基于PLC的工程塑料自然环境-载荷应力联合作用装置控制系统开发.pdf

装 备 环 境 工 程 第 21 卷 第 3 期 138 EQUIPMENT ENVIRONMENTAL ENGINEERING 2024 年 3 月 收稿日期：2023-11-23；修订日期：2023-12-26 Received：2023-11-23；Revised：2023-12-26 引文格式：陈星昊,刘群,钟勇,等.基于 PLC 的工程塑料自然环境-载荷应力联合作用装置控制系统开发J.装备环境工程,2024,21(3):138-144.CHEN Xinghao,LIU Qun,ZHONG Yong,et al.Development of PLC-based Control System for Engineering Plastics Natural Environ-ment-load-stress Combined Action DeviceJ.Equipment Environmental Engineering,2024,21(3):138-144.基于 PLC 的工程塑料自然环境-载荷应力 联合作用装置控制系统开发 陈星昊1，刘群1，钟勇1，李念林2，张宸2（1.西南技术工程研究所，重庆 400039；2.海南万宁大气环境材料腐蚀国家野外科学观测研究站，海南 万宁 571522）摘要：目的目的 实现工程塑料自然环境-载荷应力联合作用装置的自动控制，以考核和验证工程塑料制品在环境-应力联合作用下的环境适应性。方法方法 基于 PLC 及物联网设备，设计开发控制系统硬件和软件。结果结果 成功模拟了工程塑料制品在湿热海洋和寒冷气候 2 种典型大气环境下的自然环境与外加载荷的协同损伤作用，并实时监控记录了相关试验参数与数据。结论结论 基于 PLC 的工程塑料自然环境-载荷应力联合作用装置控制系统有效地确保了试验装置的正常运行，并通过实时监控和数据记录，实现了对工程塑料制品环境损伤的深入研究和客观评价。关键词：工程塑料；环境试验；PLC 控制；环境应力耦合作用；环境损伤；物联网；组网控制 中图分类号：U467.5+25 文献标志码：A 文章编号：1672-9242(2024)03-0138-07 DOI：10.7643/issn.1672-9242.2024.03.018 Development of PLC-based Control System for Engineering Plastics Natural Environment-load-stress Combined Action Device CHEN Xinghao1,LIU Qun1,ZHONG Yong1,LI Nianlin2,ZHANG Chen2(1.Southwest Institute of Technology and Engineering,Chongqing 400039,China;2.Hainan Wanning National Observation and Research Station for Materials Corrosion in Atmospheric Environment,Hainan Wanning 571522,China)ABSTRACT:The work aims to achieve automatic control of the natural environment-load-stress combined action device for engineering plastics,in order to assess and verify the environmental adaptability of engineering plastic products under the com-bined action of environment and stress.The control system hardware and software were designed and developed based on PLC and IoT devices.The results successfully simulated the synergistic damage effect of natural environment and external loads on engineering plastic products in two typical atmospheric environments,humid hot ocean and cold climate,and had real-time monitoring and recording of relevant experimental parameters and data.The PLC based control system for the natural environ-ment-load-stress combined action device of engineering plastics effectively ensures the normal operation of the testing device,and achieves in-depth research and objective evaluation of environmental damage to engineering plastic products through real-time monitoring and data recording.KEY WORDS:engineering plastics;environmental testing;PLC control;environmental stress coupling;environmental dam-age;Internet of Things;networking control 第 21 卷 第 3 期 陈星昊，等：基于 PLC 的工程塑料自然环境-载荷应力联合作用装置控制系统开发 139 作为装备中重要的结构材料，工程塑料具有成本低、质量轻、比强度高、加工性好等特点，且应用范围越加广泛。近年来，随着工程塑料研制工艺不断发展，已经成为装备上应用成熟的构件，科研人员对工程塑料在服役使用过程中的性能变化研究也在不断推进1-3。随着工程塑料应用的规模化，其使用过程中存在的老化、性能下降等问题也逐渐暴露，如不加防护措施，甚至会造成工程塑料产品失效，导致巨大损失，对装备服役期间的使用造成极大的隐患。如海湾战争中，在大规模沙漠演习中美军某型自动火炮塑胶过滤器融化，对装备服役造成影响4-6。为在装备设计定型阶段就充分掌握大规模使用的工程塑料在实际服役工况下的环境适应性损伤变化情况，亟需一种可模拟工程塑料同时受自然环境因素与载荷应力耦合作用的试验手段。我国在 20 世纪 50 年代起就已经开始相关研究，积累了一些数据资料，其中影响力较大的试验项目包括：19871989 年，广州电器所的阮裕尧等在海拉尔试验站的天然低温寒冷气候暴露试验场，针对 30个牌号的工程塑料开展了近 2 a 的寒冷气候环境户内外自然暴露试验，分析了低温环境对工程塑料及典型结构件的影响，取得了一些研究成果；19881998年，西南技术工程研究所在我国江津、海南、碾子山3 个试验站针对 9 种常用工程塑料开展了为期 10 a 的自然环境暴露试验，给出了常用工程塑料在自然环境条件下外观性能和强度性能的变化规律；19982001年，昆明电器科学研究所在 5 处高原试验点针对 7 种工程塑料开展了自然大气暴露试验，研究了高原环境条件对工程塑料劣化影响的规律；2010 年以来，航空行业依托西南技术工程研究所的海南万宁试验站，对通用工程塑料等材料体系开展了自然环境验证试验，重点研究了工程塑料材料件及典型结构件的拉、压、弯、剪、抗冲击等性能变化规律。上述研究内容涉及工程塑料材料及典型结构件的环境效应与评价，使工程塑料环境适应性设计数据资源缺乏的局面得到改善，研究成果对于推动工程塑料在武器装备上的应用发挥了积极作用。但这些研究对工程塑料的试验与验证大多采用传统静态暴露试验方法或实验室试验方法来获取性能退化规律，没有考虑实际服役条件下使用环境和载荷环境对工程塑料结构的耦合作用，不能完全再现工程塑料承力构件的损伤类型和失效模式。本试验装置在研究工程塑料的环境适应性时，同时考虑了材料所受的环境因素与载荷应力的影响，在模拟真实环境方面，通过选取不同自然环境及对工程塑料施加协同多方向的载荷应力，兼顾环境与载荷应力耦合作用7-8。可编程逻辑控制器 PLC 作为一种广泛应用于工业环境的控制器9-11，在执行顺序、逻辑运算等方面有较强优势。本试验装置采用集散式控制结构，在暴露现场的试验装置上部署 PLC 控制器，以实现现场装置使用其控制不同方向上载荷应力施加电机7,12，采集力传感器、控断裂传感器等数据实时监控试验进度。另一方面，大多数试验装置不具备远程操控功能，只能现场控制，试验人员操作繁琐、不方便。本试验装置的上位机通过 TCP/IP 协议的以太网与本地 PLC 控制器通讯13-14，远程统一调度下位的 PLC，以达到本地与远程均可对工程塑料自然环境载荷应力协同作用试验进行监控的效果15-17。针对前人研究内容的不足，本文设计出一套工程塑料自然环境-载荷应力联合作用装置，并基于 PLC设计了一套远程控制系统，实现了试验装置状态的实时监控、试验参数的远程设置。相较于传统的人工往返控制，读取数据等操作，极大提升试验效率，保障了试验和人员的安全，具备较强的通用性。1 控制系统硬件设计 控制分为现场控制和远程控制18-20，现场电气控制部件由具有以太网连接功能的 PLC、路由器、继电器、力传感器、交流接触器、电机编码器、变频器以及各种电气元件构成21-23，安装于具有双层结构的电气控制箱内，避免日晒风吹。远程控制采用计算机、光电转换器、光电交换机等。光电转换器和光电交换机将试验装置 PLC 输出的电信号（即试验装置各电机运动频率数据及试样处力传感器数据等），使用具有以太网模块的 PLC 通过网络传输设备传输至室内实验室的计算机上24-26。待样品加载完毕后，首先接通户外电控箱电源，然后将电控箱空气开关从左至右依次合闸通电如图 1 所示。待各电气设备依次启动后，开启电脑进行试验，试验装置强电电气原理如图 2 所示。图 1 控制系统硬件布局 Fig.1 Control system hardware layout 2 控制系统软件设计 2.1 现场控制软件 现场控制主要采用触摸屏进行控制，对试验装置各项参数进行设定后按程序执行。按上述步骤接通电源后，触摸屏将显示启动界面，如图 3 所示。在图 3 140 装 备 环 境 工 程 2024 年 3 月 图 2 试验装置强电电气原理 Fig.2 Schematic diagram for strong electrical power of test device 图 3 现场控制触摸屏软件启动界面 Fig.3 Startup interface of on-site control touchscreen software 所示界面中，点击“1-2 组”可进入 1、2 组试验装置设置界面。同理，后续试验装置可点击相应组类顺序，进入相关试验设备设置界面，进行各种功能的设置及选择。在屏幕底部有“开关机时间设置”“曲线记录”“系统参数”“监控界面”等，点击进入系统后，默认进入试验设备监控界面，如图 4 所示。在试验设备触屏监控界面中可以看到，该装置试验功能繁多，在组内可单独使用弯曲加载、疲劳加载，也可进行拉弯同时加载。本试验设备特点是多点协调 图 4 现场控制触摸屏软件监控画面 Fig.4 Monitoring screen of on-site control touch screen software 第 21 卷 第 3 期 陈星昊，等：基于 PLC 的工程塑料自然环境-载荷应力联合作用装置控制系统开发 141 加载，可对 30 件样品同时进行试验，也可单独使用其中 1 个单元，此界面下可观察 12 号加载单元样品的试验数据。在图 3 试验装置监控界面中，显示装置的运行状态与各项工况，如弯曲加载运行时间、弯曲加载间隔时间、疲劳载荷运行时间、疲劳载荷间隔时间、弯曲加载电机停止位置、弯曲加载频率、疲劳载荷频率、疲劳加载力、弯曲加载力、弯曲功能开关、疲劳功能开关、弯曲加载电机手动参数、疲劳加载电机手动参数、自动控制状态指示灯、手动状态指示灯等。同时，监控界面还可显示触控屏与 PLC 和力传感器的通讯情况。点击相应控制区，并输入相应数值，可以对相关参数进行设置，进行弯曲电机及疲劳加载电机的工作时间与间隔进行控制，进而可以实现试样所受弯曲加载与疲劳加载受力频率与大小的调节。另外，在本界面下，可以观察到试样的试验情况，显示“正常”表示样品完好，显示“试验结束”表示该单元加载样品已断裂，应及时取样分析。在试验装置自动运行时，时间为重要参数，可以控制试验装置的启停时间，故在试验装置运行之前，应进行试验装置 PLC 控制器的时间校准（如图 5 所示），可以在系统设计界面中进行时间校准。在时间校准后，点击底部“开关机时间设置”，可进入试验装置开关机设置界面（如图 6 所示），分别对各个试验组 图 5 现场控制触摸屏软件系统参数界面 Fig.5 System parameter interface of on-site control touch screen software 图 6 现场控制触摸屏软件开关机时间设置界面 Fig.6 Power on and off time setting interface of on-site con-trol touch screen software 进行开关机时间设置，点击对应区域并输入数值即可。2.2 远程控制软件设计 为解放试验人员，减少在暴露场现场控制的次数，以及提高试验效率和保证试验数据准确性，需要在室内的实验室部署远程控制部件。实验室远程控制部件包括计算机、光电转换器、光电交换机等。光电转换器和光电交换机将试验装置 PLC 输出的电信号（即试验装置的弯曲和疲劳加载数据等）传输至室内实验室的计算机上，实现对工程塑料自然环境-应力协同试验装置弯曲和疲劳加载的实时监控，以及试验装置相关系统设置等功能。通过远程控制技术，将试验设备转移到了室内实验室，大大减少了试验人员的工作负担和环境因素对试验的影响，同时便于科研人员及时发现和解决试验过程中可能出现的问题，确保试验的准确性和安全性。在长距离数据传输方面，采用 TCP/IP 协议与现场有线连接，提高了数据传输的稳定性和安全性，同时也降低了布线的难度和成本。结合具有以太网模块的 PLC 可以对 8 个 PLC 所对应控制的 30 个加载单元进行远距离监控与控制，提高了试验的效率和灵活性。在远程控制中，通过 TCP/IP 协议与现场电气控制部件的有线网络是实现试验装置远距离控制的关键技术。远程控制的逻辑示意图如图 7 所示。通过各试验加载单元所安装的传感器，将信号传输至所对应的 PLC 控制器，然后通过有线连接将信号传输到 4号电箱所在的路由器，通过地下铺设有线网络，将信号传输至办公室实验室中计算机，以实现试验设备的远程控制。图 7 基于物联网的组网控制 Fig.7 Schematic diagram of networking control based on Internet of Things TCP/IP 协议是指能够在多个不同网络间实现信息传输的协议簇，其由网络层的 IP 协议和传输层的TCP 协议组成。其定义了电子设备如何连入因特网，以及数据如何在它们之间传输的标准。给室内实验室的计算机、8 个 PLC 控制器分别配置 9 个 IP 地址，9个 IP 地址以及 PLC 控制器所下辖加载单元所对应的设备名称见表 1。142 装 备 环 境 工 程 2024 年 3 月 表 1 试验设备 IP 地址对应表 Tab.1 Mapping table of IP addresses of test equipment IP 地址 设备名称 PLC 所控制加载单元 192.168.1.16 实验室计算机 N/A 192.168.1.17 1 号 PLC 1、2 加载单元 192.168.1.18 2 号 PLC 3、4、5、6 加载单元 192.168.1.19 3 号 PLC 7、8、9、10 加载单元 192.168.1.20 4 号 PLC 11、12、13、14 加载单元192.168.1.21 5 号 PLC 15、16、17、18 加载单元192.168.1.22 6 号 PLC 19、20、21、22 加载单元192.168.1.23 7 号 PLC 23、24、25、26 加载单元192.168.1.24 8 号 PLC 27、28、29、30 加载单元 每台试验设备均有唯一 IP 地址，保证了数据传输的准确性，也更加便于试验装置的网络逻辑管理。先进可靠的数据传输和处理技术，可以确保数据的准确性和可靠性，为工程塑料制品的环境损伤研究提供 有力支持。实验室计算机人机交互程序是使用“组态王”进行编写，远程控制软件界面如 811 所示。该远程控制软件适用范围广，可移植性强，不仅适用于工程塑料的试验，还可以应用于其他需要远程监控和控制的应用场景。图 8 远程控制软件初始界面 Fig.8 Initial interface of remote control software 图 9 远程控制软件监控界面 Fig.9 Monitoring interface of remote control software 图 10 远程控制软件系统参数界面 Fig.10 System parameter interface of remote control software 第 21 卷 第 3 期 陈星昊，等：基于 PLC 的工程塑料自然环境-载荷应力联合作用装置控制系统开发 143 图 11 远程控制软件监控时间设置界面 Fig.11 Monitoring time setting interface of remote control software 3 结语 基于 PLC 设计的工程塑料自然环境-载荷应力联合作用装置控制系统，结合物联网技术，为工程塑料的实验研究领域带来了革命性的变革。该系统不仅实现了试验装置的远程控制和实时监控，还通过数据共享和存储，为科研人员提供了更加便捷和高效的研究工具。该系统的设计和开发充分考虑了试验的准确性和可靠性，通过实时监控和数据采集，确保了试验数据的准确性和一致性。同时，该系统还具有强大的数据处理和分析功能，可以对试验数据进行实时分析和处理，为科研人员提供了更加准确和可靠的研究结果。此外，该系统还具有强大的可扩展性和可定制性，可以根据不同的实验需求进行定制和扩展，满足科研人员对于不同实验场景的需求。同时，该系统还具有友好的用户界面和操作方式，方便科研人员进行操作和管理。未来，随着技术的不断进步和应用需求的不断变化，该系统还有望进一步发展和完善，为工程塑料的研究和发展提供更加全面和高效的支持。参考文献：1 杨小奎,张伦武,张世艳,等.塑料大气环境老化预测模型研究J.装备环境工程,2019,16(3):30-36.YANG X K,ZHANG L W,ZHANG S Y,et al.Aging Prediction Model of Plastic Exposed in Atmosphere En-vironmentsJ.Equipment Environmental Engineering,2019,16(3):30-36.2 宣卫芳.装备与自然环境试验基础篇M.北京:航空工业出版社,2009.XUAN W F.Equipment and Natural Environment Test Basics M.Beijing:Aviation Industry Press,2009.3 汪学华.自然环境试验技术M.北京:航空工业出版社,2003.WANG X H.Natural Environment Test TechnologyM.Beijing:Aviation Industry Press,2003.4 LIU H,ZHOU M Y,ZHOU Y L,et al.Aging Life Predic-tion System of Polymer Outdoors Constructed by ANN.1.Lifetime Prediction for PolycarbonateJ.Polymer 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