【正文】 自行研制和開發(fā)輪胎試驗機的單位和企業(yè)，開發(fā)出多種類型的輪胎試驗機。 2020 年國家標準管理委員 會發(fā)表了輪胎動平衡試驗的相關(guān)標準 [6]。 2020 年北京航空制造工程研究所自主開發(fā)了全自動充氣式輪胎動平衡試驗機，并采用了西門子 Simatic WinAC、數(shù)據(jù)庫等先進技術(shù)。 如今國內(nèi)以引進技術(shù)等形式建立了大型輪胎試驗場，可對各種不同類型的輪胎從性能方面進行綜合測試，現(xiàn)國內(nèi)技術(shù)比較領(lǐng)先的是天津久榮公司所建立的綜合試驗場，可完成包括強度測試、耐久測試等 16 項不同性能方面的測試 [8]，同時也承擔(dān)了制定國家輪胎測試標準的任務(wù)。相應(yīng)地，這也給產(chǎn)品的開發(fā)和使用帶來了新的挑戰(zhàn)。電液控制系統(tǒng)屬于本質(zhì)非線性和不確定性系統(tǒng)，如電液伺服閥的壓力 —流量特性、液壓動力機構(gòu) (如非對稱缸 )的摩擦特性和死區(qū)特性、負載特性等都是非線性；而不確定性因素則包括外來干擾力、溫度變化、油源壓力和流量脈動等。 輪胎試驗機液壓伺服控制系統(tǒng)是輪胎試驗機的關(guān)鍵部分。由于模擬器件的分散性和組成電路的特點，其控制功能簡單，難以適應(yīng)各種需要場合，并且存在明顯的溫度漂移和零點漂移。出廠時設(shè)定好的參數(shù)一旦改變就不易恢復(fù)。計算機控制系統(tǒng)則可避免上述弊端，參數(shù)設(shè)定可通過 PC或總線完成，避免了活動元器件的機械磨損。也可應(yīng)用于多點多通道協(xié)調(diào)加載系統(tǒng)中，通過人機對話方式完成系統(tǒng)設(shè)置和測試工作。 主要研究的問題及論文結(jié)構(gòu)概述 該測試臺的電氣控制部分的任務(wù)是： 、圖形曲線顯示打印 主要研究的問題有： 動作的自動控制 飛機機輪徑 側(cè)向 自動化試驗裝置 第一章 緒論 4 手動控制更加方便 論文章節(jié)安排 本論文的設(shè)計就是就以上提出的任務(wù)問題進行系統(tǒng)的論述，論文章節(jié)的具體安排如下： 第一章 是緒論部分。 第二章 是 飛機機輪徑 側(cè)向自動化試驗裝置 的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理 ， 確定了系統(tǒng) 總體 的控制方案 ，并進行 硬件系統(tǒng)的選型。 第四章 是軟件系統(tǒng)的設(shè)計，根據(jù)要求，設(shè)計了監(jiān)控系統(tǒng)，使監(jiān)控系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)記錄、監(jiān)控功能。闡述了典型的 PLC 程序設(shè)計過程。 飛機機輪徑 側(cè)向壓力自動檢測系統(tǒng) 第二章 系統(tǒng)總體設(shè)計 5 第二章 系統(tǒng)總體設(shè)計 本章主要 說明 飛機機輪徑 側(cè)向壓力自動檢測系統(tǒng) 的原理結(jié)構(gòu)，控制要求 和 技術(shù)要求，系統(tǒng)方案的選擇和論證。 徑向載荷：飛機處于靜止狀態(tài)，軸承主要承受靜止載荷。 側(cè)向載荷：如果飛機帶側(cè)滑接地 (如側(cè)風(fēng)較大的時候 )，機輪將受到側(cè)向載荷。 實驗原理如圖 所示： 整個試驗臺液壓傳動系統(tǒng)由徑向、側(cè)向兩個系統(tǒng)構(gòu)成。加壓指令下達后，由計算機控制系統(tǒng)把施加在被測輪上的載荷值按標度轉(zhuǎn)化后分別送給徑 (側(cè) )向比例溢流閥，從而控制比例溢流閥的開度，同時比例溢流閥的開度還能控制徑側(cè)向加壓機構(gòu)伸出與回程 的速率。根據(jù)壓力反饋值與壓力設(shè)定值的大小實時控制比例溢 流閥的開度大小。同時在試驗結(jié)果中給出末段最大加載壓力值，以判斷破壞性的成功與否。 根據(jù)試驗臺原理和系統(tǒng)要求，可將測試臺分為兩個大部分： 為實驗提供測試所需的徑向、側(cè)向載荷。 系統(tǒng)控制要求 由于不同于普通輪胎的靜態(tài)力學(xué)性能壓力測試，其壓力試驗臺的控制要求也比一般壓力試驗臺有更嚴格控制要求及更復(fù)雜的控制過程，其具體表現(xiàn)在如下幾個方面： 1000kN、 500kN，每級按設(shè)定值 10％增量施加； 、側(cè)兩個方向分時加載，每級加載時 間為 10 秒，且增加一級需停 5 秒（可任意調(diào)節(jié)）以便測量輪胎變形程度； ，計算機控制系統(tǒng)監(jiān)控畫面中顯示加載過程，并根據(jù)加壓情況給出報警和預(yù)報信息； ，實現(xiàn)自動卸載功能，同時給出整體加壓曲線，給出試驗結(jié)果；加載給定曲線如圖 22 所示： 飛機機輪徑 側(cè)向壓力自動檢測系統(tǒng) 第二章 系統(tǒng)總體設(shè)計 7 圖 22 航空機輪徑側(cè)向載荷給定曲線圖 ，試驗過程數(shù)據(jù) 全部存儲，用于生成試驗報表和報警記錄； ，判斷加壓過程值是否超出破壞性試驗設(shè)定值，如不滿足達到設(shè)定值，則試驗判斷為失??； ，按側(cè)向每級加載滿足時間落后于徑向 5 秒開始，最終試驗完成階段，徑側(cè)向同時回程； 徑側(cè)向 自動化 臺 的 總體設(shè)計 方案 工業(yè)控制系統(tǒng)是以計算機為核心來控制生產(chǎn)過程的自動控制系統(tǒng)。 這種控制系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于單件機構(gòu)的控制中，如家用電器、電機伺服、變頻調(diào)速等機電產(chǎn)品中 ， 在工業(yè) 控制領(lǐng)域一般適用于小規(guī)模的工業(yè)控制系統(tǒng)，或者擔(dān)當大系統(tǒng)中的一個子系統(tǒng)。與通用的計算機相比主要有以下特點有 : 1) 兼容性好、升級容易； 2) 性能價格比高； 3) 豐富的軟件支持； 4) 通信功能強； t/s K：可調(diào)斜率 徑向壓力 側(cè)向壓力 10s 5s 等待時間 5s 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 0 P/T 10 20 30 40 徑向回程 側(cè)向回程 飛機機輪徑 側(cè)向壓力自動檢測系統(tǒng) 第二章 系統(tǒng)總體設(shè)計 8 5) 可靠性高，具有空氣過濾系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、減震裝置、防電磁干擾和抑制電涌裝置，使工控機的可靠性比一般計算機的可靠性提高 3~4 倍。 分布式控制系統(tǒng) (Distributed Control System，簡稱 DCS)又稱集散系統(tǒng)，在國內(nèi)又稱之為集散控制系統(tǒng)。 DCS 的主要特點可以歸結(jié)為 :分散控制，集中管理。所有站點通過系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)互相連接并互相交換信息，協(xié)調(diào)各方面的工作，共同完成 DCS 的整體功能。這樣保證了當某一臺設(shè)備或某一部分出現(xiàn)故障時不會導(dǎo)致整個系統(tǒng)癱瘓。 PLC 是 20 世紀 60 年代末在繼電器控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上開發(fā)出來的。而且 PLC 很好地解決了工業(yè)控制領(lǐng)域普遍關(guān)心的可靠、安全、靈活、方便、經(jīng)濟等問題。 PLC 的平均無故障時間可達幾十萬小時。例如在輸入輸出 (I/O)接口電路都采用光電隔離，做到電浮空，既方便接地，又提高了抗干擾性能 。所有這些使得 PLC 能置于有很強的電噪聲與電磁干擾、機械振動和濕度很大的地方。而 PLC 采用面向控制過程、面向問題的 “自然語言 ”編程，容易掌握。盡管現(xiàn)代 PLC 也用高級語言編制復(fù)雜的程序，但梯形圖仍被廣泛地使用。 4） 可連接為網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng) PLC 可連接為功能很強的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，通過網(wǎng)絡(luò)級連可以將不同類型的可編程控制器與計算機組成一個控制范圍很大的局部網(wǎng)絡(luò)。 1) 高可靠性、抗干擾能力強 這是一個基本的，也是最重要的要求之一。同時由于該系統(tǒng)中有兩臺同步電動機在啟動和運行過程中很容易對控制信號產(chǎn)生電磁干擾，所以控制系統(tǒng)要具有很強的抗干擾能力。 3) 性價比高 下面對各系統(tǒng)的優(yōu)缺點進行分析，并根據(jù)項目的實際要求選出最適合該項目的系統(tǒng)。它的優(yōu)點是價格低，但開發(fā)周期長，尤其是它的可靠性得不到到保證。 工業(yè)控制機 IPC 配以 PC 總線的 I/0 板卡組成的控制系統(tǒng)，其優(yōu)點是價格較低，系統(tǒng)軟硬件資源豐富，開發(fā)周期短；但是經(jīng)實踐證明， IPC 工業(yè)控制機長期運行的可靠性難以得到保證，幾年之后， IPC 的故障率比較高。所以，本項目沒有選擇這種控制系統(tǒng)。但 DCS 和 PLC 在通信網(wǎng)絡(luò)上的組網(wǎng)不同，導(dǎo)致二者的價格有較高差異。諸如此類，導(dǎo)致盡管 DCS 系統(tǒng)性能優(yōu)良，但價格也非常昂貴，性能價格比并不高。這樣一種處理方案，在價格上將大大低于 DCS 系統(tǒng)。由于 PLC 將三電 (邏輯控制系統(tǒng)的電氣控制裝置、過程控制系統(tǒng)的電動單元組合儀表、運動控制系統(tǒng)的電氣傳動控制裝置 )集于一體，所以其本身有很強的自治性，它對 PLC 網(wǎng)絡(luò)的通信速度要求比較低。而 DCS 系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)一級實現(xiàn)三電一體化，它對網(wǎng)絡(luò)通信速度的要求比較高，需要通過網(wǎng)絡(luò)交換的數(shù)據(jù)量 比較大，這使得 DCS 系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)比較復(fù)雜。更何況 PLC 本身具有良好的自治性，在關(guān)鍵場合又選用 PLC 冗余結(jié)構(gòu)，這樣即使 PLC 網(wǎng)絡(luò)發(fā)生故障，仍可維持系統(tǒng)運行。 綜合以上的分析，最終選擇了 PLC 和工業(yè)控制計算機相結(jié)合的控制系統(tǒng)方案。計算機控制系統(tǒng)具備以下優(yōu)點 [15][16]: ，硬件電路的標準化程度高，制作成本 低，且不受器 件溫度漂移的影響。 ，可靠性高，可以提高控制性能。 徑側(cè)向機輪試驗臺計算機系統(tǒng)的原理框圖如圖 23所示 ： 控 制 器D / A液 壓 執(zhí) 行 機 構(gòu) 飛 機 輪 胎壓 力 值 反 饋A / D+eTT壓 力壓 力 設(shè)定 值P L C試 驗 過 程 圖 23 徑側(cè)向自動化試驗裝置控制系統(tǒng)原理框圖 在徑側(cè)向機輪試驗臺計算機控制系統(tǒng)中，由于工業(yè)控制機的輸入和輸 出是數(shù)字信號，因此需要 A/D轉(zhuǎn)換器和 D/A轉(zhuǎn)換器。 :對采集到的輪胎壓力和位移量進行分析和處理，并按給 飛機機輪徑 側(cè)向壓力自動檢測系統(tǒng) 第二章 系統(tǒng)總體設(shè)計 11 定的控制程序決定需要采取的控制行為。 徑側(cè)向機輪試驗臺計算機控制系統(tǒng)的 硬件實現(xiàn)框圖如 24 所示 。 第二個部分是液壓系統(tǒng)。這個系統(tǒng)由油泵、送油閥、載荷保持器、四通閥、可控單向閥，液控比例閥等組成 .送油閥本身不只是節(jié)流閥，而且有溢流閥、安全閥、減壓閥的功能 .從而保證系統(tǒng)的安全，HMI 工控機 閥門開度 位移數(shù)據(jù) 油缸壓力 載荷壓力 開關(guān)控制 限位報警 系統(tǒng)啟停 量測信號 模擬量模塊 數(shù)字量模塊 PLC 打印機 用戶 飛機機輪徑 側(cè)向壓力自動檢測系統(tǒng) 第二章 系統(tǒng)總體設(shè)計 12 壓力的可調(diào) .載荷保持器的作用是在較長時間內(nèi)保持壓力的穩(wěn)定，以保證電測工作的順利進行。本試驗臺液壓系統(tǒng)按手動和自動控制兩種操作方式來設(shè)計 的，故在管路中增加了一些旁路。 1液體液溫計； 2不銹鋼油箱； 3電接點溫度計； 4液位控制器； 5空氣濾清器； 6電動機（ ）； 7定級變量油泵； 8壓力過濾器； 09回油過濾器； 10比例溢流閥； 11電子放大器（最大功率 50W，輸入信號 010V）； 12常閉二通電磁閥； 13液壓接 頭； 14微型軟管； 15耐震壓力表； 16電磁換向閥（ 1DT、 2DT、 3DT、 4DT）； 17 單向節(jié)流閥； 18壓力傳感器（輸出信號 010V）； 19行程開關(guān)； 20側(cè)載油缸 ； 21載荷保持器；22球閥； 23橡膠接頭； 24冷卻器（ 7DT）； 圖 25 液壓系統(tǒng)原理圖 其工作原理是： ， 4DT 得電，側(cè)載油缸伸出直至被接觸被測件，壓力升至 比例溢流閥調(diào)定壓力 。 、側(cè)載油缸回程 :ZDT、 3DT 分別得電，可使徑、側(cè)載油缸快 速回程，回程速度可 調(diào) 。 、側(cè)載油缸無桿腔的準確油缸壓力 。 ： 實現(xiàn)液壓系統(tǒng)動作程序的控制，載荷給定的控制。 ： 用傳感器采集系統(tǒng)，通過放大器放大并且 A/D 轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，提 供給計算機系統(tǒng)。 工業(yè)控制計算機全稱工業(yè)個人計算機 (Industrial Personal Computer，以下簡稱工控機 )，簡稱工控機，是一種加固的增強型個人計算機，它可以作為一個工業(yè)控制器在工業(yè)環(huán)境中可靠運行。工業(yè)個人計算機就以其性能可靠、軟件豐富、價格低廉而廣受歡迎而且得到了很大的發(fā)展。 型工控機采用符合“ ELA 準的全鋼化工業(yè)機箱，增 強了抗電磁干擾能力，鋁質(zhì)面板符合 NEMA4/IP65 標準 。 CPU 及各功能模塊皆使用插板式結(jié)構(gòu)， 并帶有壓桿軟鎖定，提高了抗沖擊、抗振動能力 。 ，并有過壓、過流保護 。 。 “看門狗”定時器，在因故障死機時，無需人的干預(yù)而自動復(fù)位 。 (底板 )，方便系統(tǒng)升級。相比而言， AWS8248VTPT 具有更強的擴展性能，更大的 LCD，及更具有競爭力的價格。 對于下位機的選擇，主要是選擇可編程邏輯控制器及其配套設(shè)備的選型 。 按照本項目的要求對各廠家的 PLC 的相關(guān)性能進行了考核： 支持高級語言編程； 由于 PLC 本身的內(nèi)置的控制算法只有 PLC 模塊，控制時只能調(diào)用其內(nèi)部的算法，而我們在控制時會涉及到一些復(fù)雜算法，如本文設(shè)計的模糊自適應(yīng)控制等，所以需要 PLC 支持高級語言編程，如 C 語言。 基于以上分析，選擇西門子公司的 PLC S7300 產(chǎn)品 [17][18]。 特點如下：