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摘 要：文章分析了车用软轴拉索拉力试验机系统组成和控制特性，通过S7-200PLC实现对信号的实时采集和输出控制，使用VisualC++程序设计语言开发拉力试验机计算机上位机软件，实现测控数据存贮、测试数据打印和设备控制等功能。
关键词：拉力试验机；PLC；Modbus协议；数据打印
【分类号】：TP273
作者简介：周涛（1976——）男，汉族，重庆人，工程师。现任宁波韵升股份有限公司研究院主任工程师。主要研究方向：生产线自动化控制设计与改造；王辉：（1976——）女，汉族，黑龙江人，工程师。现任宁波方力科技股份有限公司技术部副经理。主要研究方向：塑料挤出机生产线自动控制技术。
1.引言
汽车配件产品都有非常严格的质量控制要求。车用软轴拉索在生产完成后，必须对每件产品进行拉力测试，测量钢丝绳在设定拉力下的总长尺寸和装配尺寸。对不合格产品进行分离，对合格产品进行标识，标明单个产品的测试时间，测试参数，以及产品质检信息。车用软轴拉索的检测是通过卧式拉力试验机实现的。拉力试验机的自动化程度的高低，直接影响了产品检测的效率。随着社会的进步，人力成本越来越高。拉力试验机也需要适应生产的需要，做到高可靠性，高适应性，高自动化，低成本等技术要求。在开发新一代拉力试验机时，针对继电器控制系统，单纯PLC控制系统不能进行大容量数据存贮，不能打印检测结果标签；而工控机加测控卡建立的系统在进行复杂的逻辑编程时，灵活性和可靠性较低。综合上述控制系统的优缺点，项目采用以西门子S7-200PLC为实时控制系统，以工控机为上位机操作系统，PLC与工控机之间采用Modbus协议进行通讯。S7-200PLC负责现场的数据采集，逻辑运算，现场设备控制。工控机则通过VisualC++程序设计语言开发的上位机软件，进行设定和显示PLC中参数。将检测结果信息存贮到数据库，进行测试结果的分析并驱动打印机，按设定的尺寸打印测试标签。充分利用各分系统的特长，可以组建高性价比的拉力试验机控制系统。
2.拉力试验机的工作流程
拉力试验机由主机框架，前夹座，后夹座，长度调节机构，拉伸测力机构，翻料机构等组成，在前夹座上装有行走电机，在后夹座和拉伸测力机构上分别装有直线位移传感器，用于测量拉索的装配尺寸和总长尺寸。主体结构如下图所示：
图1.拉力试验机结构示意图
拉力试验机的工作流程为：拉力试验机复位后，前夹座位于试验机的末端。第1步，操作人员将软轴拉索一端按入前夹座的U形槽内，前夹座上接近开关感应到拉索钢丝后，伸出气缸固定软轴拉索；第2步，前夹座上行走电机开始运行，拖动拉索向长度调节机构端运动。在前夹座接近长度调节机构时，电机减速，在机械缓冲的辅助下，前夹座与长度调节机构通过气缸锁紧机构固定在一起；第3步，操作人员将拉索的另一端压入后夹座的U形槽内，后夹座上接近开关感应到拉索钢丝后，伸出气缸固定拉索；第4步，拉索的两端固定后，气缸A开始动作，拉索开始接受拉力检测，拉力传感器测得的拉力达到设定拉力时，气缸B伸出，由位移传感器分别测量软轴拉索的总长尺寸和装配尺寸；第5步，气缸A、气缸B退回，前夹座与长度调节机构夹紧分离，前后夹座上的固定气缸退回；第6步，翻料机构自动翻料，将软轴拉索由拉力试验机工作台转移到存料台；第7步，行走电机退试验机末端，为下一个行程做准备。从上面的流程我们可以看出，整个测试过程需要人工干与的地方少，只需要把拉索的两端按入前后夹座，系统就能完成整个测试过程。而这个系统的实现，全依赖于成熟高效的西门子S-200PLC系统。
3.电气系统框架
电气系统主要由负责实时控制的PLC系统和负责人机交流、数据保存的计算机软件两部分组成。PLC系统相对独立地进行整个拉力试验机的过程控制。西门子S7-200系列PLC，CPU226主机自带16个数字量输出，24个数字量输入，可以满足现场操作按钮，限位开关，接近开关以及电磁阀等多种输入输出设备的控制要求。在拉力试验机中，拉力传感器和位移传感器都将测试数据转换为标准电流电压信号，因此我们在CPU226主机上扩展EM231模拟量输入模块，接收0-10Vdc或4-20mA信号，测量拉索拉力测试时产生的拉力数据和拉索的总长尺寸和装配尺寸。在CPU226主机上扩展EM232模拟量输出模块，输出0-10Vdc电压信号，驱动行走电机控制器，控制电机的速度。上位机PC程序管理显示器，键盘鼠标等人机交流硬件和标签打印。工控机PC与PLC之間通过RS485串行口通讯，RS485采用差分信号负逻辑，在本系统中传输速率为19.2kbps，抗噪声干扰性好，传输距离可达1200m，在系统中可进行可靠、高效的数据传输。
图2.电气系统框架图
4.PLC编程
PLC编程可分为拉力控制、流程控制、模拟量采集、串口通讯等几个模块。
（1）拉力控制：软轴拉索拉力测试的关键技术指标为给定拉力下的产品伸长量和装配尺寸是否合格，对拉力的控制是PLC系统的核心任务之一。PLC软件采用PID闭环控制算法，拉力的给定值由工控机输入，过程变量由拉力传感器测量实际拉力值，以模拟量信号反馈至PLC输入模块，PLC根据给定值与过程变量输入值计算基本偏差（比例P），累计偏差（积分I），偏差信号变化率（微分D），最终计算出PID输出值，PLC根据PID输出值输出PWM脉冲信号，控制气动伺服阀调节气缸拉力，达到实测拉力值与设定拉力值一致的要求。
（2）流程控制：在实际生产过程的中，软轴拉索由于型号不同，其长度也不一样，所以生产使用前，必须先对待测拉索进行标定。标定过程也在拉力测试机上进行，测试机对标准样件进行测量，并将测行的结果记录在程序中，作为此批次产品的衡量标准。在程序设计时，在标准的生产流程外，也必须设计独立的标定流程。不同功能的流程可以设计成独立的PLC子程序，防止各流程间相互干拢。对于不需要测量装配尺寸的工艺，也可以设计成独立的子程序，便于对不同的子程序分别调节试拉次数和测试拉力。 （3）模拟量采集：模拟量的采集是通过传感器把待测量转化为标准模拟量信号送入PLC的模拟量模块，模块再把模拟量信号转化为数字量信号通过总线传送给CPU。在数字量量化为实测值时，拉力传感器、位移传感器的量程对应数字量32000，数字量与实测值呈线性对应关系。如果电子尺的量程為200mm，则数字量16000就对应长度100mm，24000就对应150mm。而我们的拉索长度一般都在2m左右，所以拉索实际尺寸是电子尺测量长度加电子尺0端至后夹座端头的直线长度。
（4）串口通讯：因7-200PLC内部数据存贮空间和打印驱动能力有限，为便于数据调用、标签打印和人机交流，计算机与PLC之间采用RS485总线连接。以Modbus协议进行通讯。S7-200PLC作为Modbus从站，计算机应用程序为Modbus主站。在标准西门子编程软件STEP7-Micro/WIN中没Modbus协议指令，使用时需要加载S7-200通讯库文件USSMODBUS。在通讯库文件调用Modbus从站协议，设置好通讯参数，计算机应用程序就可应用特定的功能码与PLC进行数据交换。
5.上位机编程
上位机软件的主要功能是设置、显示PLC参数，用户账号登陆，数据保存，测试结果打印等。上位机软件采用VisualC++程序设计语言开发，数据保存调用access数据库。因拉力试验机的实时控制由PLC完成，所以上位机软件只需在测试开始前设定PLC参数，在测试完成时调用测控数据，将其与数据中的标准值进行对比，做出是否合格的判定。并将其存贮在access数据库中。试验操作人员可以根据产品型号、序列号在数据库中查询产品的操作人员、测试时间、试验数据等信息。并可根据需要将其中一项或几项打印输出。方便测试人员对每个产品进行记录和标识。上位机软件编程重点在串口通讯程序，在程序中可以开辟专用线程来处理数据收发。串口通讯的数据贴必须严格按照Modbus协议进行编写，否则PLC数据较验错误码或功能码识别错误，都不能写出或读入正确的数据。
6.结束语
本文对基于S7-200PLC的拉力试验机实时控制系统进行研究，利用PLC可靠性高，实时性强，编程灵活方便，适应性广的特点。在拉力试验机的设计生产中既能提高产品控制性能，又能节省开发成本，提高开发效率。在计算机上位机软件的配合下，控制系统能高效地完成生产现场等测试任务。目前此系统已在国内有多家客户，产生了显著的经济效益。
参考文献：
[1]黄维通.VisualC++面向对象与可视化程序设计[M].清华大学出版社，2000.5
[2]乌慧霞，郭海森，何丽.卧式拉力试验机的研制及钢丝绳拉伸试验方法探讨[J].工程与试验，2011（51-B12）：39-41
[3]黄言强.PLC在卧式拉力试验机上的应用[J].工程与试验，2008（48-B12）：53-56
[4]西门子公司.S7-200可编程序控制器系统手册[R].2000.3.
关键词：拉力试验机；PLC；Modbus协议；数据打印
【分类号】：TP273
作者简介：周涛（1976——）男，汉族，重庆人，工程师。现任宁波韵升股份有限公司研究院主任工程师。主要研究方向：生产线自动化控制设计与改造；王辉：（1976——）女，汉族，黑龙江人，工程师。现任宁波方力科技股份有限公司技术部副经理。主要研究方向：塑料挤出机生产线自动控制技术。
1.引言
汽车配件产品都有非常严格的质量控制要求。车用软轴拉索在生产完成后，必须对每件产品进行拉力测试，测量钢丝绳在设定拉力下的总长尺寸和装配尺寸。对不合格产品进行分离，对合格产品进行标识，标明单个产品的测试时间，测试参数，以及产品质检信息。车用软轴拉索的检测是通过卧式拉力试验机实现的。拉力试验机的自动化程度的高低，直接影响了产品检测的效率。随着社会的进步，人力成本越来越高。拉力试验机也需要适应生产的需要，做到高可靠性，高适应性，高自动化，低成本等技术要求。在开发新一代拉力试验机时，针对继电器控制系统，单纯PLC控制系统不能进行大容量数据存贮，不能打印检测结果标签；而工控机加测控卡建立的系统在进行复杂的逻辑编程时，灵活性和可靠性较低。综合上述控制系统的优缺点，项目采用以西门子S7-200PLC为实时控制系统，以工控机为上位机操作系统，PLC与工控机之间采用Modbus协议进行通讯。S7-200PLC负责现场的数据采集，逻辑运算，现场设备控制。工控机则通过VisualC++程序设计语言开发的上位机软件，进行设定和显示PLC中参数。将检测结果信息存贮到数据库，进行测试结果的分析并驱动打印机，按设定的尺寸打印测试标签。充分利用各分系统的特长，可以组建高性价比的拉力试验机控制系统。
2.拉力试验机的工作流程
拉力试验机由主机框架，前夹座，后夹座，长度调节机构，拉伸测力机构，翻料机构等组成，在前夹座上装有行走电机，在后夹座和拉伸测力机构上分别装有直线位移传感器，用于测量拉索的装配尺寸和总长尺寸。主体结构如下图所示：
图1.拉力试验机结构示意图
拉力试验机的工作流程为：拉力试验机复位后，前夹座位于试验机的末端。第1步，操作人员将软轴拉索一端按入前夹座的U形槽内，前夹座上接近开关感应到拉索钢丝后，伸出气缸固定软轴拉索；第2步，前夹座上行走电机开始运行，拖动拉索向长度调节机构端运动。在前夹座接近长度调节机构时，电机减速，在机械缓冲的辅助下，前夹座与长度调节机构通过气缸锁紧机构固定在一起；第3步，操作人员将拉索的另一端压入后夹座的U形槽内，后夹座上接近开关感应到拉索钢丝后，伸出气缸固定拉索；第4步，拉索的两端固定后，气缸A开始动作，拉索开始接受拉力检测，拉力传感器测得的拉力达到设定拉力时，气缸B伸出，由位移传感器分别测量软轴拉索的总长尺寸和装配尺寸；第5步，气缸A、气缸B退回，前夹座与长度调节机构夹紧分离，前后夹座上的固定气缸退回；第6步，翻料机构自动翻料，将软轴拉索由拉力试验机工作台转移到存料台；第7步，行走电机退试验机末端，为下一个行程做准备。从上面的流程我们可以看出，整个测试过程需要人工干与的地方少，只需要把拉索的两端按入前后夹座，系统就能完成整个测试过程。而这个系统的实现，全依赖于成熟高效的西门子S-200PLC系统。
3.电气系统框架
电气系统主要由负责实时控制的PLC系统和负责人机交流、数据保存的计算机软件两部分组成。PLC系统相对独立地进行整个拉力试验机的过程控制。西门子S7-200系列PLC，CPU226主机自带16个数字量输出，24个数字量输入，可以满足现场操作按钮，限位开关，接近开关以及电磁阀等多种输入输出设备的控制要求。在拉力试验机中，拉力传感器和位移传感器都将测试数据转换为标准电流电压信号，因此我们在CPU226主机上扩展EM231模拟量输入模块，接收0-10Vdc或4-20mA信号，测量拉索拉力测试时产生的拉力数据和拉索的总长尺寸和装配尺寸。在CPU226主机上扩展EM232模拟量输出模块，输出0-10Vdc电压信号，驱动行走电机控制器，控制电机的速度。上位机PC程序管理显示器，键盘鼠标等人机交流硬件和标签打印。工控机PC与PLC之間通过RS485串行口通讯，RS485采用差分信号负逻辑，在本系统中传输速率为19.2kbps，抗噪声干扰性好，传输距离可达1200m，在系统中可进行可靠、高效的数据传输。
图2.电气系统框架图
4.PLC编程
PLC编程可分为拉力控制、流程控制、模拟量采集、串口通讯等几个模块。
（1）拉力控制：软轴拉索拉力测试的关键技术指标为给定拉力下的产品伸长量和装配尺寸是否合格，对拉力的控制是PLC系统的核心任务之一。PLC软件采用PID闭环控制算法，拉力的给定值由工控机输入，过程变量由拉力传感器测量实际拉力值，以模拟量信号反馈至PLC输入模块，PLC根据给定值与过程变量输入值计算基本偏差（比例P），累计偏差（积分I），偏差信号变化率（微分D），最终计算出PID输出值，PLC根据PID输出值输出PWM脉冲信号，控制气动伺服阀调节气缸拉力，达到实测拉力值与设定拉力值一致的要求。
（2）流程控制：在实际生产过程的中，软轴拉索由于型号不同，其长度也不一样，所以生产使用前，必须先对待测拉索进行标定。标定过程也在拉力测试机上进行，测试机对标准样件进行测量，并将测行的结果记录在程序中，作为此批次产品的衡量标准。在程序设计时，在标准的生产流程外，也必须设计独立的标定流程。不同功能的流程可以设计成独立的PLC子程序，防止各流程间相互干拢。对于不需要测量装配尺寸的工艺，也可以设计成独立的子程序，便于对不同的子程序分别调节试拉次数和测试拉力。 （3）模拟量采集：模拟量的采集是通过传感器把待测量转化为标准模拟量信号送入PLC的模拟量模块，模块再把模拟量信号转化为数字量信号通过总线传送给CPU。在数字量量化为实测值时，拉力传感器、位移传感器的量程对应数字量32000，数字量与实测值呈线性对应关系。如果电子尺的量程為200mm，则数字量16000就对应长度100mm，24000就对应150mm。而我们的拉索长度一般都在2m左右，所以拉索实际尺寸是电子尺测量长度加电子尺0端至后夹座端头的直线长度。
（4）串口通讯：因7-200PLC内部数据存贮空间和打印驱动能力有限，为便于数据调用、标签打印和人机交流，计算机与PLC之间采用RS485总线连接。以Modbus协议进行通讯。S7-200PLC作为Modbus从站，计算机应用程序为Modbus主站。在标准西门子编程软件STEP7-Micro/WIN中没Modbus协议指令，使用时需要加载S7-200通讯库文件USSMODBUS。在通讯库文件调用Modbus从站协议，设置好通讯参数，计算机应用程序就可应用特定的功能码与PLC进行数据交换。
5.上位机编程
上位机软件的主要功能是设置、显示PLC参数，用户账号登陆，数据保存，测试结果打印等。上位机软件采用VisualC++程序设计语言开发，数据保存调用access数据库。因拉力试验机的实时控制由PLC完成，所以上位机软件只需在测试开始前设定PLC参数，在测试完成时调用测控数据，将其与数据中的标准值进行对比，做出是否合格的判定。并将其存贮在access数据库中。试验操作人员可以根据产品型号、序列号在数据库中查询产品的操作人员、测试时间、试验数据等信息。并可根据需要将其中一项或几项打印输出。方便测试人员对每个产品进行记录和标识。上位机软件编程重点在串口通讯程序，在程序中可以开辟专用线程来处理数据收发。串口通讯的数据贴必须严格按照Modbus协议进行编写，否则PLC数据较验错误码或功能码识别错误，都不能写出或读入正确的数据。
6.结束语
本文对基于S7-200PLC的拉力试验机实时控制系统进行研究，利用PLC可靠性高，实时性强，编程灵活方便，适应性广的特点。在拉力试验机的设计生产中既能提高产品控制性能，又能节省开发成本，提高开发效率。在计算机上位机软件的配合下，控制系统能高效地完成生产现场等测试任务。目前此系统已在国内有多家客户，产生了显著的经济效益。
参考文献：
[1]黄维通.VisualC++面向对象与可视化程序设计[M].清华大学出版社，2000.5
[2]乌慧霞，郭海森，何丽.卧式拉力试验机的研制及钢丝绳拉伸试验方法探讨[J].工程与试验，2011（51-B12）：39-41
[3]黄言强.PLC在卧式拉力试验机上的应用[J].工程与试验，2008（48-B12）：53-56
[4]西门子公司.S7-200可编程序控制器系统手册[R].2000.3.