50靜重式力標準機控制系統(tǒng)設計

50靜重式力標準機控制系統(tǒng)設計

0靜重式力標準機標準力計是對不同力量表上的各種力量表和重量儀進行測量和測試的設備，通常分為靜重式、式、液壓式、疊加式等。靜重式力標準機(簡稱“靜重機”)以砝碼產(chǎn)生的重力作為基準力值,通過適當?shù)臋C構(gòu)按預定順序?qū)⒘χ凳┘釉诒粰z定對象上。靜重機測量精度高,通常被作為大力值(例如50t、100t等)基準設備1靜重機檢測傳感器工作原理50t靜重機的機械結(jié)構(gòu)主要由底座、動橫梁、換向架、吊桿以及砝碼等組成。用于產(chǎn)生力值的砝碼共有15塊,5t的砝碼4塊,4t的砝碼5塊,2t的砝碼4塊,1t的砝碼2塊。使用三相交流伺服電機作為動橫梁的動力,經(jīng)一級同步帶傳動,再經(jīng)蝸輪蝸桿傳動減速,最后經(jīng)絲杠螺母將電機的回轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為橫梁的上下直線移動。一塊砝碼由4個升降機支撐,一臺電機通過同步帶來帶動4個升降機同時運動。靜重機檢測傳感器的工作過程如下。1)根據(jù)被測傳感器的類型(壓式/拉式)安裝傳感器,其中換向架可以同時滿足壓式傳感器和拉式傳感器的加載需求。以壓式傳感器為例,將被檢測傳感器安裝在靜重機的動橫梁上,調(diào)整動橫梁的位置使吊桿完全壓在傳感器上,同時與上平臺分離,實現(xiàn)傳感器的預加載負荷,以保證砝碼的重量全部施加在傳感器上。2)根據(jù)需要,由按照預先設定程序驅(qū)動伺服電機,電機通過同步帶、齒輪、絲杠等機械結(jié)構(gòu)帶動升降機,升降機同步控制相應砝碼實現(xiàn)加/卸載。3)根據(jù)所加負荷值和被檢測輸出值進行數(shù)據(jù)處理,計算出被檢傳感器的非線性、重復性、滯后性、蠕變性能等技術指標。2控制系統(tǒng)的組成目前,工業(yè)上對伺服電機的控制主要有PLC加定位模塊、PLC加運動控制卡、伺服控制器直接控制等幾種方式靜重機控制系統(tǒng)的主要功能要求如下:1)能夠?qū)崿F(xiàn)全自動工作,即自動加/卸載荷、自動運行、自動穩(wěn)定力值、自動采集數(shù)據(jù)和處理數(shù)據(jù)、繪制誤差曲線、實時顯示蠕變測試曲線、打印輸出數(shù)據(jù)表格等;2)能夠?qū)崿F(xiàn)手動測試,即操作者通過軟件進行單步運行;3)操作方式為在Windows系統(tǒng)下,采用人機對話方式,設備運行狀態(tài)可實時監(jiān)測;4)對測試進行菜單式選擇,可一次完成所有項目,也可進行單項或部分項目;5)對傳感器、電機轉(zhuǎn)速、限位開關信號進行采集,并實時顯示,將結(jié)果存儲到硬盤上,以備事后分析;6)可進行數(shù)據(jù)管理,包括數(shù)據(jù)的存儲、查詢、統(tǒng)計以及多機共享等。本控制系統(tǒng)組成如圖1所示,主要包括上位機(人機交互界面)、二次儀表、打印機、下位機(伺服控制器)、伺服驅(qū)動器、電機以及位置限定開關等組成。上位機采用工業(yè)用控制計算機,通過上位機軟件實現(xiàn)人機交互,主要用來實現(xiàn)控制指令發(fā)出、參數(shù)設定、測試數(shù)據(jù)監(jiān)視和記錄、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)管理等功能。下位機一般采用伺服控制器,主要承擔兩個功能:1)根據(jù)上位機發(fā)出的控制指令實現(xiàn)對各執(zhí)行機構(gòu)的具體控制;2)監(jiān)測設備上各限位開關的開合信息,反饋給上位機,從而實現(xiàn)對伺服電機的實時監(jiān)控。接近開關、行程開關等作為位置限定開關分別用于檢測砝碼的零點位置、極限位置。打印機主要實現(xiàn)測試報表的輸出。靜重機控制系統(tǒng)工作過程如下:1)在工作之前,控制系統(tǒng)使靜重機主機處于初始狀態(tài),即所有的砝碼在初始位置上,升降機在最高位,動橫梁位于下限位;2)手動安裝好被檢測傳感器后,上位機向伺服控制器發(fā)出“初始化”指令;3)施加最小靜載荷,進行設定次數(shù)的預壓;4)根據(jù)傳感器加載級數(shù),上位機給伺服控制器發(fā)出指令,控制電機進行砝碼加載;5)相應砝碼的升降機收回,砝碼落在吊桿上,完成加載動作,同時讀取二次儀表讀數(shù)并將數(shù)值進行記錄;6)卸載過程與加載過程相反。3u3000靜重機與其他控制器的連接根據(jù)控制系統(tǒng)設計情況及調(diào)研,從性能、穩(wěn)定性、價格幾個方面綜合考慮為控制系統(tǒng)選擇合適的設備。靜重機控制系統(tǒng)的接線原理如圖2所示。工控機采用西門子IPC-547ECO,通過網(wǎng)線與安川MP2310控制器、打印機進行連接。力二次儀表采用6000標準負荷測量儀,與工控機通過RS-232串口線進行連接。根據(jù)動橫梁和砝碼所需力矩及轉(zhuǎn)速,選擇16臺850W安川伺服電機以及與其配套的伺服驅(qū)動器。MP2310控制器與16臺伺服驅(qū)動器通過MECHATROLINK-II總線進行連接。作為機械零位,接近開關的控制端通過電線接入控制器的IO板卡。為了對靜重機的機械結(jié)構(gòu)進行保護,除了在軟件中對電機轉(zhuǎn)動的最大脈沖數(shù)進行設定外,還在升降機的上/下限位處增加了行程開關。將行程開關直接接入伺服驅(qū)動器的CN1插頭的回路中,即可不通過軟件進行硬件上的停止電機動作,從而最大程度地保護靜重機的機械結(jié)構(gòu)。4上位機軟件開發(fā)上位機軟件主要采用while循環(huán)作為整體框架,同時通過調(diào)用事件結(jié)構(gòu)來進行整個系統(tǒng)的控制,軟件主界面如圖3所示。結(jié)合控制系統(tǒng)實現(xiàn)功能及工作過程,設計上位機軟件開發(fā)流程如圖4所示。上位機軟件中涉及的技術關鍵點包括上下位機通訊接口、力傳感器二次儀表數(shù)據(jù)采集、SQLu3000Server數(shù)據(jù)庫、報表生成以及下位機軟件幾部分。4.1mp2310控制器MP2310支持的多種Ethernet通訊。鑒于LabVIEW支持Modbus協(xié)議,因此選擇Modbus/TCP作為上下位機之間的協(xié)議。TCP/IP上的Modbus請求/相應由MBAP報文頭、功能碼、數(shù)據(jù)3部分組成。為實現(xiàn)安川控制器(下位機)與上位機的Modbus/TCP通訊,在MP2310控制器的模塊設置中,針對218IFA通訊模塊進行相應設置?；贚abVIEW平臺,NI給出兩種常用的方式實現(xiàn)Mod-bus,一種是基于Modbusu3000I/O服務器,一種是基于NIu3000Modbus庫4.2bwell程序6000標準負荷測量儀是標準的RS-232串口通訊,在LabVIEW中進行相應串口通訊程序的開發(fā)。首先對串口進行一系列設置,包括VISA資源名稱、波特率、數(shù)據(jù)比特、奇偶、停止位和流控制;其次,讀出設定數(shù)量的字節(jié)數(shù)并進行轉(zhuǎn)換顯示;最后,對串口進行關閉。4.3基于ado的封裝LabVIEW數(shù)據(jù)庫訪問工具包LabSQL利用MicrosoftADO以及SQL語言來完成數(shù)據(jù)庫訪問,將復雜的底層ADO及SQL操作封裝成一系列的子VI簡單易用。數(shù)據(jù)庫選擇SQLu3000Server2000及以上版本,主要進行數(shù)據(jù)查詢、寫入、讀取等操作。以編寫的查詢子VI程序為例,首先創(chuàng)建與數(shù)據(jù)庫的連接并打開指定數(shù)據(jù)庫,其次通過SQLServer語句對數(shù)據(jù)庫進行操作,將數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)按順序取出,最后關閉數(shù)據(jù)庫。4.4報表子vi程序在LabVIEW中,利用Excel報表生成的Excelu3000Specific工具包中的子vi。打開空的傳感器成品檢驗記錄模板,對報表屬性進行設置,再將數(shù)據(jù)、圖表等信息按要求寫入新的Excel文件,生成報表子VI程序示例如圖5所示。首先從數(shù)據(jù)庫中讀取測試數(shù)據(jù)并打開Excel報表模板;其次將數(shù)據(jù)按固定位置寫入模板中;最后將報表按新的文件名稱進行保存。4.5電機機械軟件分類下位機(安川MP2310控制器)軟件開發(fā)是基于安川公司的配套軟件———MPE720,主要分為梯形圖程序與運動控制程序兩部分。梯形圖程序主要表示電機屬性、邏輯關系、調(diào)用運動控制程序等,包括基本設置、調(diào)用運動控制程序、錯誤、手動調(diào)試等幾個子程序。運動控制程序主要完成描述電機的時序,同樣采用運動控制主程序調(diào)用運動控制子程序的形式。5靜重機測試結(jié)果測試50t靜重機控制系統(tǒng)在測試和運行過程中穩(wěn)定可靠,測試人員可通過人機交互界面直觀地了解電機、開關以及二次儀表讀數(shù)等具體信息,方便地進行自動或手動測試、測試結(jié)果計算、查看歷史數(shù)據(jù)等。該全自動測控系統(tǒng)不僅能夠降低檢定人員的勞動強度,同時能夠提高傳感器檢定、校準效率,保證靜重機工作的可靠性。圖6給出了某10t傳感器的某次測試結(jié)果,在測試過程中實時顯示測試數(shù)據(jù)及砝碼等狀態(tài)。根據(jù)測試的3遍數(shù)據(jù),按100%F.S計算出理論值,再通過測試結(jié)果可以計算得出該檢定傳感器的基本性能,非線性為-0.132u30007%,重復性為0.194u30002%,滯后為-0.695u30009%,靈敏度為2.059803mV/V,組合誤差為0.602%。6軟件開發(fā)方式針對實際需求,對50t靜重機控制系統(tǒng)軟硬件進行設計。該控制系統(tǒng)采用上位機為工控機、下位機為伺服控制器的控制方式,力求控制精度高、可靠性好、容錯能力強、人機交互友好且價格相對低廉。上位機基于LabVIEW平臺進行軟件開發(fā),下位機基于安川控制器軟件MPE720進行軟件開發(fā)。這種上、下位機的控制方式不僅增加整個