汽車V帶疲勞試驗機自動控制系統(tǒng)設計

摘 要：汽車V帶疲勞試驗機是用于檢測汽車傳動帶的壽命及可靠性的專用試驗機，廣泛應用于傳動帶疲勞性試驗檢測，其控制系統(tǒng)采用工控機、顯示器與PLC、模塊共同實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集自動化、試驗檢測過程自動化，同時自動生成測試曲線，記錄測試結(jié)果。

關鍵詞：試驗機；控制系統(tǒng)；自動化；檢測

隨著汽車的普及化，公眾對汽車的安全性及配件使用壽命要求日益提高，汽車傳動帶質(zhì)量及使用壽命對于駕乘人員的安全起著重要的作用，現(xiàn)今市面上的生產(chǎn)的汽車V帶種類繁雜、良莠不齊，因此對其質(zhì)量的監(jiān)督勢在必行。汽車V帶的疲勞性能則需在其疲勞試驗機上進行測試，那么試驗機的控制系統(tǒng)設計顯得尤為重要。然而從設計理念上采用機電一體化的形式，從數(shù)據(jù)采集的智能性、設備操作的便捷性、檢測過程中無人值守及設備自身的可靠性出發(fā)，設計研發(fā)擁有高度自動化的控制系統(tǒng)更能提高檢測效率。

1 概述

汽車V帶疲勞試驗機自動控制系統(tǒng)是結(jié)合其設備系統(tǒng)原理、依據(jù)國家標準《V帶疲勞試驗方法有扭矩法》（GB/T14562）、《普通V帶疲勞試驗方法（無扭矩法）》（GB/T15328）中的試驗程序?qū)ζ溥M行自動試驗控制。

2 硬件分析與選型

2.1 下位機

試驗系統(tǒng)主要由電機、滑差離合器、轉(zhuǎn)速傳感器、扭矩傳感器等組成。電機通過變頻器控制，運用模擬量輸出控制變頻器頻率，進而改變電機轉(zhuǎn)速。電機通過傳送帶帶動主軸轉(zhuǎn)動，主軸轉(zhuǎn)速采用轉(zhuǎn)速傳感器采集，輸出頻率信號。從動軸則通過滑差離合器來控制加載的功率，扭矩傳感器則是用來采集其轉(zhuǎn)速和扭矩，進而換算出加載的功率大小。綜上原理，本試驗機的自動控制系統(tǒng)的下位機采用臺達PLC[ 1 ]來控制輸出和采集數(shù)據(jù)，具體采用DVP-14SS211T系列主機和DVP-02DA-S擴展模塊來實現(xiàn)。

DVP-14SS211T：

主機點數(shù)：14（8DI+6DO）；

程序容量：8k steps；

通訊端口：內(nèi)置RS-232與RS-485，兼容Modbus ASCII/RTU通訊協(xié)議；

內(nèi)置高數(shù)計數(shù)器，2相2輸入，頻率可達10kHz。

DVP-02DA-S：

模擬信號輸出通道：2通道/臺；

模擬輸出范圍：0～10V或0～20mA；

數(shù)字數(shù)據(jù)范圍：0～4000；

分辨率：12bits（1LSB=2.5mV）或（1LSB=5μA）。

2.2 模塊

RemoDAQ-8000模塊是基于RS-485網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)采集模塊。它們提供了計數(shù)器/頻率測量功能。模塊可以由命令遠程控制。RemoDAQ-8080特性如下：2個單獨的32位計數(shù)器，計數(shù)器0和計數(shù)器1；2路頻率測量；輸入頻率：1Hz～100K Hz；輸出：RS-485通訊。

RemoDAQ-8080模塊是用來測量主動軸轉(zhuǎn)速。主動軸轉(zhuǎn)速傳感器測量轉(zhuǎn)速后輸出頻率信號，經(jīng)RemoDAQ-8080模塊采集，與工控機通過RS-485通訊，運用計算機控制技術(shù)[ 2 ]經(jīng)上位機軟件處理，實時顯示主動軸轉(zhuǎn)速。

2.3 上位機

系統(tǒng)上位機采用工控機，顯示器作為人機界面顯示，運用Visual Basic程序設計[ 3 ]軟件進行自動控制系統(tǒng)設計與界面設計。

3 界面設計

系統(tǒng)界面包含主界面、參數(shù)設置、試驗報表、手動調(diào)試。主界面可實時顯示主動軸轉(zhuǎn)速、從動軸轉(zhuǎn)速、加載功率、運行時間、滑差率數(shù)據(jù)，同時自動繪制滑差率與運行時間曲線。參數(shù)設置界面用來設置試驗過程用參數(shù)，系統(tǒng)可根據(jù)設置好的參數(shù)自動運行試驗機，對試件進行疲勞測試。試驗報表可在試驗完成后自動生成結(jié)果數(shù)據(jù)并于數(shù)據(jù)庫連接，可對試驗結(jié)果進行輸出、打印，也可查詢歷史試驗數(shù)據(jù)。手動調(diào)試界面主要用于設備維護和前期調(diào)試，可控制試驗系統(tǒng)的各個動作、采集系統(tǒng)內(nèi)所有參數(shù)指標。

4 控制系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

汽車V帶疲勞試驗機系統(tǒng)主要分為兩大部分，一部分為主動軸部分，另一部分為從動軸部分。電機的轉(zhuǎn)動經(jīng)主動軸帶輪帶動從動軸帶輪旋轉(zhuǎn)，從動帶輪軸的一端連接滑差離合器電樞，滑差離合器感應軸與增速帶輪的帶輪相連接，帶輪帶動與主動帶輪同軸的小帶輪旋轉(zhuǎn)，再在主動軸與從動軸上按標準連接好試件，即可實現(xiàn)試件疲勞性能的檢測。該試驗機的自動控制系統(tǒng)關鍵在于自動控制主動軸的轉(zhuǎn)速和施加在從動軸上的功率，并且能自動采集試驗數(shù)據(jù)，實時顯示系統(tǒng)的各項性能指標。主動軸的轉(zhuǎn)速通過傳感器與模塊采集、變換后傳于上位機系統(tǒng)，上位機接收到其轉(zhuǎn)速信號，經(jīng)計算后改變PLC的模擬量輸出，進而控制變頻器，再通過變頻器控制交流變頻電機的輸出頻率，電機的輸出頻率改變，即主動軸轉(zhuǎn)速也隨之改變，主動軸的轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)即形成了閉環(huán)控制系統(tǒng)[ 4 ]，最終穩(wěn)定在設定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)。從動軸部分施加的功率是通過PLC的模擬量輸出控制滑差離合器的激磁電流的變化來獲得試驗所需的不同的轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)矩的大小體現(xiàn)在系統(tǒng)施加的功率上。自動控制從動軸部分施加的功率則是通過實時監(jiān)測從動軸扭矩和從動軸轉(zhuǎn)速的變化，反饋到上位機，再與設定功率進行比較計算來改變輸出，形成閉環(huán)控制，實時保證加載的功率與設定值相符。自動控制系統(tǒng)還具備自動計時功能，實時記錄測試運行時間（結(jié)果數(shù)據(jù)），達到測試終止條件自動停機功能，自動化程度高，可靠性好，無需定人值守，自動完成檢測功能。

5 結(jié)語

本自動控制系統(tǒng)由工控機、顯示器、PLC、模塊、打印機和專用軟件組成。工控機、顯示器配合專用軟件完成了系統(tǒng)的自動控制與顯示，PLC和模塊執(zhí)行控制的輸出與數(shù)據(jù)的采集，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集自動化、數(shù)據(jù)處理自動化，人機界面直觀友善，同時自動生成測試曲線，自動完成測試數(shù)據(jù)的報表填寫，測試結(jié)果由專用數(shù)據(jù)庫儲存，實現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)查取功能。最終測試結(jié)果可通過打印機輸出。

參考文獻：

[1] 劉教瑜.現(xiàn)代電氣控制與臺達DVP系列PLC應用技術(shù)[M].人民郵電出版社，2013，4.

[2] 王建華，黃河清.計算機控制技術(shù)[M].高等教育出版社，2003，12.

[3] 劉瑞新.Visual Basic程序設計教程[M].電子工業(yè)出版社，2007，8.

[4] 梅曉榕.自動控制原理（第三版）[M].科學出版社，2014，7.

作者簡介：宋慶東（1988-），男，遼寧沈陽人，研究方向：自動化。