基于plc和hmi的薄膜疲劳性试验控制系统设计

河北农机HEBEINONGJI要：本文提出了基于PLC和HMI的薄膜循环充放气疲劳性检测控制方案，选用SIEMENSS7-2000PLC为核

心控制器，以KincoMT4414TE触摸屏作为人机界面设计了硬件电路和软件系统，在不同压力下重复精准地给薄膜型零件循环充放气。该检测装备成功应用于生产，运行稳定、控制精准、程序模块化设计合理、逻辑清晰、普适性高，检测效果明显，在薄膜疲劳性检测方面有很大的推广价值。

关键词：PLC；HMI；循环充放气；薄膜；疲劳性；自动试验

基于PLC和HMI的薄膜疲劳性试验控制系统设计中国航发南方工业有限公司

引言

零件中的薄膜属于敏感关键部位，特定工作环境下的疲劳性和使用寿命是极具意义的参数，它关系着整个的零件的使用寿命和维护周期。PLC（ProgrammableLogicController）是专为工业环境设计的控制器，具有抗干扰能力强、安装使用方便、编程简单、体积小、能耗低等特点[1]。触摸屏是非常适合工业控制的人机界面，其界面友好、输入简单，便于系统的维护和改造[2]。我们采用西门子公司的PLC与触摸屏设计了一套用于薄膜循环充放气疲劳性检测的试验装备。

1薄膜疲劳性检测的原理

图1机械结构原理图

如图1机械原理图所示，将高压压缩空气气瓶作为试验气源，气源出口气压为15MPa，配套有空气减压装置。选用电磁阀+减压阀或电磁阀两种模式给气体减压，预置每条支路的气体压力，进行并联分五路控制。需要0.4MPa进行检测试验时，关闭其他支路，单独启用该条支路；需要迅速提高压力至2MPa时，关闭其他支路，只开启2MPa的支路。在管路的尾部装有放气电磁阀，阀门打开气体流经消声器排至大气。用专业夹具将薄膜安装固定于水中，薄膜破损漏气即刻有气泡冒出。当薄膜受到气体挤压后变形，气压降至大气压时形变恢复。在不同的气体压力下，薄膜可承受的反复形变的次数是不同的。对薄膜进行循环充放气检测，直至破损即可得出该型薄膜的疲劳性参数。调节预置好各个管路的气体压力，用电磁阀的开启来控制薄膜充放气的气体压力，本试验装备管路的压力为0.4MPa、0.9MPa、2MPa、3.35MPa。

图2为本设备的电气控制原理图。其中触摸屏作为整个控

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2020年第1期

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制系统的信号输入端和信号输出端，并在触摸屏中根据试验气体压力的不同编制不同的界面，操作简便形象直观。西门子PLC作为控制执行层，对压力参数进行采集处理，控制下层的继电器、电磁阀动作，蜂鸣器发出报警信号。编制顺序功能图，用西门子PLC中的LAD编程实现全自动循环充放气，并采用触摸屏进行控制信号输入和各种参数的显示[3-6]。

图2电气控制原理图

2PLC程序与HMI人机界面的编写2.1PLC程序与HMI人机界面的编写

PLC的程序可以采用梯形图、语句表、程序块等形式表示[2]。本设备采用梯形图形式进行编程。在软件STEP7-Micro/WIN32

中编制调试，通过PC/PPI电缆传输到PLC中。PLC控制程序有主程序、数据读取子程序、0.4MPa循环子程序、0.9MPa循环子程序、2.0MPa循环子程序、3.35MPa循环子程序、手动模式子程序。1）主程序：主要负责对各功能块的调用及对系统参数的初始化，算法子程序是对数字量和模拟量进行转换和处理。（2）数据读取子程序：压力变送器将测得的压力转换成4~20mA的信号，通过模拟量输入模块的AIW0存入VD0的寄存器，可实时显示在触摸屏上。（3）手自动模式选择：手动模式是指操作者可以通过点击触摸屏的开关控制各个电磁阀的开启和关闭；自动模式是指试验过程一键自动化，在点击试验开始之后，整个循环充放气过程自动实现，直至薄膜出现破损或完成指定次数的循环。4）充放气循环子程序：为整个控制程序的核心部分，编制PLC程序实现工艺要求，通常有逻辑法、步进顺控法、顺序功能图等方法，本文选择顺序功能图法进行PLC的梯形图编程。以2MPa压力下循环10000次为例，当试验开始的条件满足时，0.4MPa的

（（压缩空气管路的电磁阀开启3min，其余所有气路电磁阀关闭，排尽薄膜内的气体及杂质。3min后0.4MPa的气路关闭，2.0MPa气路电磁阀打开，给薄膜充气，充气20s后关闭。此时放气阀打开5s，薄膜里的气体得到释放，计数器计数一次即完成一次充放气循环，未达到10000次继续执行该充放气循环，直至10000次退出循环，复位所有电磁阀，整个设备回到初始状态。整个试验过程中薄膜一旦破损，充放气循环结束，输出试验次数，即为该薄膜使用寿命和疲劳性数据。

2.2HMI人机界面设计

HMI主要的功能是人机的信息交互，通过HMI可以直接看到压力、循环实时信息和设备的使用情况。在KincoHIM2.4环境中进行界面开发时，本系统选择触摸屏型号为KincoMT4414TE，PLC选择SIEMENSS7-200；然后新建各个画面，定义各画面的名称，在各画面上使用编辑功能添加按钮、指示灯、数字输入框和文本。根据PLC程序的功能，主要设计以下几个画面：第一类导入页面，如图3所示的欢迎页面；第二类是控制画面，如图4所示手动控制画面，包含所有阀门的控制画面和气体压力实时显示；第三类是功能选择画面，如图5所示主要是手动/自动控制方式选择、压力、循环次数等各项参数的设置；第四类是试验实时画面，如图6所示该画面为循环充放气全程试验控制和显示画面。

图3欢迎页面图4手动控制画面图5功能选择画面图6试验实时画面3现场试验

首先把要试验的薄膜安装固定到专用的检验水箱里，水箱注水淹没薄膜。开启气瓶开关并将空气减压阀出口压力调至2MPa。整个设备接通电源，触摸屏自动开启出现首页标题页面。点击触摸屏标题页面右下角的淡蓝色方框控件进入“功能选择”页面。

手动功能：在“功能选择”页面的中间“手动or自动”选择旋钮控件，拨向左边选择手动功能。点击“手动控制”页面控制键，进入手动控制页面。在“手动控制”页面中，各阀旋钮控制阀的开启和关闭：指示灯为绿色时表示阀已经开启，指示灯为黄色时表示阀是关闭的。实时显示当前管路上的气体压力。

自动功能：在“功能选择”页面的中间“手动or自动”选择旋钮，拨向右边选择自动功能。在淡蓝色的自动控制区域里，选择试验压力进入试验页面。选择充放气试验次数百次或者完成，点

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击“试验开始”设备将会自动开始试验，“充放气次数”实时显示循环次数。点击“试验停止”试验器停在当前状态，试验不再继续进行。点击“复位”按钮，试验器将回到初始状态。

如图7所示右边为2MPa压力下循环充放气后的薄膜零件，对比左图试验前的薄膜变形明显。

图72MPa下100次循环充放气后的薄膜对比图4结语

本文介绍了一套适合用薄膜疲劳性和使用寿命检测的方案，薄膜在0.4MPa、0.9MPa、2MPa、3.35MPa压力下，每次受压20s，形变恢复5s单面受压循环充放气次数的检测，通过PLC和HMI为核心的控制系统，开发了一套完整、先进、可靠、扩展性强的控制系统，并且进行了实际测试和安装，并投入生产运行。现场试验证明，该系统运行稳定、操作简单，能满足用户的使用要求，具有很强的推广价值。最后给出了在该设备上某薄膜循环充放气100次的前后对比图，形变明显。在薄膜疲劳性检测方面还应考虑充气时间、双面受压、形变恢复时间、形变量、材质等因素的影响，与之配套的试验设备的研制还有很大的发展空间。

参考文献：

[1]完颜瑞楠,姚文.汽车总装生产线供液系统的智能监控系统设计[J].电气自动化,2015,39(5):81~84.

[2]蔡行健,黄文钰,李娟.深入浅出西门子S7-200PLC[M].北京：北京航空航天大学,2007.

[3]瞿彩萍.PLC应用技术[M].北京：中国劳动社会保障部出版社,2014:96~187.

[4]吴作明,杜明星.深入浅出西门子STEP7[M].北京：北京航空航天大学出版社,2012:60~91.

[5]荣西林,肖军.电工与电子技术[M].北京：冶金工业出版社,

2010:201~219.

[6]华容.PLC在集散控制系统中的作用及其发展趋势[J].电工技术,2000,41(3):4~6.

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