静重式力标准机自动控制系统的研制

1 引 言

    力值计量单位 N（牛顿）是质量的导出量单位，质量是七个基本物理量中唯一用实物砝码复现量值的基本物理量，因此力值也是采用实物砝码复现量值的物理量[1]。力值以标准砝码在特定的环境所受的重力来复现，可以获得较高的准确度。目前，世界各国均采用静重式力标准机作为量值溯源基准[2]，用该方法复现力值的标准被称之为静重式力标准机（Deadweight Force Standard Machine，简称 DWM）。针对 IO 点数多、逻辑控制复杂、不易监视和进行故障诊断的静重式力标准机，其自动控制系统可以采用 PC（Personal Computer）作为上位机进行集中控制管理，PLC（Programmable Logic Controller）作为下位机来实现对执行装置的电气控制的系统结构。该系统不仅可以充分发挥 PC 和 PLC 各自功能上的特点，而且系统的开发周期短、成本低，完全可以满足可靠性、灵活性、可扩展性等方面的要求[3-5]。

2 1 MN 静重式力标准机的结构组成与工作原理

    该设备由主机、液压系统、控制系统和操作系统4 个部分组成，结构原理如图 1 所示。静重式力标准机由标准砝码在特定地点产生的重力复现力值，工作时将被检传感器置放于动横梁上，驱动动横梁上升将吊挂顶起到达工作位置，根据工作传感器的量程选定砝码组合，由连接在主油缸上的提升吊杆和小转角提起砝码，将对应的大转角转出，主油缸下降即将选定的砝码落到中心吊杆上，砝码产生的重力即通过中心吊杆和吊挂加载到被检传感器上，实现了标准力值的复现。由于静重式力标准机制造费用很高，为提高设备利用率，一般力值超过 10kN 的标准机都采用多种力值砝码来组合出尽可能多的力值量程[6-8]，这就要求标准机在加卸载过程中交换砝码，即每层大转角和小转角的转出/转入都单独可控，因此大大提高了设备控制系统的复杂程度。针对静重式力标准机控制系统的特点，采用以 PLC 控制器控制系统的各个动作指令以及采集开关信号，PC 计算机为控制管理单元开发了一套控制系统，示意图如图 2 所示。

3 PLC 的逻辑设计

    PLC 可编程逻辑控制器在静重式力标准机主要承担了两个功能，一是根据控制计算机发出的控制指令实现对设备各执行机构的具体控制，另外监测设备上各位置开关的开闭信息，反馈给控制计算机。由于 PLC 具有一定的逻辑功能，根据静重式力标准机的实际工作情况，设计了必要的逻辑联锁，防止在控制计算机发出错误指令时设备执行危险动作，保障设备安全运行。

3.1 吊挂到位

     吊挂装置是一套反向架装置，它可将砝码的重力传递到被检传感器上，闲时吊挂是靠一对吊耳挂在标准机的上横梁，工作时，驱动动横梁上行，让被检传感器将吊挂顶起脱离上横梁，到达工作位置，然后进行砝码的加卸载动作。吊挂的吊耳不能承受砝码的重力，所以，吊挂上升到位信号是其他所有执行动作的必须条件，如果在吊挂的非工作状态加载砝码，则可能拉断吊耳，造成重大事故。因此，必须在有吊挂到位的信号前提下，其他执行机构才能动作。