基于PLC的拉力试验机电控系统

2021年第1期（总199期）
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一重技术
摘要：介绍拉力试验机系统的构成，设计PLC 电控系统。

通过对多路比例阀调节，实现拉力同步，具有较高的控制准确度；通过设计的人机界面对测试方案、测试数据进行备份，用趋势图显示实时拉力。

通过实际使用，系统输出准确，使用方便，性能稳定。

关键词：拉力测试；液压系统；控制系统；PLC 中图分类号：TH137；TP273
文献标识码：B 文章编号：1673-3355（2021）01-0017-03
PLC-Based Electrical Control System for Tensile Testing Machines Sun Shengbin
Abst ract:The tensile testing machine with its PLC -based electrical control system can offer higher control accuracy by means of proportional valves that regulates pressure in multiple hydraulic circuits to synchronize tensile force.The HMIs can be used to store test plans and test data and display real-time tensile force in form of tendency charts.The trial of the testing machine proves that the machine can give accurate outputs and work easily and stably.Key words:tensile test;hydraulic system;control system;PLC
拉力试验是材料科学与工程实践中的基础试验。

通常的拉力试验多为静力单轴试验，通过不断对测试件施加载荷，直到其断裂，来测得其屈服强度、断裂强度、杨氏模量、泊松比等。

拉力试验机也多为单轴试验用机，通常可施加的力较小，施力点较少。

本文设计的控制系统可用于对较大的环型铸件进行测试。

测试过程是提出测试要求的一方根据测试工件在工作状态下的应力状态、分布规律进行受力分析，经理论计算和有限元仿真计算，确定应加载的载荷大小、载荷等级及作用点位置。

拉力试验机据此施加力，为此应确保力的精确性，并能控制施力的速度以模拟工件实际工作状态。

国标《液压式万能试验机GB/T
3159-2008》中对拉力试验机的加力和测力系统均有明确要求。

本文设计的控制系统主要是用于力的施加与测量。

1拉力试验机系统构成
本文的试验机由电控部分和液压部分组成。

电控部分由PLC 、人机界面、数字量模块、模拟量模块、串口通信模块、开关电源、变压器、比例放大器、压力变送器等组成。

液压系统由柱塞泵、蓄能器、滤油器、三位四通阀、比例减压阀、比例溢流阀、液压缸等元件组成。

为避免电磁干扰，比例放大器设在单独的控制柜中。

通过带屏蔽的线缆与
PLC 控制柜连接。

液压系统设计7个液压支路，最多可在7个作
用点施加拉力。

PLC 控制换向阀打开或关闭某一支路，通过比例减压阀控制分支压力。

作用在传感器上的压力通过变送器反馈给PLC 模拟量模块。

人机界面将PLC 获得的数据以趋势图形式显示出来，同时将数据存储，以备日后分析（见图1，图2）。

2PLC 程序设计
本文的PLC 为CP1H ，开发环境为CX -
Programmer 4.0。

使用梯型图方式编写程序。

包括
启停模块、测试模块、数据备份模块、调试模块。

启停模块负责平稳启停液压泵，减少对系统的冲
1.沈阳理工大学机械工程学院中级实验师，辽宁沈阳110159
基于PLC 的
拉力试验机电控系统
孙胜兵1
10.3969/j.issn.1673-3355.2021.01.017
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图1液压系统实物图图2电控系统实物图
击；测试模块用来测试工件，是最主要的模块；数据备份模块可将测试数据在PLC 和HMI 中分别备份；调试模块提供一些辅助功能，方便调试时使用（见图3）。

由于测试数据较多，所以通过使用指针指向每一级需达到的压力值，测完一级后指针自增1，就可以指向下一级数据。

为模拟实际压力升速，通过设定斜坡时间定时器来设置增压速度。

测试数据的
写入可通过HMI 人机界面输入，也可在CX -Progarmmer 中通过写内存的方式，一次性写入PLC D 存储区域中。

由变送器反馈的0~20mA 电流值经过缩放转换为压力值后进行比较。

转换过程可使用CP1H 指令集中的缩放指令，或自己编写程序计
算。

3人机界面设计
人机界面分为主界面、数据界面、备份界面、
趋势图界面等。

在主界面中可以打开或关闭各个支
路换向阀，设定保压时间、斜坡时间，以及压力等级（见图4）。

在数据界面中可输入要达到的拉力数据（见图
5）。

每个数据对应PLC D 区域一个字的存储区。

数据为16位无符号型。

趋势图可实时显示输出力曲线（见图6），设置周期式采样，通道数为7，历史记录保存到
HMI 。

数据来源为PLC 程序设定的缓存区。

人机界面中还设有数据存入U 盘的功能，存储格式为CSV 文件，可转为EXCEL 文件，方便
分
图3程序流程图
图4主界面图
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表2实际输出力
(10N)
表3实际误差
图5数据界面图6输出力曲线图
析。

4试验验证
笔者以实际试验数据为样本，检验试验机输出
力的准确性。

该次测试所测工件较小，施力点只有
两个（见表1）。

经过试验得到实际输出力（见表2）和误差值（见表3）。

从误差表可以看出，压力较低时误差在2%以内，超过3MP 等级后误差在1%以内。

最终笔者得到实际测试数据曲线（见图
7
）。

表1测试需输出力
（10N ）
图7测试数据曲线
拉力点1MP 2MP 3MP 4MP 5MP 6MP 7MP 8MP 9MP 11134222733214414550766007693878698792789
15442300305538114566532260776832
拉力点1MP 2MP 3MP 4MP 5MP 6MP 7MP 8MP 9MP 11158225633584456552066507737882599312804
15752318309538394610535460976868拉力点1MP 2MP 3MP 4MP 5MP 6MP 7MP 8MP 9MP 10.0210.0130.0110.0100.0020.0080.0060.0040.0052
0.019
0.020
0.008
0.013
0.007
0.010
0.006
0.003
0.005
5结语
本文设计的试验机控制系统可用于测试较大铸件的拉力。

经过实际使用，该系统在输出的准确性、稳定性，测量的精确性，操作的方便性等方面均有不错的表现。

今后，通过提升系统的响应速度，会进一步降低误差，提高本系统的整体性能。

参考文献
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