基于PCI-1711数据采集卡的拉力试验机实时控制系统*

朱江新 阳 平 夏 天 莫代新

(广西大学机械工程学院,广西南宁 530004)

拉力试验机是用来检验工程中所使用的各种导线、连接件以及其他相关索具的拉伸力学性能和可靠性的实验设备[1],目前已广泛用于机械制造、车辆制造、电力工程、金属材料等行业。该控制系统是用于500 kN卧式液压拉力试验机,采用载荷反馈的闭环控制方式,使用PCI-1711数据采集卡对试验机进行实时数据采集和输出,通过电液比例伺服系统控制液压机构进行驱动,对拉力试验过程进行实时控制,实际使用效果良好。

1 拉力试验机系统组成及工作原理

1.1 系统组成

拉力试验机主要由计算机、数据采集卡、液压系统、拉伸机构和称重传感器(拉力传感器)[2]等五部分组成(图1)。

计算机是拉力试验机的核心部分,为系统的控制器,用于试验时实时控制;PCI-1711数据采集卡用于称重传感器信号实时采集与液压系统控制信号的输出;拉伸机构用于试件夹持和张拉,是拉力试验机的主体结构部分;称重传感器是一种双向测力元件,用于将拉力信号转变成电信号,并通过数据采集卡反馈给计算机控制系统;液压系统是拉力试验机的动力系统,液压控制部分主要元件为电液比例阀与三位四通的电磁换向阀[3]。

1.2 拉力试验机工作原理

拉力试验机主要有静载荷试验和额定载荷试验两种工作方式。在静载荷试验过程中,系统不断增加载荷,直到试件产生破断,停止加载并回油,记录下试件破断拉力即可。其关键在于控制加载的速度并保证系统安全;额定荷载试验是按照一定的加载方式连续地给试件增加拉力。当达到所要求的拉力值时,按试验要求保压一段时间然后卸载,用于检验试件能否承受所要求的载荷。试验过程如下:

(1)将试件固定在拉伸机构上,拉伸机构的一端与液压油缸的活塞相连,另一端与称重传感器连接;

(2)通过PCI-1711数据采集卡实时采集称重传感器信号,并根据采集的信号进行处理,然后输出相应的控制信号,控制电液比例阀的开度;

(3)由控制系统经PCI-1711发出控制信号,控制电磁换向阀换向和卸荷;

(4)将相关试验数据添加到数据库中。

2 PCI-1711数据采集卡

PCI-171l是一款功能强大的低成本多功能PCI总线数据采集卡,支持即插即用。安装数据采集卡时不需要设置任何跳线和DIP拨码开关,只需将数据采集卡所需的动态链接库Adsapi32.dll及使用PCI系列数据采集卡开发系统所需的相关头文件Driver.h,EVENT.H,OS.H,PARAS.H,USBErrorCode.h等分别包含在AdvantechAdsapiLib,AdvantechAdsapiInclude文件夹下[4]。

PCI-171l数据采集卡具有16路单端模拟量输入,12位A/D转换器,采样速率可达100 kHz,转换时间为10 μs;2路12位模拟输出,模拟输出转换率为11 V/μs,建立时间为26 μs;16路数字量输入与16路数字量输出以及可编程触发器/定时器等功能。数据采集卡同时具有自动通道/增益扫描,每个输入通道的增益可编程等特点。用户可以根据每个通道不同的输入电压类型选择不同的增益系数,来进行相应的输入范围设定。本文的拉力试验机实时控制系统中,使用了PCI-171l的一路模拟输入与两路模拟输出口,其中一路模拟输出控制电液比例阀的开度,另外一路模拟输出做开关量使用,通过高低电压的输出控制电磁换向阀的通断。

将上述动态链接库及相关头文件拷贝到所开发系统工程目录下,将Adsapi32.dll添加到工程,且在Project菜单中的Setting的Link项中加入应用程序所需的动态链接库Adsapi32.lib,然后在程序中添加所需要的函数即可完成PCI-1711数据采集卡的数据采集与输出。

3 拉力试验机实时控制程序设计

实时控制程序从功能上可分为界面输入模块、控制模块、数据库模块等。在试验过程中,试验人员通过输入界面可以方便地输入试验参数(如拉力、保压时间和系统置零等)、文件操作和对数据库进行操作,在屏幕上还可以直观的了解试验的进行过程。数据库模块是用来存储现场数据采集值、控制输出值、常用参数(如板卡设置、控制参数值、模糊控制表等)、操作者记录等。

控制模块根据程序中设定的参数,自动完成对各个试验环节的控制,它是整个程序中的核心部分。控制类型包括手动控制、自动控制,能满足不同试验要求。其控制原理如图2所示。

图2中的F表示实时采集的拉力力值,F0为试验设定拉力值,ΔD为输出控制量。

拉力试验机启动后,通过PCI-1711数据采集卡实时采集称重传感器的信号,计算机控制系统根据实时采集的拉力力值F与设定拉力值F0之间比较,通过如下控制算法,生成相应的输出控制信号ΔD,控制电液比例阀的输出压力,实现加载过程实时控制。

(1)当0≤F/F0＜0.9时,ΔD较大,提高拉力试验系统快速性;

(2)当0.9≤F/F0＜1时,ΔD较小,防止系统加载时的超调量过大,避免过载;

(3)当|F-F0|≤0.5时,进入保压状态。

保压期间,电磁比例阀不关闭,计算机输出的控制信号ΔD保持相对稳定,保持系统压力稳定。由实时采集的拉力力值F和设定拉力值F0间的差值,来决定控制信号ΔD的增减。

通过试验,测试出一组静态拉力值-控制信号值列表函数。每一次试验可经过插值计算,求出其设定拉力值所对应的静态控制信号ΔDOBJ作为保压期间控制的初始值。

为了缩短加载时间,提高工作效率,在控制程序中增设了一个控制信号初始值D0。每次试验时加载不是从0开始,而是从D0开始,尽快逼近设定拉力值。

回油卸载过程中,为了避免液压系统产生冲击,控制信号ΔD逐步减小,使液压缸中的油压逐渐减小。当拉力接近0时,通过计算机控制系统发出控制信号以及试验控台上的电磁换向阀的换向按钮来控制电磁换向阀换向,使液压缸的活塞复位。在液压缸活塞复位时,为了加快液压缸的活塞复位,控制信号ΔD为常值。回程速度不受实时采集的拉力值影响。

该程序使用VC++6.0语言,采用文档/视窗模式的程序主界面设计[5]。程序主要由参数设置、进程控制、数据处理与显示几大部分组成。程序能动态实现数据采集和实时控制,并实时地自动绘制力—时间、力—位移曲线和显示试验数据。

4 结语

通过采用可视化编程工具VC++6.0和研华PCI-1711高速数据采集卡对拉力试验机控制系统进行设计,实现了高速数据采集、数据传输、系统的实时控制、存储和实验数据库等功能。并通过采用一定的控制方法能够很好地控制系统的超调量。从系统的实际使用情况来看,应用该控制系统以后,拉力试验机的工作更加可靠,所得数据更加准确,可以满足生产和检验需要。

[1]邹志华.一种索具拉力试验机液压系统的设计[J].江苏船舶,2007,24(6):23-23,31.

[2]朱江新,李言,林义忠.拉力试验机计算机实时控制[J].机床与液压,2002(6):250-251.

[3]刘延俊编著.液压元件使用指南[M].北京:化学工业出版业,2008.

[4]Advantech Co.,Ltd.PCI-1711/1731100kS/s,12-bit,16ch S.E.InputsLow Cost Multifunction Card,User's Manual.

[5]高守传,聂云铭,郑静.Visual C++6.0开发指南[M].北京:人民邮电出版社,2007.