备在经受高速撞击时，材料性能会呈现出多种特征，短时间的强载荷会使材料内部原本不均匀的细小结构或缺陷被激活，形成损伤和破坏。在经受中低速撞击时，材料性能不至于发生显著的变化，但撞击物的巨大动能会引起设备超大变形、屈曲、断裂, 甚至崩塌，造成灾难性事故。 因此，对材料结构耐撞性实验研究非常重要。 DHR1205落锤式冲击试验机具有很好的可重复性，可用于模拟该项撞击过程，为事故的预防提供有效地参数依据。因此有效地控制该落锤式冲击试验机的测量精度可大大提高测量参数的准确性。

DHR1205 落锤式冲击试验机高达30 m，落锤最大提升高度为28 m，相应的撞击速度最高可达23.5 m/s，能满足大范围内低速撞击试验的要求。落锤质量可在15～ 1000 kg范围内调整，与不同高度匹配，可满足大冲击能量输入的要求。鉴于实验的要求精度，需要对落锤的提升高度和下落速度准确控制。

图 触摸屏参数设置画面

系统原理及构成

DHR-1205型落锤式冲击试验系统由西门子可编程控制器S7-200作为控制器，由变频器控制提升速度，通过触摸屏和上位机来设定提升高度以及变频速度的值，并且显示设备运行状态来控制设备运行。通过激光测距仪所测得的提升高度来控制变频器的停止。设备要求在落锤下落中高度5 cm之内测量并显示其速度。

系统采用7.5 kW卷扬机用于提升落锤高度，相应驱动设备选择台达VFD-B系列7.5 kW变频器，PLC选择S7-200系列CPU为224XP晶体管输出，扩展模块为EM221，通信模块为EM277，触摸屏为SMARTLINE700，其他低压电气元件为西门子系列。采用激光测距仪作为提升高度的测量，采用两个光纤传感器分别作为计算冲击速度所用时间的开始点和结束点。

控制系统的实现

系统由触摸屏、工控机或者操作台按钮来发布运行命令，相互之间通过转换开关切换，由程序控制三者不能同时操作。触摸屏和工控机可以显示和设定提升高度、设定高度、变频速度、冲击速度，如图所示，所有数据交换都是通过PLC的CPU进行。对于高度的采集通过激光测距仪来实现，设备要求高度精度为1 mm，激光测距仪精度可以实现1 mm，如何让PLC准确采集呢?激光测距仪与CPU之间的连接可以有两种：通过EM235模块采集4-20模拟量输入，也可以利用CPU自由口通过485的通信方式将数字信号传给CPU。由于PLC与变频器安装在同一操作台里，虽然模拟量输入采用屏蔽电缆，变频器在运行时，仍然造成模拟量的较大范围抖动。由于测距仪输入的模拟信号用来判断提升停止，该信号的大幅度抖动无法实现与设定高度的比较，也就无法实现准确停止。因此采用了通过485通信方式实现。触摸屏与CPU通过EM277实现MPI通信，工控机与CPU为PPI通信。

激光测距仪与CPU之间采用MODBUS-RTU协议，波特率9600，无奇偶校验位，8位数据位，1位停止位。CPU作为MODBUS主站，激光测距仪作为MODBUS从站。程序调用S7-200中的Modbus RTU 主站协议库。根据测距仪给出的MODBUS地址，数据存放在保持寄存器中。第一扫秒周期，复位各标志位，初始化Modbus主站通信，Modbus 主站初始化完成后，启动读写指令，设置读模式0，读取从站起始地址以40001起始的10个字，存放到VB1000起始的10个字，读取从站保持寄存器的数据，通信请求执行完成，复位MBUS_MSG指令的触发位;同时，启动延时定时器，其目的是使MBUS_MSG指令的触发位复位后，在下一个周期能够被再次触发。

冲击速度的测量采用v=s/t获得，距离设备已经固定为50 mm，此时由于落锤下落速度较快，对时间的测量需要以微秒为单位，但S7-200中定时器的最小时基为豪秒，无法满足要求。在CPU的高速脉冲输出可以输出脉冲周期是微秒的脉冲。因此，采用下落过程中时间的测量采用高速计数器，用来计算占空比为50%的PWM高速脉冲输出个数，脉冲个数乘以脉冲周期即得所用时间。采用CPU224XP的100 KHz的高速脉冲输出，可以得到脉冲周期为10 μs的高速脉冲，这样可以满足测量要求。对于高速计数器来说，只有I0.3、I0.4、I0.5输入点可以接收这么高速的脉冲信号，结合控制要求选择I0.3作为高数计数器输入，计数器选择HSC4。当第一个光纤传感器动作时启动高速计数器计数，第二个光纤传感器动作时结束高速计数器计数。

变频器的停止是靠PLC判断是否到达设定高度，通过CPU读取的激光测距仪的提升高度值与设定的提升高度值比较，当二者相同时给出变频器停止信号。采用西门子PLC与激光测距仪的MODBUS通信，有效地避免了变频器启动时对模拟量的干扰，使得测量精度更可靠，多次测量后发现，MODBUS通信传输的数字量抖动只有1 mm。这样使得变频器的停止更为精确。

采用PLC自身发出的高速脉冲信号作为时间计量单位，有效地克服了PLC定时器只能计量毫秒单位，同时充分利用PLC的高速计数和高速脉冲输出功能，扩展了其应用范围。实际测量中如果将高速脉冲的脉冲周期改为6 μs，也可实现脉冲输出。

落锤试验控制系统的设计减少了硬件设备的投入，操作和维护更为方便，较大限度的提升了西门子PLC的应用空间，大大提高测量精度和测量稳定性，对进一步的改进奠定了基础。