力标准机是力学计量中对各种力传感器、测力仪和称重传感器进行检定或测试的设备，它通常分为静重式、杠杆式、液压式、叠加式等类型。力值不确定度主要取决于砝码质量的不确定度、安装地点重力加速度的测量不确定度、砝码和空气密度的测量不确定度，同时还与砝码的稳定性、加卸方式及机器的结构有关。本文提出了一种杠杆式力标准机电气控制系统的设计方案，依照此方案改造成功的力标准机EEI-6已经应用于实际工作中。

一、系统总体结构

本文涉及的研究内容:力值、位移自动测量技术和可编程控制器(PLC)编程控制技术；编制电气控制应用软件，研发设计力标准机电气自动控制系统，实现对整机的自动控制；采用计算机进行总体控制，用位移传感器代替LC模拟平衡指示表；自行研发数字式显示系统，用以显示被检测力计示值；通过大量的系统测试与试验验证整套系统。
力标准机电气控制系统的总体结构如图1所示。采用模块式结构PLC为核心，主要用电磁感应器件采集信号，利用设计定制的专用机械安装结构，配以相应的外围低压电器控制器件，从而驱动电机来实现。杠杆式力标准机的系统改造中，各组砝码的加荷与卸荷，通过接近开关的计数来完成；自动调节平衡是以接近开关通断作为反馈信号来判别调节的；位移自动测量采用位移传感器并用模拟表显示；限位开关的作用是限位保护。其他具体的控制功能是通过软件来实现的。电磁感应检测电路和杠杆调节电路安装在力标准机主机身上，能检测到每块砝码和杠杆的状态，并将信息转换为开关量传递到PLC的输入模块，CPU模块接收信号并分析处理，产生对显示器、电机等I/O设备的控制命令，再经输出模块发出控制指令。

图1 力标准机控制系统总体结构图

二、硬件设计

具体硬件设计主要分为机械测力和电气控制系统两部分。经过周密测量与计算，制定位移传感器、接近开关和限位开关的安装方案，完成安装夹具设计与加工，完成机械改造部分的设计、加工、安装和调试。电气控制系统是以模块式结构PLC为核心，通过霍尔器件采集信号，配以相应的外围器件，从而驱动电机来实现的。例如大、小砝码的加荷与卸荷，通过接近开关的计数来完成；自动调节平衡是以接近开关通断作为反馈信号来判别调节；位移自动测量采用位移传感器并用模拟表显示。

1.检测电路

如何准确检测当前状态下所加载的砝码个数是本系统的一个关键技术。由于砝码是标准件等间距放置，吊挂每加载一块砝码，都会移动同样的距离。因此，从吊挂的位移量即可知加载的砝码个数。利用该原理我们设计了电磁感应检测电路:数个接近片等间距垂直排列，一只接近开关固定在吊挂上，随着接近开关沿着接近片上下移动，接近开关与接近片的距离调节适当，当接近开关移动到某一接近片时，接收端电平发生跳变，从而产生一个脉冲信号，PLC输入端接收，从而将位移量信号转化为电信号，这种无接触测量的方法定位准确度较高且重复性较好，几乎没有磨损。另外，将一挡板固定在吊挂上，其随吊挂上下移动，当吊挂运行到极限位置时，挡板接触到限位开关，限位开关动作，系统运行强行中断，从而起到系统保护的作用。

2.可编程控制器

PLC是一种工业控制计算机，其工作原理是建立在计算机工作原理基础上的，也就是通过执行反映用户控制要求的用户程序来实现的。根据具体的控制功能需要，我们采用了模块式PLC。这种结构的PLC是将CPU、输入单元、输出单元、电源单元、智能I/O单元、通信单元等分别做成相应的电路模块，各模块可以插在带有总线的底板上。它的特点是配置灵活，输入接点、输出接点的数量可以随意选择，各种功能模块可以根据需要自主配置。

3.电气控制结构设计

电气探测系统主要由大砝码电机控制部分、小砝码电机控制部分和主机控制部分组成。用从PLC输出模块输出的控制信号去控制交流接触器的触点，使其接触导通或弹起断开，从而控制电机的启动或停止。

4.机械结构改造

砝码的加、卸荷是否能够满足控制要求，机械结构的设计和调节至关重要。改造过程中，机械结构的安装空间有限，增加了改造的难度:机械部分配合要精密，控制器件灵敏度要高，控制软件程序编写要缜密。

另外，用于力标准机自动控制中限位保护的限位开关，由于其结构简单、造价低廉、安装位置不明显等原因，它的安全性和可靠性很容易被忽略。但是限位开关是220V的强电供电，其接线端子裸露在空气中，随时有可能被操作人员碰触，存在极大的安全隐患。另外，限位开关很少处于工作状态，它的保护功能是否正常，也需要经过严格测试来保证。

解决途径如下:

(1)选用品牌产品，例如:欧姆龙等知名品牌。

(2)用绝缘套将接线裸露部分严密包裹。

(3)针对安装在机壳外部的限位开关定做专用绝缘罩将其屏蔽。

(4)定期对限位开关的工作状态进行测试。

三、控制软件的设计

1.PLC软件的设计

整个系统程序是一个整体，其质量很大程度上影响了PLC的性能。系统程序包括系统管理程序、用户指令解释程序、标准程序模块及系统调用程序。PLC的各种具体工作都是由标准程序模块及系统调用程序来完成的，这部分程序决定了PLC的性能，所以说软件编制水平直接关系到整机的性能。控制软件必须解决以下问题:(1)高度的人机交互性。用户的每一步操作都能得到提示和及时响应；(2)合理划分各功能模块，增强其通用性；(3)良好的用户界面，简化操作；(4)编写控制程序的过程中，还要考虑如何提高控制过程的可靠性、稳定性，以及如何编写必要的延时程序和报警程序来提高控制系统的安全性。

控制软件的设计充分考虑了实用性和可靠性，能实现手动、自动两种操作方式，根据操作面板上的拨动开关来进行选择。手动方式完全兼容了力标准机原有控制系统的操作功能，检定流程的每一步骤都可独立操作；自动控制方式下，控制系统能够自动检测出当前的受力状况，并能自动从各组砝码中挑选出相应的砝码组合成所要求的载荷。只要操作人员设置好欲加载荷，控制系统就能够实现自动加荷、卸荷以及自动调平衡等过程，大大简化了操作流程。

2.上位机控制软件的设计

采用高级语言VB进行编程，可以实现与PLC的实时通信，完成对力标准机电气控制系统的各项控制。如果实现了与被测传感器的测量仪表间的适用，就形成了一个闭环控制，可以通过计算机实现自动加荷、卸荷、杠杆自动调节平衡、自动记录数据、自动处理数据以及打印合格证书等全过程，实现了校准/检定自动化。

四、试验结果

用该方法设计的控制系统应用于贵州航天计量测试技术研究所的杠杆式力标准机EEI-6的技术改造中后，经过系统测试，满足检定要求。该系统能实现对力传感器各项检定的自动化功能，测量准确度为0.3%。

五、结束语

力标准机技术改造成功后，实现了检定/校准自动化，减轻了检定人员的劳动强度，减少了人为误差，消除了安全隐患，操作简便，结构简单，易于维护与修理。通过相应的软件编制与机械结构的改造，该系统可广泛用于杠杆式力标准机的自动控制系统，也可用于其他更为复杂的开关量工业控制过程，所以说该项技术改造有很高的实用价值，将此研究成果进行推广，具有明显的经济效益和社会效益。