙臺大學研究生科技創新基金(01059)

；TH137;TH-39

A

10.19287/j.cnki.1005-2402.2016.09.013

楊尚賢，男，1990年生，碩士研究生，研究方向為液壓技術、機械測試技術，已發表論文2篇。

?茂) (

2016-05-10)

160918