基于PLC的拉力试验机电控系统
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2021年第1
期（总199期）
CFHI
**************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-BasedElectricalControlSystemforTensileTestingMachinesSunShengbin
Abstract:ThetensiletestingmachinewithitsPLC-basedelectricalcontrolsystemcanofferhighercontrolaccuracybymeansofproportionalvalvesthatregulatespressureinmultiplehydrauliccircuitstosynchronizetensileforce.TheHMIscanbeusedtostoretestplansandtestdataanddisplayreal-timetensileforceinformoftendencycharts.Thetrialofthetestingmachineprovesthatthemachinecangiveaccurateoutputsandworkeasilyandstably.Keywords:tensiletest;hydraulicsystem;controlsystem;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/T3159-2008》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-Programmer4.0。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110.3969/j.issn.1673-3355.2021.01.017
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**************ELECTRICALDRIVE&AUTOMATION
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PLCD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
取某级拉力数据
增压
斜坡延时
保压延时
达到测试等级？所有支路均达到力值？开始
结束YYN
N
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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1MP2MP3MP4MP5MP6MP7MP8MP9MP1113422273321441455076600769387869879278915442300
3
05538114566532260776832
拉力点1MP2MP3MP4MP5MP6MP7MP8MP9MP1115822563358445655206650773788259931280415752318
3
09538394610535460976868
拉力点1MP2MP3MP4MP5MP6MP7MP8MP9MP10.0210.0130.0110.0100.0020.0080.0060.004
0.00520.0190.0200.0080.0130.0070.0100.0060.0030.005
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[1]全国试验机标准化技术委员会.液压式万能试验机GB/T3159-2008[S].北京:中国标准出版社,2008:3-4[2]杨国太,刘旭,卢荣胜.小尺度试件材料力学性能测试拉伸机系统
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