基于数据采集卡的杠杆式力标准机自动化改造

　　1　引言

　　杠杆式力标准机作为力值传递的标准计量设备,广泛应用于力学计量、衡器、冶金等部门。国内各级计量部门目前使用的杠杆式力标准机大都是70年代设计制造的,其控制系统由大量分立元件、机械式继电器以及限位开关组成。由于机械触点较多,加之年代久远、元器件老化,设备的可靠性不高。另一方面,受当时技术条件所限,此类设备在使用过程中只能进行手动操作,工作效率较低,已不能适应现代计量测试的求。在此背景下,我院与南京航空航天大学合作,对我院一台60kN杠杆式力标准机进行了自动化改造,取得了良好的效果。

　　2　杠杆式力标准机自动化改造的现状

       国内各兄弟单位早期对杠杆式力标准机的改造多采用以开关量模板取代传统分立元件的方法,这种方法侧重的是以新的控制系统替代陈旧老化的控制电路,提高系统的可靠性,并不能完成复杂的检测流程。近年来,以可编程逻辑控制器(PLC)为控制核心对杠杆式力标准机进行自动化改造的案例较多。PLC本身在灵活性、可靠性方面有很大的优势,在工业自动化领域也有着广泛的应用。但PLC主要面向开关量的控制,为了适应PLC的这种特性,需采用大量光电开关等器件将砝码的位移、杠杆的平衡位置以及加荷平面的位置转换为开关量。一方面,器件的增多一定程度上降低了系统的可靠性和应对系统变化的能力;另一方面,力标准机在运行过程中需要对各部件的位置进行实时的监控,以完成一些复杂的控制动作检测流程,这是PLC很难做到的。因此,这种方法在严格意义上只属于半自动化改造。

　　3　系统的硬件组成及特点

　　我院改造后的杠杆式力标准机的控制主要由IPC-610工控机及数据采集控制卡PCI-1710HG、差动变压器式位移传感器(LVDT)、I/O接口板、交流变频器、监控传感器、2000F负荷测量工控表组成(如图1所示)。系统的核心PCI-1710HG是一款PCI总线的多功能数据采集卡,具备12位A/D转换、D/A转换,数字量输入,数字量输出及计数器/定时器功能。该采集卡性能强大,在满足目前检测需要的前提下,还具备进一步升级系统的潜力。

　　通过数据采集卡的4路差分模拟量输入,工控机可获得各LVDT的精确信号,从而实现对杠杆平衡状态,大、小砝码托盘位置,加荷平台位置的实时监控。随后,数据采集卡通过I/O接口卡(实现强-弱电的隔离与转换)控制相关电机的运转,使标准机各部件运动至指定点。在检测过程中,为降低砝码加载过快导致的晃动及对杠杆刀口的冲击,在系统中增加了变频器来控制电机的运转速度。在实际检测过程中,系统可以先高速运行,在逼近检测点时再慢速运行,实现了检测效率和量值稳定的统一。