机械毕业设计（论文）-混凝土泵电气控制系统设计.doc

摘要近年来，随着科技的迅猛发展，建筑机械的智能化也在不断的提高。混凝土泵是一种用于输送和浇筑混凝土的工程机械,它能连续完成水平运输和垂直运输,输送效率高,降低施工人员劳动强度,特别适用于高层或远距离复杂地形的混凝土输送，已经成为现代建筑施工中不可缺少的工程设备。随着混凝土泵在我国建筑行业的推广使用，对泵的性能、操作、维护等方面也提出了新的要求，因此，借助电气控制技术，实现混凝土泵的集成化操作与智能控制，使其具有智能监控、检测、预报、维护及远程故障诊断等功能，将可有效地提高混凝土泵的浇注效率和工作可靠性。本文以拖式混凝土泵(简称拖泵)电气控制系统为研究对象，首先分析了国内外混凝土泵研究的最新进展和工程机械在智能化方向的发展，提出混凝土泵实现智能化的必要性和实现途径，然后结合拖泵工作原理和工作特点，使用功能需求建模方法，建立了拖泵监控系统结构化功能需求模型。利用多传感器融合技术、机电液一体化机技术及故障预测与诊断技术等，开发出一套具有一定智能化水平的拖泵计算机监控系统，使拖泵具备了自我诊断、实时监控及故障检测等智能化功能，有效地提高了拖泵性能，较好地满足了拖泵的可靠性要求。同时，依据人机工程学中显示界面的设计原则，设计开发了监控系统的显示界面，较好地满足了拖泵的在操作和维护方面的使用要求。并且在实际运行中验证了该系统的有效性及智能性。拖泵监控系统的研制，不仅使新型拖泵达到了一定的智能化水平，而且对各类工程机械智能化具有良好的借鉴作用。在工程机械的智能化应用方面进行了有益研究和探索。关键词： 拖式混凝土泵; 工程机械智能化; 监控系统; 触摸屏ABSTRACTIn recent years, with the rapid development of science and technology, the intelligent construction machinery are constantly improved. As a kind of construction machinery capable of the transporting and laying of concrete, concrete pump has become an indispensable engineering equipment inmodern architecture construction for its ability of continuously accomplishinghorizontal and vertical transportation with high delivery efficiency and reduced laborintensity, as well as its suitability for concrete transportation in complex geography ofhigh-level or far-distance. With the popularization of concrete pump in Chinaarchitectural industry, some new requirements have been put forward for it on itscapability, manipulation, and maintenance. Among these, one possible way of heightening the laying efficiency and working dependability of the concrete pump is to realize integrated manipulation and intelligent control by making use of sensor inspection and computer control technologies, and hence enrich the functions of the pump, making it capable of intelligent monitoring, detection, forecasting,maintenance as well as remote failure diagnosis.First of all, with respect to the monitoring and control of trailer pump, analysis has been made on the latest trends and development at home and aboard of intelligent construction machinery. The necessity of intelligent concrete pump is put forward with some practical approaches proposed for its realization. Then, making use of the function requirement modeling method, a structural function requirement model of the trailer pump monitor system is built with respect to the pumps working principles and characteristics.Based on this model, technologies of multiple disciplines including multi-sensor confusion, mechatronic-hydraulic integration，as well as failure forecasting anddiagnosis has been employed to develop a trailer pump computer monitor system with some degree of intelligence, in the sense that the pump can possess some intelligent functionalities such as self-diagnosis，real time monitoring and failure detection. This system significantly enhances the performance of the pump and well satisfies the requirements on the reliability of it. At the same time, a display interface of the computer monitoring system was developed on the design principle of the display interface in the human-machine engineering, which made it quite convenient to operate and maintain the equipment. The systems efficiency and intelligence has been proved in practical running.The research has not only improved the design of trailer pump monitor system and make the trailer pump possess some kind of intelligence, but also cast some hints on the development of other intelligent construction machinery in the future, and is therefore helpful for the application of intelligent construction machinery.Keywords: Trailer concrete pump; Intelligent engineering machinery;Monitoring and control system; HMI 第 40 页目录1 绪论11.1 混凝土泵简介11.2拖式混凝土泵技术的发展21.2.1 拖式混凝土泵的发展简史21.2.2 国外拖式混凝土泵技术现状与趋势31.2.3 国内拖泵的技术现状和趋势42 混凝土泵的结构及工作原理52.1 混凝土泵的基本结构52.2 混凝土泵的工作原理82.2.1 泵送系统工作原理82.2.2 搅拌系统组成及工作原理92.2.3 冷却系统组成及工作原理102.2.4 水泵清洗系统工作原理102.2.5 润滑系统组成及工作原理103 拖泵电气控制系统的设计与实现113.1 混凝土泵常用的控制方法113.2 可编程控制器(PLC)系统设计113.3 控制系统的硬件结构113.4 控制系统的软件设计153.4.1 PLC控制软件的设计163.4.2 人机界面软件设计174 HMI的功能设计与实现194.1 HMI简介194.1.1 人机界面的工作原理204.1.3 人机界面未来的发展趋势224.2 HMI的功能设计224.2.1 HMI软件流程224.2.2 HMI 的应用方式244.2.3 HMI 系统配置要求254.2.4 项目组成元素及结构264.3 HMI 功能实现265 HMI 页面设计285.1 引言285.2 页面设计的一般原则285.3 监控系统主要页面设计295.3.1 手册功能模块及页面设计305.3.2 工况显示模块及页面设计325.3.3 调试信息显示模块及页面设计335.4 编写HMI程序345.5 HMI与西门子S7-200PLC的通讯356 拖泵整机调试与试运行386.1 系统调试386.2 系统的试运行387 总结与展望397.1 全文总结397.2 展望39致谢40参考文献411 绪论1.1 混凝土泵简介混凝土输送泵，又名混凝土泵，由泵体和输送管组成。是一种利用压力，将混凝土沿管道连续输送的机械，主要应用于房建、桥梁及隧道施工。目前主要分为闸板阀混凝土输送泵和S阀混凝土输送泵。再一种就是将泵体装在汽车底盘上，再装备可伸缩或屈折的布料杆，而组成的泵车。混凝土大型输送装备，用于高楼，高速，立交桥等大型混凝土工程的混凝土输送工作。 混凝土输送泵由泵体和输送管组成。按结构形式分为活塞式、挤压式、水压隔膜式。泵体装在汽车底盘上，再装备可伸缩或屈折的布料杆，就组成泵车。种类：分为拖式混凝土泵和汽车泵。目前国内品牌：长沙力诺，烟台宇通，三一，中联，山东中集，长沙科强，泵虎重工，通亚重工等。目前我国混凝土输送泵主要可分为S阀式与闸板阀式，S阀式混凝土泵属于封闭系统，密封性好，输送压高，泵送高度高但对料的要求高，闸板阀式属于开放式系统，进料容易，密封性相对低，输送压低，输送高度低但对料的要求低。目前国内做S阀产品的厂家非常多，基本所有厂家都能做，都是三一和中联两个S阀系统。由于市场原因，做闸板阀产品的厂家不多，闸板阀压力小，泵送高度没有S阀搞，系统复杂，故障率高，故市场需求少，只有三一、中联和长沙力诺等几位销售量排前大大中型厂家市场。长沙是我国新兴的工程机械之都，创新力量强，规模工业，集群效应明显，其生产的混凝土输送泵在全国销量占主导地位。图1-1 拖式混凝土输送泵外观图1-2 拖式混凝土输送泵结构1.2拖式混凝土泵技术的发展1.2.1 拖式混凝土泵的发展简史混凝土泵的研究是在本世纪初开始的, 1902 年法国人最先取得了利,1907 年德国开始研究混凝土泵, 1913 年美国也有人取得专利权, 并制造出第一台混凝土泵, 但未能得到应用。1927 年德国的弗瑞茨海尔设计制造了第一台在实际生产中获得成功的混凝土泵, 1930 年德国制造了立式单缸球阀活塞泵, 这种泵机械传动、立式单缸, 所以结构不佳, 工作性能较差。1932 年荷兰人库依曼在立式缸基础上进行了较大改进, 将立缸改为卧缸, 制造了库依曼型混凝土泵, 为现代的混凝土泵技术的发展奠定了基础。由于库依曼泵的设计结构合理, 工作可靠, 因而当时众多的公司都曾获得许可证生产。第二次世界大战后, 由于战争造成的巨大破坏,战后重建的建筑工程规模很大, 机械式混凝土泵的销路较好, 应用日益增多。50 年代中期, 原西德的T or kret 公司首先发展用水作工作介质的液压泵。1959 年原西德的施维英( Schw ing ) 公司生产出真正的全液压的混凝土泵, 奠定了现代混凝土泵的技术基础。在以后的年代里混凝土泵的设计制造和泵送使用技术逐步得到完善。我国在50 年代就曾从国外引进过混凝土泵。60 年代初, 上海重型机器厂又参照原苏联C- 284型生产了排量为40m3 / h 的固定式泵, 生产中虽有应用, 但未能推广。70 年代初, 原一机部建筑机械研究所与沈阳振捣器厂合作进行混凝土泵的研制, 开发了HB- 8 型混凝土泵。原国家建委建筑机械研究所又与湖南常德机械厂合作开发了HB- 15 型混凝土泵。电力部水电七局的水工机械厂参照日本700S- 1 型混凝土泵研制成HB- 30 型泵。上海第八建筑工程公司仿制了以水为工作介质的混凝土泵车。华东电力建设局设计了HBC- 65 型泵车。此外, 北京市建筑工程研究所与北京建筑机械修造厂、北京市橡胶二厂和六厂协作,于1978 年试制成功HBJ- 30 型挤压式泵。可见, 我国从70 年代开始, 对各种型式的混凝土泵都进行了大力探索,但只有沈阳的HB- 8 和夹江水工机械厂的HB- 30 形成了批量生产。80 年代中期, 国家建设部为推动国内商品混凝土的发展, 选择沈阳工程机械厂、湖北省建筑机械厂率先引进国际著名混凝土泵生产公司的先进技术,我国才开始进入泵送混凝土时代。1993 年后, 建设部长沙所向外转让HBT 40/ 40A 技术资料, 使国内混凝土泵生产厂家激增, 使混凝土泵进入广泛生产时期。1.2.2 国外拖式混凝土泵技术现状与趋势德国的混凝土泵的设计制造技术是世界上最优秀的, 世界上最大的两个混凝土泵生产公司施维英( Schw ing ) 公司和普茨迈斯特( Put zmeister) 公司占据了市场的主导地位。美国、意大利、日本、澳大利亚各个公司也分别占有相应的位置。作为混凝土泵技术的开发和领导者, 我们可以从施维英和普茨迈斯特公司的现状与趋势推测混凝土泵技术的走向。（1） 混凝土泵的输送能力向两极发展, 主要向高压、大排量发展例如施维英的主导产品BP4000、普茨迈斯特公司的BSA 2110, 这两种混凝土泵的最大输送量超过100m3 / h , 最大输送压力为16M Pa。可以适应绝大多数的施工工程使用。施维英产品最大输送量可达160m3 / h, 普茨迈斯特公司的最大输送量可达150m3 / h。如果订货有特殊要求, 还可以更高。但是混凝土泵的大型化发展是有限度的。这主要受发动机功率、主油泵排量制约, 受结构和外形尺寸限制, 同时超大排量的输送泵还受混凝土供应的影响, 不论是搅拌速度还是运输速度都不能满足排量要求, 而使混凝土泵工作能力不能完全发挥, 造成浪费。（2） 小批量、多品种适应用户要求即使是年产近千台的大公司也不是只限于几种产品。而是根据用户要求在压力、排量、发动机种类、附属功能等各项参数上进行/ 灵活生产0, 甚至可以保证任意两台产品都不完全相同。这种柔性生产需要生产者拥有更多的技术储备, 更高效的生产组织管理。（3） 符合国际潮流, 注意生产环保产品例如采用低噪声、低排放、低油耗的发动机, 低噪声的油泵, 分配阀柔和换向减小冲击噪声, 以适应苛刻的欧美市场。（4） 液压系统自成一派, 不断完善普茨迈斯特公司作为闭式系统的代表, 坚持采用闭式系统, 不断地发展和完善控制功能, 使混凝土泵工作更精细更可靠。坚持采用电开关换向, 独立的摆动油缸控制系统, 把技术特点放在主油泵排量控制上。而施维英公司作为开式系统的带头人, 坚持自己特色, 为解决大流量下的系统发热损失, 为了减小冲击, 自行设计了大通径换向阀, 坚持采用液压行程换向, 技术特点放在换向协调匹配上。1.2.3 国内拖泵的技术现状和趋势自1993、1994 年基建高峰期之后, 国内有几十家企业开始生产混凝土泵, 但到今天, 只有十几家厂家的年产量能超过25 台。竞争激烈的市场迫使主要生产厂家千方百计地采用国际上先进的混凝土泵技术, 以便在竞争中占据有利地位。对于使用者来说,泵本身的技术含量不易掌握, 而更注意混凝土泵的可靠性以及对混凝土的适应性。因此混凝土适应性和泵送可靠性才是国产混凝土泵技术上最优先考虑的问题。2 混凝土泵的结构及工作原理2.1 混凝土泵的基本结构液压活塞式混凝土泵的种类很多，但是其基本的组成部件是相同的，拖式混凝土泵主要由分配阀及料斗、推送机构、液压系统、电气系统、机架及行走装置、润滑系统、罩壳和输送管道等八个总成组成，以闸板阀式混凝土泵为例，其具体的结构如图2-1所示。对于混凝土泵车，还有臂架、回转塔、底架和底盘等四个部分。在这里只对拖式混凝土泵的分配阀及料斗和推送机构进行分析。图2-1混凝土泵的基本构造1-输送管道;2-Y形管组件;3-料斗总成;4-滑阀总成;5-搅拌装置;6-滑阀油缸;7-润滑装置;8-油箱;9-冷却装置;10-油配管总成;11-行走装置;12-推送机构;13-机架总成;14-电气系统；15-主动力系统;16-罩壳;17-导向轮;18-水泵;19-水配管2.1.1分配阀及料斗分配阀是混凝土泵的最主要的部件，后面将专题介绍。这里只介绍料斗。料斗又称集料斗，其中还装有搅拌装置。它是混凝土泵的承料器，其主要作用如下:(l)混凝土输送设备向混凝土泵供料的速度与混凝土泵输送速度不可能完全一致，料斗可以起到中间调节的作用。(2)料斗中的搅拌装置可以对混凝土进行二次搅拌，减小混凝土的离析现象，并改善混凝土的可泵性。(3)搅拌装置螺旋布置的搅拌叶片还起到向分配阀和混凝土缸喂料的作用，提高混凝土泵的吸人效率。 料斗主要由料斗本体和搅拌装置两部分组成，如图2-2所示，料斗本体主要由料斗体、防溅板、方格网和料斗门等四部分组成。料斗本体用钢板焊接而成，其前后左右用四块厚钢板。左右两带圆孔的侧板是用来安装搅拌装置，而其后壁由混凝土出口与两个混凝土缸连通，前臂与输送管道相连。混凝土泵作业时要将防溅板竖起，防止料斗进料时混凝土砂浆溅到混凝土泵的其它部位;当混凝土泵停止工作时，把防溅板放倒，盖在料斗的上部，可减少杂物进人料斗的机会。方格网用圆钢或钢板条焊接而成，用两个铰点同料斗连接。当检修料斗内部或清理料斗时，可把方格网向上翻起。方格网可以防止混凝土拌合物中超粒径的骨料或其他杂物进人料斗，减少泵送故障，同时保护了操作人安全。图2-2 料斗搅拌装置包括搅拌轴部件、搅拌轴承及其密封件等部分，如图2-3所示。搅拌轴部件由搅拌轴、螺旋搅拌叶片、轴套等组成。搅拌轴由中间轴、左半轴、右半轴组成并通过轴套用螺栓连接成一体，轴套上焊接着螺旋搅拌叶片。这种结构形式有利于搅拌叶片的拆装。搅拌轴是靠两端的轴承、轴承座(马达座)支撑的，搅拌轴承采用调心轴承，轴承座外部还装有黄油嘴的螺孔，其孔道通到轴承座的内腔，工作时可对轴承进行润滑。为了防止料斗内的混凝土浆进入搅拌轴承，左、右半轴轴端装有J形密封圈。左半轴轴头通过花键套和液压马达连接，工作时由液压马达直接驱动搅拌轴带动搅拌叶片旋转。图2-3 搅拌装置 l-液压马达;2-花键套;3-马达座;4-左半轴;5-轴套;6-搅拌叶片;7-中间轴; 8-右半轴;9-J形密封圈;10-轴承座;11-轴承;12-端盖;13-油杯搅拌轴传动装置的形式有两种，一种是液压马达通过机械减速后驱动搅拌轴;另外一种是液压马达直接驱动搅拌轴(图2-3)。而机械减速的方式又有链传动、蜗轮蜗杆传动，以及齿轮传动。2.1.2推送机构推送机构是棍凝土泵的执行机构，它是把液压能转换为机械能，通过油缸的推拉交替动作，使混凝土克服管道阻力输送到浇筑部位。它主要由主油缸、混凝土缸和水箱等三部分组成，(参看图2-4)。(l)主油缸主油缸由油缸体、油缸活塞、活塞杆、油缸头及缓冲装置等组成。主油缸的主要特点是:换向冲击大，一般要有缓冲装置。缓冲装置是混凝土泵设计的关键技术之一，大多数厂家都是采用油缸端部安装单向节流阀的跟机构。其原理如图2-4所示，当液压缸活塞快到行程终了，越过缓冲油a时单向节流阀打开，使高压油有一部分经缓冲油口到低压腔，使两腔压差减小，活塞速度降低，达到缓冲的目的，并为活塞换向作准备;另外，还有为封闭腔自动补油，保证活塞行程的作用。图2-4 TR机构工作原理此外，由于活塞杆不仅与油液接触，而且还与水、水泥浆、泥浆等接触，为了改善活塞杆的耐磨和耐腐蚀性，在其表面一般要镀一层硬铬。(2)混凝土缸混凝土缸后端与水箱连接，前端与分配阀箱体(闸板阀式泵)连接，并通过托架与机架固定，或与料斗(S管阀式泵)直接相连，通过拉杆固定在料斗与水箱之间。主油缸活塞杆伸人到混凝土缸内，活塞杆前端通过中间接杆连接着混凝土缸活塞。中间接杆用45#圆钢制成，其两端有定位止口，两端分别与油缸活塞杆和混凝土活塞用螺栓相连(或用半圆式的卡式接头)。混凝土缸一般用无缝钢管制造，由于混凝土缸内壁与混凝土及水长期接触，承受着剧烈的摩擦和化学腐蚀，因此，在混凝土缸内壁镀有硬铬层，或经过特殊热处理以提高其耐磨性和抗腐蚀性。混凝土活塞由活塞体、导向环、密封体、活塞头芯和定位盘等组成。如图2-5所示各个零件通过螺栓固定在一起。混凝土密封体用耐磨的聚氨醋制成，其起导向、密封和输送混凝土的作用。图2一5混凝土活塞总称图(3)水箱水箱用钢板焊成，即是储水容器，又是主油缸与混凝土缸的支持连接件。其上面有盖板，打开盖板可以清洗水箱内部，且可观测水位。在推送机构工作时，水在混凝土缸活塞后部随着混凝土缸活塞来回流动，其所起的作用主要是:l)清洗作用清洗棍凝土缸缸壁上每次推送后残余的砂浆，以减少棍凝土缸体与活塞的磨损;2)隔离作用防止主油缸泄漏出的液压油进人混凝土中，影响混凝土的质量;3)冷却润滑作用冷却润滑混凝土活塞、活塞杆及活塞杆密封部位。2.2 混凝土泵的工作原理2.2.1 泵送系统工作原理HBTZ60C 混凝土泵的泵送机构如图 2-6 所示，混凝土活塞(5,5)分别与主油缸(1,1)活塞杆连接，在主油缸液压油作用下，作往复运动，一缸前进，则另一缸后退；混凝土缸出口与下阀体连通，闸阀阀板与上、下阀体相连；上阀体上两口接料斗，Y 形管与闸阀的下面两口相连，作为混凝土输送管道的出口。1.1 主油缸 2. 水箱 3. 换向装置 4.4 混凝土缸5.5 混凝土活塞 6. 下阀体 7. 闸阀换向油缸 8. 闸阀阀板9. 上阀体 10. Y形管 11. 料斗 12. 搅拌装置图 2-6 泵送机构简图混凝土泵在泵送混凝土料时分为正泵和反泵状态。正泵时如图 2-7A 所示，在主油缸作用下，混凝土活塞(5)前进，混凝土活塞(5)后退，同时在闸阀换向油缸作用下，料斗(11)与混凝土缸(4)相通，Y 形管与混凝土缸(4)相通，这样，混凝土活塞(5)后退，便将料斗内的混凝土料吸入混凝土缸，混凝土活塞(5)前进，将混凝土缸内的混凝土料通过闸阀进入 Y 形管泵出。当混凝土活塞(5)运动至行程终端时，触发水箱(2)中的换向装置(3)，主油缸换向，同时闸阀换向油缸(7)换向，使料斗与混凝土缸(4)相通，将料斗中的料吸入;Y 形管与混凝土缸(4)相通，将缸中料通过 Y 形管泵出，如此循环从而实现连续泵送。反泵时如图 2-7B 所示，通过反泵操作，使处于吸入行程的混凝土缸与 Y 形管相连，处于推送行程的混凝土缸与料斗连通，从而将管路中的混凝土抽回料斗。图 2-7 正泵状态和反泵状态2.2.2 搅拌系统组成及工作原理混凝土搅拌系统由搅拌油泵、搅拌换向阀组、搅拌油压马达、搅拌机构等组成。其功能是在搅拌叶片的搅动作用下保持混凝土流动性，提高混凝土吸入率。搅拌动作按照搅动方向分为正向搅拌和反向搅拌。2.2.3 冷却系统组成及工作原理混凝土泵液压系统使用抗磨液压油，油的最高温度可达 90。油箱中的油温以30-50比较合适，最高不大于 60，最低不小于 15。液压油温度高于 60时将使油液变稀，系统动力性能下降。在某些情况下，过高的温度将导致阀、泵及其他元件卡死，加速器件磨损。液压系统运行过程中，会使液压油温度上升，因此需要用冷却器来降低油温。冷却系统采用强制风冷式冷却器，有液压马达驱动冷却风扇。冷却器安装在回油路上，这样过热的油在返回油箱之前就可以先经过冷却降温。当油温达到 50时，电气控制系统自动启动冷却风扇，降低油温；油温低于30时，电气控制系统自动关闭冷却风扇。2.2.4 水泵清洗系统工作原理当混凝土泵作业完成后，必须对混凝土泵、输送管道、料斗等进行清洗，以防上面的残留混凝土硬化堵塞。混凝土泵为方便清洗工作，一般会在系统内配备高压水泵。HBTZ60C 混凝土泵的水泵是液压活塞式，经液压驱动能输出高压水流，由操作人员对泵机进行清洗。2.2.5 润滑系统组成及工作原理油脂润滑系统是为减少滑阀杆，混凝土活塞，搅拌机构等活动部件的摩擦阻力，延长使用寿命而设置的。它主要由润滑脂泵，润滑脂分配阀，润滑脂箱，供脂铜管，脂单向阀，接头等组成。由电动润滑脂泵通过分配阀和管路向各个注油点供脂，以保证泵机正常工作和使用寿命。3 拖泵电气控制系统的设计与实现3.1 混凝土泵常用的控制方法传统的混凝土泵多采用传统的继电器式控制，该种控制方式成本低、通用性强、有较好的稳定性，但是比较笨重，连线也比较复杂、而且出了故障不易检查。目前还有的厂家尝试采用单片机自行开发微控制器进行控制系统设计，这种方法在设计成功后，整个系统成本比较低，适合于批量生产，但是其开发成本比较高，而且自行开发的微处理器可靠性较低。近些年来可编程逻辑控制器(PLC)的发展速度，在工业自动化领域得到了广泛的应用。PLC有极强的抗干扰能力、可靠性很高，而且成本也逐渐降低。在混凝土泵中采用PLC控制是混凝土泵控制系统发展一种趋势。国内有的厂家已经开始采用这种控制方法。3.2 可编程控制器(PLC)系统设计可编程控制器的结构和工作方式有自己独有的特点，因此，设计一个可编程控制器系统的过程与设计继电器控制系统或通用微机控制系统不同，其设计流程如图3-6所示。要设计一个良好的控制系统，首先要详细分析被控对象的控制过程与要求，根据控制要求的不同，把被控对象分解成相互独立的部分。不同的部分其实现方法、控制形式也不同。由所要实现的功能，选择性能价格比最优的可编程控制器。写出下列对于被控对象的操作描述，将有益于控制系统的实现:（1）输人/输出(1/0)点:（2）操作的功能描述:（3）每个执行器(线圈、电机、驱动器等)的允许状态(执行前要满足状态)（4）操作接口的描述:（5）与被控对象的其他部分的接口。3.3 控制系统的硬件结构HBTZ60C混凝土泵控制系统使用PLC作为的核心平台，整合了拖泵原有的液压泵送系统并引入智能控制技术。PLC通过传感器和控制器，对系统进行状态监测和智能化控制，并进行故障诊断。通过PLC与上位计算机的通信功能进行在线监测和故障诊断，通过GSM模块SMS通信实现远程监控和故障诊断功能。系统使用西门子的S7-200型PLC，属组合型PLC，可以方便地连接扩展模块，应用灵活。其典型指令周期为0.1s(LD)，程序容量为10k步，最多可配置到320个输入/输出点，支持常规扫描和即时操作。其CPU模块内置有一个外设端口（Peripheral）和一个9针RS-232C串行端口，可以方便地连接编程设备和其他智能终端设备。扩展的A/D、DI、DO单元模块用于连接各个传感器输入和控制信号的输出。根据需要CPU单元可与人机界面HMI、 上位计算机、远程信息传输GSM Modem连接。由于PLC是通过周期性扫描运行程序的， PLC程序的最大长度是有限制的，型号不同长度也不同。应用于工程机械的多是中小型PLC，其程序长度由5K步到250K步不等。因此对液压系统监测和诊断不能直接套用那些以PC机为平台的成熟方法，而要使用适当简化而有效的方法来实现这些功能：选择数量较少而又具有重要指标作用的参数进行监测，采用简明有效的故障判别推导方法进行故障诊断。混凝土泵系统中需要进行传感器监测的主要有两部分：主电机电源部分和泵机液压系统部分。由于受到PLC的I/O接口类型和数量、程序扫描周期等条件的限制，而且传感器是安装在混凝土泵系统上的，工作环境通常都处于高温高湿高粉尘高震动的恶劣状态，所以使用的传感器必须是稳定耐用、满足精度的要求，故此只能选择少量便于检测而又能用作一些常见故障的诊断依据的关键参数进行监测。电源部分采用相序、电压、电流传感器对主电机的三相电源进行监测。液压系统部分是最重要的监测部位。统计表明，液压系统的故障80%左右与油液污染相关，使用油液铁谱分析技术的故障诊断方法就是基于这个原理。但铁谱参数的提取分析所需的仪器设备和方法都非常专业和复杂，不便在实时监测系统中实现。一般来说，判断液压系统工作是否正常可以参照几个主要工作参数，即压力、流量、系统温度以及泵组功率等。对于最常见的油路堵塞、阀门开闭不正常以及内泄漏引起的故障，在相应部位的流量和压力都有反应，但由于目前的流量计价格昂贵，且不便于在管路中安装使用，而压力传感器便于安装且稳定耐用，因此本系统选择了压力、温度和功率作为主要参数。在液压系统部分安装的传感器有：在油箱中安装有液位和温度传感器，监测油量和油温；在各个油缸油路安装了压力传感器，检测系统各部位的压力，计有主泵油压、左输送主缸油压、右输送主缸油压、左滑阀缸油压、右滑阀缸油压、搅拌油缸油压、蓄能器保压油压；在左右混凝土缸还装有接近开关检测主油缸的运行情况，作为泵送换向的参考点。图3-1 传感器的安装部位及其监测的参数图3-1为HBTZ60C系统中各个传感器的安装部位及其监测的参数。控制系统的硬件连接关系如图3-2所示。 PLC的CPU模块通过串口跟人机界面（HMI）、GSM Modem和上位计算机连接。 A/D模拟量转换模块用于连接各个传感器的模拟量输入。 DI开关量输入模块连接操作面板、接近开关等开关量输入。DO开关量输出用于向各执行器（电磁阀、报警灯、语音报警器等）输出。图3-2 控制系统硬件连接图3-3和图3-4是HBTZ60C混凝土泵控制柜外形和内部照片，简洁的控制面板按钮和大屏幕彩色人机界面使操作和人机交互更加方便快捷。柜内各元器件分布合理，安装稳固，能很好地适应混凝土泵的工作环境。图 3-3 HBTZ60C 型拖泵控制柜图 3-4 HBTZ60C 型拖泵控制柜内部3.4 控制系统的软件设计本智能化混凝土泵控制系统的软件可分为三个部分（如图3-5所示）：PLC+HMI的本机控制、显示软件，上位计算机的监控软件，远程测控中心软件。后两部分的测控软件设计将在后面的章节另为介绍，本节重点介绍PLC+HMI的本机控制软件。图3-5 混凝土泵智能控制系统的软件功能组成混凝土泵本机控制系统的软件由PLC控制程序和HMI显示、设置程序组成，二者的交互通信关系和程序流程如图3-6所示。图3-6 PLC与HMI控制系统程序流程图3.4.1 PLC控制软件的设计PLC程序采用西门子的开发工具S7-200编写。程序采用模块化设计方法，以一个主循环模块和若干个任务模块组成，主循环程序模块根据需要调用各任务模块，完成各种系统控制功能。任务模块是根据各个相对独立的控制功能而编写的程序段。这种程序构造方法使程序更便于编写、阅读和调试，并可以减少程序的扫描周期，提高效率。控制程序根据系统的功能需求设置了10个任务，分别是：开机提示任务、权限检查任务、状态识别任务、待命状态控制任务、泵送运行控制任务、电器测试任务、液压调试任务、冷却润滑任务、故障诊断任务、短信息远程测控处理模块（见图3-7）。图3-7 PLC程序任务模块在控制系统运行过程中主循环程序根据操作指令，使用任务调用指令TKON(820)和关闭任务指令TKOF(821)，在每次扫描过程中对各个任务进行调用或关闭。3.4.2 人机界面软件设计人机界面选用的是威纶公司的MT8104XH型触摸屏可编程终端，HMI和PLC以串行数据线通过以太网协议实现无缝连接。此型号可编程终端屏幕为10.4寸，65536色，分辨率为800*600，可以显示丰富的文字图片资料，显示清晰，操作方便。可编程终端既可以方便地读写PLC内存中的数据，又可以相对独立通过编程实现页面切换、动画显示、简单的数据处理等功能。人机界面的软件使用专用的EB8000系列可编程终端软件开发工具EB8000V4.6.0设计。控制系统的人机界面设计发挥了可编程终端的显示功能，设计了丰富的图形化界面和文字内容，系统状态显示直观详细，操作按钮清晰易用，各种操作提示信息、警报信息文字说明简明扼要。丰富便捷的人机交互方法充分表现了控制系统的智能化、人性化。图3-8为HMI的软件流程图，HMI根据页面索引号的变化切换显示各个页面。图3-8 人机界面工作流程4 HMI的功能设计与实现现代监控系统的设计开发中，人机界面的开发非常重要，因为它直接与操作员产生信息交流，友好的人机界面能够实时反映控制设备的状态，提供方便的管理操作功能。因此，人机界面的开发包括操作流程的设计及画面的开发。4.1 HMI简介现代监控系统的设计开发中，人机界面的开发非常重要，因为它直接与操作员产生信息交流，友好的人机界面能够实时反映控制设备的状态，提供方便的管理操作功能。因此，人机界面的开发包括操作流程的设计及画面的开发。人机界面（又称用户界面或使用者界面）是系统和用户之间进行交互和信息交换的媒介，它实现信息的内部形式与人类可以接受形式之间的转换。凡参与人机信息交流的领域都存在着人机界面。人机界面（Human?Machine Interaction，简称HMI），是人与计算机之间传递、交换信息的媒介和对话接口，是计算机系统的重要组成部分。是指人和机器在信息交换和功能上接触或互相影响的领域或称界面所说人机结合面，信息交换，功能接触或互相影响，指人和机器的硬接触和软触，此结合面不仅包括点线面的直接接触，还包括远距离的信息传递与控制的作用空间。人机结合面是人机系统中的中心一环节，主要由安全工程学的分支学科安全人机工程学去研究和提出解决的依据，并过安全工程设备工程学，安全管理工程学以及安全系统工程学去研究具体的解决方法手段措施安全人机学。它实现信息的内部形式与人类可以接受形式之间的转换。凡参与人机信息交流的领域都存在着人机界面。现在大量运用在工业与商业上，简单的区分为“输入”（Input）与“输出”（Output）两种，输入指的是由人来进行机械或设备的操作，如把手、开关、门、指令（命令）的下达或保养维护等，而输出指的是由机械或设备发出来的通知，如故障、警告、操作说明提示等，好的人机接口会帮助使用者更简单、更正确、更迅速的操作机械，也能使机械发挥最大的效能并延长使用寿命，而目前市面上所指的人机接口则多界狭义的指在软件人性化的操作接口上。 特定行业的人机界面可能有特定的定义和分类，比如工业人机界面(Industrial Human-machine Interface或简称Industrial HMI），具体解释可查看“工业人机界面”词条。图4-1 人机界面在工业控制领域，随着生产方式和技术的进步，人机交流的工具已从机械的操作杆、按钮开关和指示灯等发展到了友好的触摸屏和信息面板等。由于人机界面（HMI）产品的应用越来越广，HMI产品和供应商也越来越多，从技术、产品到市场等各环节看，融操作监控、数据存取、参数修改功能于一体的HMI已逐渐成为一个相对独立的产业门类。目前，世界上触摸屏的品牌很多，例如：SIEMENS 、OMRON、施耐德、三菱、A&B、台湾EVIEW ，HITECH、日本HAKKO、富士等等，其中，PRO-FACE是世界上为数不多的HMI专业供应商。据有关报告显示，Pro-face在中国的HMI市场中表现出色，成为其中的领军品牌。随着PLC 控制设备自动化程度的不断提高以及生产工艺要求的不断变化, PLC 控制设备操作面板上的各种按钮及操作机构变得越来越复杂, 这就使得设备操作人员在初学时显得特别困难, 而且在其操作过程中常会出现误操作, 这也增加了设备的故障率。触摸屏又称可编程终端( Pro grammableTerminal, 简称PT 1 , ) 触摸显示屏不仅可以减少一台PLC 控制设备的面板操作按钮及其它操作部件, 同时, 对于同一台设备加工不同工件时的程序选择及程序中的参数修改都相当方便; 触摸屏的采用降低了人机沟通的障碍; 利用触摸屏取代PLC 控制设备的操作面板, 就相当于将PLC 控制设备操作面板的硬件以软件的形式储存于PLC 中 2 , 充分利用了PLC 中的内存, 并减少了大量的硬件设施以及由此而带来的故障。4.1.1 人机界面的工作原理人机界面( HMI ) 是操作人员与机器设备之间双向沟通的桥梁, 是用户可以自由地组合文字、按钮、图形、数字等来处理、监控、管理或应付随时可能变化信息的多功能显示屏幕。使用人机界面还可以使机器的配线标准化、简单化, 同时还能减少PLC 监控器所需的I/ O 点数, 降低生产成本。人机界面产品由硬件和软件两部分组成, 硬件部分包括处理器、显示模块、输入模块、通信模块和数据存储模块等, 见图4-2。图4-2 人机界面硬件组成其中处理器的性能决定了HMI 产品的性能高低,是HMI 的核心单元。根据HMI 的产品等级不同, 可分别选用8 位、16 位、32 位的处理器。人机界面的软件构成, HMI 软件一般分为两部分, 即运行于HMI 硬件中的系统软件和运行于PC 机Window s 操作系统下的画面组态软件。用户必须先使用HMI 的画面组态软件制作“工程文件”,再通过PC 机和HMI 产品的串行通信口, 把编制好的“工程文件”下载到HMI的处理器中运行。4.1.2 人机界面的设计过程 （1） 创建系统功能的外部模型设计模型主要是考虑软件的数据结构、总体结构和过程性描述，界面设计一般只作为附属品，只有对用户的情况（包括年龄、性别、心理情况、文化程度、个性、种族背景等）有所了解，才能设计出有效的用户界面；根据终端用户对未来系统的假想(简称系统假想）设计用户模型，最终使之与系统实现后得到的系统映象（系统的外部特征）相吻合，用户才能对系统感到满意并能有效的使用它；建立用户模型时要充分考虑系统假想给出的信息，系统映象必须准确地反映系统的语法和语义信息。总之，只有了解用户、了解任务才能设计出好的人机界面。 （2） 确定为完成此系统功能人和计算机应分别完成的任务 任务分析有两种途径。一种是从实际出发，通过对原有处于手工或半手工状态下的应用系统的剖析，将其映射为在人机界面上执行的一组类似的任务；另一种是通过研究系统的需求规格说明，导出一组与用户模型和系统假想相协调的用户任务。 逐步求精和面向对象分析等技术同样适用于任务分析。逐步求精技术可把任务不断划分为子任务，直至对每个任务的要求都十分清楚；而采用面向对象分析技术可识别出与应用有关的所有客观的对象以及与对象关联的动作。 （3） 考虑界面设计中的典型问题 设计任何一个机界面，一般必须考虑系统响应时间、用户求助机制、错误信息处理和命令方式四个方面。系统响应时间过长是交互式系统中用户抱怨最多的问题，除了响应时间的绝对长短外，用户对不同命令在响应时间上的差别亦很在意，若过于悬殊用户将难以接受；用户求助机制宜采用集成式，避免叠加式系统导致用户求助某项指南而不得不浏览大量无关信息；错误和警告信息必须选用用户明了、含义准确的术语描述，同时还应尽可能提供一些有关错误恢复的建议。此外，显示出错信息时，若再辅以听觉（铃声）、视觉（专用颜色）刺激，则效果更佳；命令方式最好是菜单与键盘命令并存，供用户选用。 （4） 借助CASE工具构造界面原型，并真正实现设计模型软件模型一旦确定，即可构造一个软件原形，此时仅有用户界面部分，此原形交用户评审，根据反馈意见修改后再交给用户评审，直至与用户模型和系统假想一致为止。一般可借助于用户界面工具箱(Userinterfacetoolkits）或用户界面开发系统（Userinterfacedevelopmentsystems）提供的现成的模块或对象创建各种界面基本成分的工作。4.1.3 人机界面未来的发展趋势 有些机械行业，比如说机床、纺织机械等行业，在国内已经发展有几十年的历史了，相对来说属于比较成熟的行业，从长远看，这些行业还存在着设备升级换代的需求。在这个升级换代的过程中，确实会有一些小的、一直使用比较低端产品的厂家被淘汰掉，但也有很多企业在设备更新过程中，将需求重新定位，去寻找那些能够符合他们发展计划，帮助他们提高自身生产力的设备供应商。鉴于这种需求，以后人机界面的改变，将在形状上、观念上、应用场合等方面都有所改变，从而带来工控机核心技术的一次次变革。总体来讲，人机界面的未来发展趋势是六个现代化：平台嵌入化、品牌民族化、设备智能化、界面时尚化、通讯网络化和节能环保化。4.2 HMI的功能设计4.2.1 HMI软件流程HMI软件系统功能包括与PLC进行数据交换的数据通讯模块、手册功能模块、工况显示模块、故障处理提示模块、调试信息显示模块和档案功能模块等。其中，手册功能模块包括开机安全提示、运行操作提示和调试操作提示等；根据系统的工作环境和使用特点，除档案功能模块外，其它模块均由PLC上传数据（包括传感器检测数据、机柜面板操作按钮信息）自动驱动显示页面的切换。档案功能模块采用触摸屏方式进行界面操作，主要用于产品及主要部件的出厂编号的参数的输入，作为产品的维修档案。根据上述功能要求，HMI软件系统的总体结构如图4-3所示。图4-3 HMI软件系统总体结构根据系统的使用要求，本系统拟定的工作流程如图4-4所示。HMI上电后，首先给出开机提示（默认页面为开机安全提示），然后通过通讯模块读取PLC上传数据。如果使用权限有效（由PLC根据累计使用时间和累计方量判断），则根据当前页面号和面板操作按钮信息，通过页面索引表，查询相应的页面索引号，显示相应的页面，并存储更新后的当前页面索引号。然后，返回并读取下一次的PLC上传数据，进行同样的工作循环。如果出现传感信息异常的情况，则根据传感器检测数据和厂方提供的故障判别表，获取故障提示页面索引号，并激活相应的故障判别与处理提示窗口。图4-4 HMI工作流程4.2.2 HMI 的应用方式本系统 HMI 选用的是威纶公司的MT8104XH可编程终端，是一款功能强大的工业级彩色触摸屏，作为通用的显示平台，可通过多种适当连接方式与多种外设相连，图 4-5 清楚