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摘要：随着液压技术、自动控制理论、微型计算机技术、测量测试技术、数字信息处理、可靠性技术的发展，液压计算机辅助测试(CAT)也向着高速、高效、高精度、智能化、多功能化的方向发展。通过STEP7软件对PLC进行了硬件组态和软件编程，运用SCADA软件WinCC在工控机和触摸屏上设计了良好的人机界面，最终实现了试验的全自动和半自动两种控制方式。实际使用结果表明，该测试装置可以高效地完成对被试液压元件的测试。
关键词：液压综合测试装置；分布式控制；PLC
对液压测试装置的可移动性要求，采用了模块化设计方法，把测试装置分为两大模块:动力源及试验模块和辅助油源及控制模块。整套装置通过合理布局，分布于两个密封舱内，可以通过吊装和运输从陆地移动到所需的海上钻井平台。电控系统采用工控机和触摸屏作为上位机，PLC作为下位机，其中PLC采用“主站+从站”的分布式控制方案，实现了电控系统接线的简化。
一、液压测试系统可移动性设计
该套液压综合测试装置主要应用在海上石油钻井平台，因此，必须使试验装置具有可移动性，以实现从陆地运送到海上石油钻井平台或者在平台之间进行运输。传统的维修测试装置固定于实验室或者车间，不便搬运，目前已有一些可移动的液压试验装置出现，但大都是采用万向轮[1]，其功能都较为单一，不满足该项目对于可移动性的要求。为了实现该项目对于可移动性的要求，对该套装置的硬件系统进行了模块化设计，把整套测试装置经过合理的功能划分和布局，分布在两个密封舱内:动力源及试验密封舱、辅助油源及控制密封舱，密封舱是特殊定制的集装箱，可以防止在海上船舶运输过程中海水浸入，并具有高度的防海水腐蚀性能。两个密封舱之间油液的交换以及通信通过航空插头来实现，包括电气航空插头、通信航空插头以及液压快速接头，接头拆开时通过密封端盖实现对内部元器件的保护。动力源及试验模块具体包含柴油机及其调速装置、液压泵试验台架、液压马达试验台架、液压缸试验台架、试验控制加载集成块、试验主液压油箱、辅助输送电机泵组、低压辅助油源电机泵组、监控摄像头、转矩转速仪、测试传感器等。辅助油源及控制模块主要包含:辅助油源系统和电气控制室。其中，辅助油源对油液进行循环过滤、冷却与加热，该系统具体包括试验副液压油箱、辅助输送电机泵组、过滤冷却加热泵组、油冷机组、监控摄像头、测试传感器以及其他附件。电气控制室对泵、马达以及缸试验进行操作和监控，电气控制室由电气操作台、计算机工作台、视频监控台组成。如图所示。
二、分布式电控系统硬件设计
液压综合测试装置的电控系统采用“上位机+下位机”的控制策略，上位机由工控机+触摸屏组成，下位机选用PLC作为主控制器。电控系统的下位机PLC是进行试验控制的核心，直接对底层传感器、仪器仪表进行数据采集和控制，同时PLC还需要与按钮操作台、工控机和触摸屏进行通讯。如果PLC的CPU及其信号模块置于动力源及试验密封舱内，虽然PLC与该密封舱内的流量计、温度计、压力传感器等元器件的接线可以方便进行，但是PLC与辅助油源及控制密封舱的的电机起动-控制器、接触器、按钮操作台上的按钮、电位计以及工控机和触摸屏的接线将会因为需要穿过两个密封舱而变得复杂;如果反过来把PLC置于辅助油源及控制密封舱同样会顾此失彼。因此，为了解决由于可移动性带来的这个问题，下位机PLC选用SIEMENS的S7-300系列PLC，并选用其分布式I/OET200M，组成下位机的主站和从站，主站由CPU模块、电源模块以及与辅助油源及控制密封舱内被控元器件进行通信的信号模块组成，安装于操作室内的操作台内;从站由IM153-4接口模块、电源模块以及与动力源及试验密封舱内被控元器件进行通信的信号模块组成，并置于该密封舱内的配电柜内，主站与从站的通信采用PＲOFINET协议实现，只需一根网线就可以实现两个集装箱之间的数据交换。通过下位机与被控对象之间的合理布局，不仅极大地减少了布线的长度和复杂度，节约了安装空间，还保证了信号传递的质量。
三、软件系统设计
1、下位机软件设计。根据实际需求，该测试装置需要进行开式定量泵试验、开式变量泵试验、开式马达试验、闭式泵-马达试验以及液压缸试验。其中，定量泵又分为齿轮泵、叶片泵、轴向柱塞泵，变量泵分为叶片泵和轴向柱塞泵，马达分为齿轮马达、叶片马达以及柱塞马达。根据不同的被试泵、被试马达和液压缸，依照各自出厂试验的国家标准，共需进行总计12个试验项目，79个试验子项目。由于该测试装置需要根据不同的选择进行不同的试验项目，下位机PLC程序的编写采用模块化编程。首先，本研究通过启动组织块OB100对S7-300进行暖起动，暖起动时过程映像和不保持的定时器、计数器以及标志存储位被清除，然后程序从循环处理主程序OB1开始循环处理。OB1根据不同的试验要求，调用不同的功能FC，不同的功能FC则根据不同的试验项目调用不同的功能块FB。这样可以提高下位机CPU的利用率并便于程序的调试和修改。
2、上位机软件设计。将WinCC安装于工控机上。作为组态软件中的优秀代表，WinCC功能强大，采用了类似资源浏览器的窗口结构，易于进行人机界面的组态。在WinCC中创建项目之后，首先需要组态变量。变量分为外部变量和内部变量。其中，内部变量的使用不受限制，但是外部变量的使用需要购买授权。因此，本研究根据上位机控制的PLC的变量个数来确定需要购买的WinCC外部变量的点数。根据试验步骤和试验要求并考虑要一定的余量，该项目共购买外部变量授权512个。内部变量的建立比较简单，而对于外部变量的建立必须先要安装通讯驱动程序并建立逻辑连接。在建立完外部变量之后就可以进行过程画面的组态。该任务的完成主要依赖于WinCC中的图形编辑器。基于操作方便及界面美观、简洁的原则，本研究根据试验项目和试验步骤，对过程画面进行组态。在画面组态中，系统通过连接之前建立的外部变量实现画面中的按钮或控件与PLC的连接。画面之间的切换通过创立直接连接或者借助于脚本语言来进行动态化。在工业控制系统中，安全是重中之重的考虑因素，通过报警系统，可以通知操作员在试验过程中发生的故障和错误消息，用于及早警告临界状态并避免停机或缩短停机时间。因此还需要组态报警。在WinCC中报警记录编辑器被用于组态报警。报警记录器分为两个组件:组态系统和运行系统。最后，笔者通过WinCC自带的报表编辑器组态了报表系统并通过打印机来输出报表。如图所示。
四、测试装置使用分析
该液压综合测试装置最终实现了在两个密封舱内的布局和功能实现，两个密封舱均为长、宽、高是5000×2600×2438的定制集装箱，每个集装箱的重量均不超过7t，无论从尺寸还是重量上均满足对装置吊装和运输的要求，能够实现从陆地到海上平台以及海上平台之间的方便运输。如图所示。
该液压综合测试装置对额定转速为1000r/min，额定压力20MPa，排量160ml/r，最低许用转速500r/min的定量柱塞泵进行了出厂试验，分别包括跑合试验、排量试验、容积效率试验、总效率试验、超载性能试验以及外泄漏检查。
通过采用工控机和触摸屏作为上位机，运用分布式的设计思想，PLC主站和从站作为下位机，分布于两个密封舱内，采用Profinet作为上下位机通信协议，利用WinCC组态软件编写了良好的人机界面，使得整套设备实现了自动和手动两种操作方式，提高了生产检验效率，减少了因吊机故障造成的经济损失。
参考文献
[1]江灏，王庆丰.液压综合试验平台的PLC实时测控系统[J].机床与液压，2013，35(1):182-184.
[2]李辉.多功能液压试验台的开发和研究[D].武汉:华中科技大学机械科学与工程学院，2012.
[3]徐先懂，于明清.基于VB的计算机与PLC通信在液压综合测试系统中应用[J].机电工程，2014，21(5):5-8.