基于PLC和觸摸屏的應(yīng)變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李建海，王成剛，楊 帆，畢 濤

(海軍航空工程學(xué)院 基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)部，山東 煙臺(tái) 264001)

【信息科學(xué)與控制工程】

基于PLC和觸摸屏的應(yīng)變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李建海，王成剛，楊 帆，畢 濤

(海軍航空工程學(xué)院 基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)部，山東 煙臺(tái) 264001)

為實(shí)現(xiàn)飛機(jī)關(guān)鍵區(qū)域應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，設(shè)計(jì)了一種基于電阻應(yīng)變片橋路、PLC和觸摸屏的應(yīng)變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。采用S7-200 PLC為控制器，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的快速采樣和穩(wěn)定傳輸；觸摸屏作為人機(jī)接口進(jìn)行參數(shù)設(shè)置、信息顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)；該系統(tǒng)具有可靠性高、操作方便、自動(dòng)化程度高等特點(diǎn)。

PLC；觸摸屏；應(yīng)變測(cè)量

飛機(jī)風(fēng)擋和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子葉片上發(fā)生的鳥撞事件，直升機(jī)旋轉(zhuǎn)槳葉受惡劣環(huán)境因素影響等情況都會(huì)造成承力結(jié)構(gòu)不同程度的損傷，及時(shí)獲取飛機(jī)關(guān)鍵區(qū)域的應(yīng)力應(yīng)變信息是評(píng)估其健康狀態(tài)和故障預(yù)測(cè)的重要依據(jù)[1-2]。電阻應(yīng)變片是一種在測(cè)力與測(cè)量微小形變方面具有廣泛應(yīng)用的傳感器元件，基于電阻應(yīng)變片和單片機(jī)控制的靜態(tài)應(yīng)變測(cè)量研究較多，由于普通單片機(jī)的運(yùn)算速度慢，數(shù)據(jù)濾波能力受限，積木式搭建的硬件可靠性較低，抗干擾能力較差[3-4]。PLC是一種新型的具有極高可靠性的通用工業(yè)自動(dòng)化控制裝置，具有功能強(qiáng)、集成度高、抗干擾能力強(qiáng)、組態(tài)靈活、工作穩(wěn)定等顯著特點(diǎn)，特別是可擴(kuò)展智能控制模塊，構(gòu)成不同的控制系統(tǒng)，將模擬量輸入輸出控制和現(xiàn)代控制方法融為一體，實(shí)現(xiàn)智能控制、閉環(huán)控制、多控制功能一體的綜合控制系統(tǒng)。基于此，設(shè)計(jì)了一種以PLC為控制器，高精度電阻應(yīng)變片為傳感器，觸摸屏作為人機(jī)交互的智能應(yīng)變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)變的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，操作方便、可靠性高、人機(jī)交互良好。

1 組成原理

系統(tǒng)硬件總體結(jié)構(gòu)組成如圖1所示，主要由觸摸屏、PLC主機(jī)、擴(kuò)展模塊EM235、應(yīng)變采樣測(cè)量電路等組成。

圖1 系統(tǒng)硬件總體結(jié)構(gòu)

S7-200 PLC是控制系統(tǒng)的核心，控制系統(tǒng)的運(yùn)行并完成應(yīng)變信息的采集，同時(shí)與觸摸屏進(jìn)行實(shí)時(shí)通信，為觸摸屏顯示提供數(shù)據(jù)，并對(duì)觸摸屏的輸入信息進(jìn)行相應(yīng)的控制處理；觸摸屏通過(guò)RS485與PLC進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、信息顯示、告警處理等功能；應(yīng)變采樣和測(cè)量電路利用電阻應(yīng)變片和變送器實(shí)現(xiàn)，變送器將電阻應(yīng)變片橋路輸出的毫伏級(jí)電壓信號(hào)放大轉(zhuǎn)換為4～20 mA的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)；模擬量輸入模塊EM235負(fù)責(zé)采集應(yīng)變信號(hào)并傳送給PLC。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 傳感器電路

由于應(yīng)變量一般都很微小，難以直接精確測(cè)量和處理，系統(tǒng)采用基于電阻應(yīng)變效應(yīng)測(cè)量，即在待測(cè)結(jié)構(gòu)件上粘貼電阻應(yīng)變片，通過(guò)測(cè)量應(yīng)變電阻變化來(lái)反映產(chǎn)生應(yīng)變的大小。為了將電阻變化轉(zhuǎn)換成電壓或電流信號(hào)，在應(yīng)用中一般采用電橋電路作為測(cè)量電路。常用的直流電橋電路有單臂應(yīng)變片電路、半橋應(yīng)變片電路和全橋應(yīng)變片電路3種[5-7]，如圖2所示，UE為電源電壓，Uo為輸出電壓。

圖2 應(yīng)變片測(cè)量電路

1) 若R1為應(yīng)變片，R2、R3、R4為固定電阻則構(gòu)成單臂電橋，如圖2(a)所示，被測(cè)參數(shù)變化會(huì)引起R1變化ΔR1，電橋平衡被破壞，單臂電橋輸出電壓Uo為

其中：靈敏度系數(shù)K=(1+2μ)，μ為材料的泊松比；ε=ΔL/L為電阻絲長(zhǎng)度相對(duì)應(yīng)變。

2) 若R1和R2都是應(yīng)變片，R3、R4為固定電阻，則構(gòu)成半橋應(yīng)變片電路，R1和R2分別接入電橋的相鄰橋臂，使一個(gè)受拉，另一個(gè)受壓，則半橋輸出電壓Uo為

半橋應(yīng)變片電路輸出信號(hào)強(qiáng)度是單臂的兩倍，性能有所改善，消除了非線性誤差。

3) 若R1～R4都是應(yīng)變片，接線時(shí)兩相鄰應(yīng)變片的位置符號(hào)相反，對(duì)應(yīng)位置的應(yīng)變片符號(hào)相同，則構(gòu)成全橋應(yīng)變片電路，全橋輸出電壓Uo為

Uo=UEKε

全橋應(yīng)變片電路輸出信號(hào)強(qiáng)度是單臂的4倍，減小了非線性誤差，在輸出信號(hào)強(qiáng)度、線性和穩(wěn)定性等方面的性能最優(yōu)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用高精度箔式應(yīng)變片全橋測(cè)量電路，電阻值為1 kΩ，供電電壓為3～10 V，靈敏度系數(shù)為(2.0±1.0)%，應(yīng)變極限為20 000 μm/m。

2.2 變送器電路

系統(tǒng)中應(yīng)變信號(hào)由高精度電阻應(yīng)變片測(cè)量，電阻電橋輸出的是微弱的mv信號(hào)，為了便于采集和傳輸，需要變送器進(jìn)行信號(hào)處理。XTR101是一款集成的精密、低漂移電壓/電流變送器，接收各類傳感器輸出的小信號(hào)，放大并轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的4～ 20 mA的電流信號(hào)。它由一個(gè)高精度的儀表放大器、壓控輸出電流源和2個(gè)精密的1 mA電流源組成。在應(yīng)變測(cè)量使用的橋式電路中，利用XTR101的2個(gè)1 mA恒流源為測(cè)量電橋供電[8-9]，測(cè)量轉(zhuǎn)換電路如圖3所示。

圖3 變送器測(cè)量轉(zhuǎn)換電路

當(dāng)電橋平衡時(shí)

2 mA×ΔR=0,EIN=0,Io=4 mA

當(dāng)發(fā)生應(yīng)變電橋不平衡并ΔR=ΔRmax時(shí)，

由此可以看出，XTR101能把各種線性的弱信號(hào)轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的4～ 20 mA的電流信號(hào)輸出。利用阻值為250 Ω精密電阻負(fù)載，將輸出的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成1～5 V電壓信號(hào)，電轉(zhuǎn)化后的電壓信號(hào)作為模擬量輸入模塊EM235的輸入信號(hào)供PLC采樣。

2.3 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路

西門子模擬量擴(kuò)展模塊EM235負(fù)責(zé)采集來(lái)自現(xiàn)場(chǎng)電壓信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，并將轉(zhuǎn)換結(jié)果送給CPU處理。EM235有4路模擬量輸入，內(nèi)嵌12位A/D轉(zhuǎn)換器，模數(shù)轉(zhuǎn)換時(shí)間小于250 μs，輸入阻抗大于10 MΩ，具有單極性和雙極性兩種輸入，輸入范圍分別為0～10 V和±10 V。模擬電壓從EM235的A通道輸入。為避免共模電壓，必須將主機(jī)M端、擴(kuò)展模塊M端和所有信號(hào)負(fù)端連接，未接輸入信號(hào)的通道要短接。DIP開(kāi)關(guān)SW1～SW6用來(lái)設(shè)置輸入量的極性、增益和衰減，將開(kāi)關(guān)SW1和SW6設(shè)為ON，其他設(shè)置為OFF,表示電壓?jiǎn)螛O性輸入、范圍為0 ～10 V，分辨率2.5 mV。

2.4 PLC和觸摸屏設(shè)計(jì)

PLC主機(jī)模塊采用具有14個(gè)輸入/10個(gè)輸出的 CPU224 DC/DC/DC，可連接7個(gè)擴(kuò)展模板單元，具有13 kb的程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間，6個(gè)獨(dú)立的30 kHz的高速計(jì)數(shù)器；MT6070iH觸摸屏采用32 位RISC處理器，主頻400 MHz，64M DDR2內(nèi)存，運(yùn)行速度快；具有7寸65536色TFT LCD屏，128M 超大容量Flash；內(nèi)置電源隔離保護(hù)器，采用無(wú)風(fēng)扇冷卻系統(tǒng)，抗干擾能力強(qiáng)，適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境下運(yùn)行；支持USB 2.0 下載，具有大容量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，可直接存儲(chǔ)或備份到U盤、SD卡或上位機(jī)上，滿足數(shù)據(jù)管理要求。

PLC和MT6070iH之間用標(biāo)準(zhǔn)的RS485接口，通過(guò)串行通信方式進(jìn)行通訊。通信端口采用9針D型接口，接線關(guān)系如表1所示[10]，通信線的接法必須與選擇的端口一致。PLC通信端口參數(shù)的設(shè)置必須與編程軟件Easy Builder 800中PLC的波特率、端口號(hào)等通信參數(shù)一致。與PLC通訊時(shí)，一般將通訊延時(shí)和ACK 訊號(hào)延時(shí)分別設(shè)置為5 ms和30 ms，也可根據(jù)通訊速率需求做適當(dāng)修改。

表1 觸摸屏和PLC通信接線

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 PLC控制程序

PLC 控制程序的主要功能是系統(tǒng)的初始化、應(yīng)變信息采集、故障告警、應(yīng)變和故障信息存儲(chǔ)等。利用STEP 7-Micro/ WIN32 V3.4軟件，采用梯形圖語(yǔ)言進(jìn)行編程[11]。數(shù)據(jù)采樣是控制程序的關(guān)鍵部分，這里重點(diǎn)分析模擬量輸入控制程序。EM235的12位A/D數(shù)據(jù)值在CPU模擬量輸入字中的位置如圖4所示，最高有效位是符號(hào)位，0表示正值。在單極性格式中，3個(gè)連續(xù)的0使得模擬量到數(shù)字量轉(zhuǎn)換器每變化1個(gè)單位，數(shù)據(jù)字則變化8個(gè)單位。

圖4 單極性數(shù)據(jù)字格式

單極性全量程電壓數(shù)據(jù)值范圍是0～32 000，編程時(shí)需要考慮模擬量值和A/D轉(zhuǎn)換值的轉(zhuǎn)換。假設(shè)模擬量的標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)是A0～Am，A/D轉(zhuǎn)換后數(shù)值為D0～Dm，設(shè)模擬量的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)是A，A/D轉(zhuǎn)換后的相應(yīng)數(shù)值為D，由于是線性關(guān)系，則A=f(D)的函授關(guān)系可以表示為

A=(D-D0)×(Am-A0)/(Dm-D0)+A0

根據(jù)該方程式，可以方便地由D值計(jì)算出A值。將該方程式逆變換，則D=f(A)的函數(shù)關(guān)系為

D=(A-A0)×(Dm-D0)/(Am-A0)+D0

本設(shè)計(jì)中經(jīng)變送器得到的1～5 V輸入信號(hào)，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后得到數(shù)值3 200～16 000，即A0=1，Am=5,D0=3 200,Dm=16 000，代入公式，得

A=(D-3 200)×(5-1)/(16 000- 3 200)+1

若模擬量輸入寄存器AIW0的值時(shí)3 840時(shí)，代入上式得出模擬電信號(hào)A=1.2 V。由于輸入通道設(shè)置為0～10 V，對(duì)應(yīng)數(shù)值為0～32 000，也可由A=D×10/32 000直接求得。依上述轉(zhuǎn)換關(guān)系，EM235模擬量輸入模塊的梯形圖控制程序轉(zhuǎn)換成STL語(yǔ)言為：

LDSM0.0

MOVWAIW0，AC0 //模擬量存入累加器；

ITD AC0，AC0 //整數(shù)轉(zhuǎn)換成雙整數(shù)；

DTR AC0， AC0 //32位整數(shù)轉(zhuǎn)換成實(shí)數(shù)；

/R 32000.0，AC0 //累加器中實(shí)數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化；

* R 10.0，VD100 //轉(zhuǎn)換結(jié)果存入VD100；

3.2 觸摸屏程序

觸摸屏界面采用MT系列專用編程軟件Easy Builder 800進(jìn)行設(shè)計(jì)和編譯，程序編譯成功后從PC機(jī)可直接下載到觸摸屏[12]。軟件自帶在線模擬和離線模擬功能可充分滿足界面開(kāi)發(fā)需要。根據(jù)系統(tǒng)功能要求，系統(tǒng)的界面組成如圖5所示，主要包括主界面、用戶管理界面、參數(shù)設(shè)置界面、信息監(jiān)視界面、故障報(bào)警界面和數(shù)據(jù)管理界面等。

圖5 觸摸屏界面組成

4 結(jié)束語(yǔ)

以高精度電阻應(yīng)變片和變送器為應(yīng)變采樣單元，采用PLC和觸摸屏相結(jié)合的控制方式，設(shè)計(jì)了一種飛機(jī)關(guān)鍵區(qū)域應(yīng)力應(yīng)變實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)具有可靠性高、操作方便、人機(jī)交互良好、自動(dòng)化程度高等特點(diǎn)。

[1] 馬堅(jiān)剛,張?zhí)旌?孫健國(guó).旋轉(zhuǎn)葉片鳥撞動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].測(cè)控技術(shù)，2013,32(6)：52-55.

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(責(zé)任編輯 楊繼森)

Design of Strain Monitor System Based on PLC and Touch Screen

LI Jian-hai，WANG Cheng-gang，YANG Fan，BI Tao

(Department of Basic Experiment, Naval Aeronautical and Astronautical University, Yantai 264001，China)

In order to realize the real-time monitoring of the stress and strain field in the key area of aircraft, the strain monitoring system based on the resistance strain gauge bridge road, PLC and touch screen was designed. S7-200 PLC was used as the controller to realize the fast sampling and stable transmission of data. The touch screen was used to set the parameters of man-machine interface, the information display and the data storage. The System has the advantage of high dependence，simple operation and high automation.

PLC; touch screen; strain measurement

2016-09-26；

2016-10-29

李建海(1976—)，男，碩士，副教授，主要從事電氣控制和電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究。

10.11809/scbgxb2017.02.024

李建海，王成剛，楊帆，等.基于PLC和觸摸屏的應(yīng)變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].兵器裝備工程學(xué)報(bào)，2017(2):105-107.

format:LI Jian-hai，WANG Cheng-gang，YANG Fan，et al.Design of Strain Monitor System Based on PLC and Touch Screen[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(2):105-107.

TP273

A

2096-2304(2017)02-0105-03