超彈性軟管失穩實驗控制系統研究

王帥， 鄧三鵬， 祁 宇明

（天津職業技術師范大學機器人及智能裝備研究所，天津 300222）

0 引言

超彈性材料作為一種生活中常見的材料，其應用也很廣泛，例如在建筑工程、航空航天、生物工程等領域。超彈性軟管在經過一段時間充氣后會產生局部起鼓現象，這與復合材料中的折曲帶形成、動脈瘤的形成等常見的工程和材料問題有很多相似點。所以，超彈性軟管在充氣后產生的相關問題如穩定性、起鼓后的形貌等一直受到廣大科研人員的關注。1990年，Kyriakides等對軸向拉伸充氣管局部失穩擴展壓力進行理論預測；2007年，Pamplona課題組對局部缺陷超彈性軟管在不同受力下的失穩進行了研究；2013年，Guo等對超彈性軟管失穩起鼓臨界壓力和形貌進行了研究[1]。

基于之前的理論研究，本文超彈性軟管失穩實驗控制系統選用S7-200PLC為核心控制器，采用STEP7-Micro/WIN編輯軟件和MCGS組態軟件進行混合編程，分別對實驗中的程序和狀態進行監控。超彈性軟管失穩實驗控制系統對環境溫度的控制和多個回路的設計模擬人體體溫下多條血管，通過對超彈性軟管膨脹過程研究模擬生物工程中腦腫瘤生長機理。超彈性軟管失穩實驗控制系統控制邏輯嚴謹、易于操作、成本低、功能齊全，可滿足各種實驗要求，人機交互界面簡潔易懂，數據能快速采集與存儲，便于實驗的進一步研究，超彈性軟管失穩實驗控制系統將在研究生物工程學、醫學等多個學科上具有重要的社會效益。

1 系統整體結構

圖1 超彈性軟管失穩實驗控制系統結構框圖

如圖1所示為超彈性軟管失穩實驗控制系統結構框圖。超彈性軟管失穩實驗控制系統由核心控制元件PLC和上位機組成。PLC進行實驗的邏輯控制、數據處理、模擬量調節以及與上位機聯網通信；上位機由進行程序監控的編程軟件和對實驗控制狀態監控的組態軟件組成，上位機中的兩種軟件通過PC/PPI電纜形成互通互用、數據共享，接口方式采用9針RS-485信號接口。實驗控制系統選用CPU為224XP的PLC為控制元件，包括多個信號輸入輸出點。PLC系列擴展接口是總線形式，可以配接開關量I/O單元，也可配接模擬量I/O單元。超彈性軟管失穩實驗控制系統為完成多種實驗擴展了數字量EM222模塊用于多位電磁閥控制；模擬量EM231模塊對實驗室環境溫度進行采集；數字量EM223模塊用于完成實驗中其他開關量的控制。人機交互界面通過MCGS組態軟件設計對實驗進行控制和監控[2-3]。超彈性軟管失穩實驗臺與控制柜如圖2所示,MCGS組態人機交互界面如圖3所示。

圖2 超彈性軟管失穩實驗臺與控制柜

圖3 MCGS組態人機交互界面

2 多位同步控制設計

圖4 多路同步控制程序

1）多位同步控制系統原理。多位同步控制是根據PLC數據存儲尋址特點，提出了一路多位電磁閥同時完成開或關狀態切換的控制策略。在PLC數字量輸出映像區Q中選取地址如QB2，表示輸出第2個字節，一個字節中包含8個二進制位。在實驗中，一個位代表一個電磁閥，8個位置通過0和1的變化實現電磁閥開或關狀態的轉換，例如在程序中輸入十進制75轉換成二進制01001011，代表1、2、4、7位置上的電磁閥同時打開。將不同的十進制數字轉換成對應的二進制數形成多路控制進而模擬人體的多條血管。

2）多位同步控制程序設計。部分多位同步控制在STEP7-Micro/WIN編程軟件上通過運用字節傳送指令進行多路控制。多路同步控制程序如圖4所示。

3）多位同步控制組態設計。多位同步控制人機交互界面如圖5所示，超彈性軟管失穩實驗控制系統多支路模擬人體多條血管。組態軟件中數據對象值操作地址與編程軟件中數據存儲地址是對應的。例如在實驗中按下圖6中按鈕［1.1］，按鈕對應的數據對象值操作地址“M11”與編程軟件數據存儲地址“M1.1”完成通信，地址“M1.1”狀態改寫為［ON］，程序中：

導通，實驗中模擬各器官1號、2號、4號、7號位置上的電磁閥同時打開，模擬人體其中一條血管流通，實驗中1.1路4個電磁閥同時打開完成線路的導通，如圖7所示。

圖5 實驗控制多路流通示意圖

圖6 多路實驗控制

圖7 1.1路導通示意圖

3 溫度矢量控制設計

1）溫度矢量控制系統原理。超彈性軟管失穩實驗控制系統選用溫度傳感器采集實驗中的溫度進行控制，用來模擬人體多種情況下的體溫。溫度傳感器采集數據，通過數據線傳輸到模擬量EM231模塊，經處理后的結果傳輸到人機交互界面上實現數據的監控，并為進一步模擬多種環境下人體體溫提供條件。實驗控制中EM231模塊連接一個帶4～20 mA變送輸出的溫度傳感器，量程為0～50℃，即0℃輸出4 mA，模塊轉換數字量為AIW=6400；50℃輸出20 mA，模塊轉換數字量為AIW=32 000[3]。根據模擬量轉換公式推導，T與AIW關系曲線圖如圖8所示。

圖8 傳感器T與AIW關系曲線圖

通過三角形相似定理可知ΔABM～ΔCDM，故可列：

由圖8可知：AB=50;CD=TXBM=32 000－6400;DM=AIWX－6400代入公式（1）中可得：

傳感器通過檢測環境溫度得到AIWX數據傳輸到模擬量模塊中，經公式（2）計算出此時環境溫度，溫度數據傳輸到MCGS組態軟件中進行溫度的監控[5]。

圖9 溫度矢量PLC程序編程

2）溫度矢量控制系統程序設計。部分溫度矢量程序設計在STEP7-Micro/WIN編程軟件上運用傳送和運算指令進行溫度矢量的計算。溫度矢量PLC程序編程如圖9所示。

3）溫度矢量控制組態設計。在組態軟件上溫度表格數據和曲線對應的表達式和屬性地址［VD212］與編程軟件存儲地址［VD212］是對應的，即溫度傳感器對數據采集并經PLC處理后通過PC/PPI電纜傳輸到人機界面上。實驗數據報表如表1所示。

表1 實驗數據報表

4 結語

超彈性軟管失穩實驗控制系統通過一路多位同步控制設計理念模擬人體多個血管，溫度的控制可以模擬人在不同環境下人體體溫，可以為研究腦腫瘤在不同體溫下生長機理提供必要的環境。超彈性軟管失穩實驗控制系統可以實現一臺多步項目的研究，即可以實現對彈性軟管材料在失穩實驗下的拉力、壓力、起鼓時的形貌等多個方向上的研究。

[1] 劉琪,王世斌,李林安,等.軸向拉伸作用下超彈性管充氣失穩的內壓和形貌研究[J].實驗力學,2016,31(3):283-290.

[2] 王淑紅,黃曉峰,李雙科.基于組態王的過程控制綜合實驗測控裝置[J].自動化與儀器儀表,2006,12(1):143-144.

[3] 靳雷,王建躍.組態王和PLC在機械手臂控制系統的應用[J].化工自動化及儀表,2010,37(3):103-106.

[4] 任俊杰,李紅星,李媛.基于PLC和組態王的過程控制實驗系統[J].實驗室研究與探索,2010,29(5):21-23.

[5] 朱濤,周天沛.基于PLC的雙容水箱液位控制仿真與實物實驗系統設計[J].實驗技術與管理,2013(11):29-33.