（化工过程机械专业论文）玩具易燃性测试仪的研制.pdf

ab s t r a c t abs tract t o y s a r e t h e im p o rt a n t g o o d s r e l a t e d t o s a f e ty , a n d a r e s t r i c t l y s u p e r v i s e d a n d c o n t r o l l e d b y g o v e r n m e n t i n e v e ry c o u n t ry o f t h e w o r ld . i n o r d e r t o g u a r a n t e e t h e s a f e t y a n d q u a l i t y o f t o y s , e v e ry c o u n t ry r e g u l a t e s t h a t e x i t - t o y s s h o u l d b e s t r i c t l y a n d e n f o r c e d l y i n s p e c t e d , a n d t h e fl a m m a b i l i ty t e s t i s o n e o f t h e i m p o r ta n t s a f e t y i n s p e c t i o n i t e m s f o r e x i t - t o y s . c h i n a i s o n e o f t h e b i g g e s t c o u n t r ie s w h i c h p r o d u c e a n d e x p o rt t o y s , a n d 8 0 p e r c e n t o f i m p o rt - t o y s i n e u c o u n t r i e s c o m e fr o m c h i n a . h o w e v e r , t h e a p p a r a t u s o f fl a m m a b i l i ty t e s t f o r t o y s i s s e l d o m s t u d i e d i n c h i n a a c c o r d i n g t o t h e e u r o p e a n u n i o n n o r m o f t o y s s a f e ty . i n t h e p a s t , t h e fl a m m a b i l i ty t e s t e q u i p m e n t h a s t h e d i s a d v a n t a g e o f h a n d - o p e r a t i o n , l o w e ff i c ie n c y , b i g e r r o r , b a d r e p e t i t io n e t c . u n d e r t h e c i r c u m s t a n c e s , w e s t a rt t o r e s e a r c h a n d m a n u f a c t u r e t h e fl a m m a b i l ity t e s t a p p a r a t u s o f t o y s b a s e d o n t h e n o r m e n 7 1 - 2 :2 0 0 3 . t h e fl a m m a b i l i ty t e s t a p p a r a t u s i s c o n t r o l l e d 衍p l c a n d s t e p m o t o r , w o r k s w i t h t h e h e l p o f t o u c h s c r e e n , a n d i t t o t a l l y m e e t s a l l t h e t e c h n i q u e r e q u i r e m e n t s o f t h e fl a m m a b i l i ty t e s t n o r m . b y m e a n s o f 斌 t h e o p e r a t o rc a n f u ll y c o m p le t e t h e t a s k o f t h e f o u r t y p e s o f t o y s i n s p e c t i o n b y t h e n o r m . t h e f o u r t y p e s o f t o y s i n c l u d e s t h e t o y s w h i c h a r e d r e s s e d o n th e h e a d ( s u c h a s b e a r 氏p a l p u s , f a k e h a i r ) ; t h e t o y s w h i c h c h i l d r e n u s e t o m a k e u p a n d p l a y ; t h e t o y s w h ic h c h i l d r e n e n t e r i n t o p l a y it ; a n d t h e s o ft f i l l - i n t o y s w h i c h a r e m a d e fr o m t r a c h o m a o r w e a v e ( l i k e b e a s t i e a n d f i g u r e ) i n t h e fi r s t p l a c e , t h i s p a p e r b r i e fl y i n t r o d u c e s t h e w h o l e d e s i g n o f t h e fl a m m a b i l i ty t e s t a p p a r a t u s o f t o y s , a n a l y s e s t h e t o t a l r e q u i r e m e n t s o f t h e fl a m m a b i l i ty t e s t n o r m w h i c h i m p a c ts o n t h e a p p a r a t u s , p u t s f o r w a r dthe p r o c e s s t e c h n o l o g y r e q u i r e m e n t s , a n d d e s i g n t h e m e c h a n i c a l s tr u c t u r e t o m e e t s t h e f u n c t i o n s ; s e c o n d ly , d i s c u s s e s t h e d e s i g n o f t h e c o n t r o l s y s t e m i n d e t a i l , i n c l u d i n g t h e d e c i s i o n o f t h e c o n t r o l s y s t e m , t h e c h o i c e o f t h e s y s t e m h a r d w a r e i n c l u d i n g p l c c o n t r o l l e r a n d s t e p m o t o r , a n d t h e r e a l i z a t i o n o f t h e p l c c o m m a n d p r o g r a m m e ; t h ir d l y , in t r o d u c e s t h e a p p l i c a t i o n o f t o u c h s c r e e n t o t h e fl a m m a b i l i ty t e s t a p p a r a tu s , a n d l a y o u t s t h e o p e r a t i o n p a n e l o f t o u c h s c r e e n ; l a s t l y , s t u d i e s t h e p r i n c i p l e o f s o c k e t p r o g r a m m e i n ab s t r a c t t h e e n v i r o n m e n t o f t h e w i n d o w s o p e r a t i n g vis u a l b a s i c 6 . 0 t o r e a l i z e t h e e t h e r n e t s y s t e m , u s e s t h e wi n s o c k a c t i v e x o f c o mmu n i c a t i o n b a s e d o n ma s t e r / s l a v e r t c p / i p p r o t o c o l b e t w e e n t h e t o u c h s c r e e n a n d n e t p c a n d p r e s e n t s t h e b a s i c c o d e o f t h i s p r o g r a m m e . k e y wo r d s : t o y s ; fl a m m a b i l i t y ; p l c ; s t e p m o t o r ; t o u c h s c r e e n ; e t h e rn e t c o m m u n i c a t i o n 学位论文独创性声明 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他 人已 经发表 或 撰写过的 研究成果， 也不 包含为 获得 南昌大学 或其 他教 育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名( 手写) 签 字 日 期 : 乡 刃年 ” 巧 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了 解南昌大李 有关保留、 使用学位论文的 规定， 有权保留并向国家 有关部门 或机构送交论文的复印 件和磁盘， 允许论文被查阅 和借阅。 本人 授权南昌大学可以 将学 位论文的 全部 或部分内 容 编入有 关 数 据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名导师签名 ( 手写) ;14 c/ 签字日期:签字日期: 学 位 论 文 作 者 毕 i t - 去 吻 工作单位:亡 通讯地址: s *: g ?l 3 全 祀 补 第i 章 引言 第 1章 引言 1 . 1课题背景 玩具是孩子的亲密伙伴，孩子把喜悦与玩具一起分享，把孤独与玩具一起 消磨。好的玩具能使儿童有一个幸福快乐的童年，但质量不好的玩具，不安全 的玩具却会给孩子带来意想不到的灾难。因此，玩具安全倍受世界各国关注， 欧盟e n 7 1 、 美国a s t m、 国 际标准i s 0 8 1 2 4 玩具安全标准对玩具机械物理安全 性、易燃安全性、化学安全性及电安全性等都有严格的要求，而且几乎每年都 增 加 c.-a 易燃性是指一种材料或产品在规定的测试条件下起火燃烧的能力，通常用 瞬间 着火速度或火焰蔓延速度等指标来衡量5 3 . 玩具易 燃性的 测试， 就是通过对 测试样品的烧毁长度、燃烧时间等物理量的测量，计算出燃烧速度，从而用于 评估玩具的燃烧能力。 我国是世界最大的玩具生产国和出口国之一，2 0 0 3年我国玩具出口总值约 6 0亿美元，广东省已成为我国最主要的出口 玩具生产基地，出口额占我国玩具 出口总额的 7 0 %，而深圳市更是这个生产基地的中心。深圳生产的玩具品种占 全球 1 5 万种玩具品种的2 / 3 ， 玩具行业是深圳市八大传统制造业中的重要行业 之一。深圳共有玩具生产企业 1 2 0 0余家，从业人员约 6 0万人，是深圳出口创 汇的主要产业之一，每年出口量2 0 多亿美元，位居全国第一。 众所周知，涉及安全、卫生、健康的产品都要进行检验。玩具进出口同样 必须经过一系列相应标准的检验，而易燃性检验是其中最重要的环节。 国内外对玩具的易燃性检测和测试仪器与设备的研究远不及对家电、机电 类产品的检验的研究。国外目前仅有对电气产品的易燃性的检测仪器，如:美 国 a t l a s公司生产的 h v u l z垂直水平燃烧仪 ( h o ri z o n t a l v e rt i c a l f l a m e c h a m b e r ) ， 每台 价格约1 8 万元， 适用于国 际标准“ i e c 6 0 7 0 7 所规定的 对固 体非 金属材料的易燃性的测定; 另外， 例如“ e c 6 0 3 3 5 ( 家用和类似用途电器的安全) 、 e n 5 0 0 8 8 ( 电动驱动玩具的安全) 等产品安全标准都引用了“ i e c 6 0 7 0 7 ” 中规 定的燃烧试验;所以，对电气产品的易燃性测试已经相当成熟。但在非电动类 玩具易燃性测试方面，国内外尚无可以满足欧洲标准e n 7 1 - 2 : 2 0 0 3 中要求的玩 第 1 章 引言 具易燃性检测仪器。 我国虽是玩具生产和玩具出口大国，但对玩具易燃性的测试设备却很少研 发制造。目 前，国内 检验机构的易燃性检验设备就与国际通行标准要求存在很 大差距，并且同时配置多种，设备利用率不高， 通用性不强， 有的只配置燃烧 室， 手工 操作， 不能 完 全符合标 准规 定的 试验 要求i. 7 。 总结 起来， 玩具易 燃性检 验手段主要存在如下一些问题: 1 )固定玩具很困难。 2 )调节火焰喷头与玩具点火处的相对位置很困难。 3 ) 难以 准确测量玩具高 度及烧毁部分尺寸。 4 ) 难以准确记录燃烧时间及火焰蔓延时间。 5 ) 不能准确确定点火时间。 6 )不能测试大型玩具 ( 高度大于 5 2 0 m m的软体玩具) 。 1 . 2课题来源、 研究目的和意义 基于上述课题背景， 我们选择了“ 玩具易燃性测试仪的研制” 这一课题。 本课 题来源于深圳市科技计划局立项项目 ( 项目编号 0 5 k j tb 0 0 9 ) ，与深圳市出入境 检验检疫局进出口玩具检测中心联合研发.研制的易燃性测试仪遵循欧盟 e n 7 1 - 2 : 2 0 0 3 易 燃性测试标准， 其研究的主要内 容如下: 1 )根据玩具易燃性测试标准中的规定与要求，研究测试仪的总体结构。 2 ) 研究确定测试仪的控制系统及组成，以实现玩具测试过程的自 动化及获 取较高的测试精度。 3 ) 研究开发友好的触摸屏人机操作界面，实现测试过程的简单化。 4 )基于主从 t c p / i p协议的触摸屏与计算机的以 太网通信的研究，开发出 计算机客户端通信软件，以实现测试仪的测试结果网 络共享功能。 我们通过对玩具易燃性检测设备的研制，旨在能够很好的解决玩具安全检 验实际工作中的疑难问题，从而提高检验工作的质量和效率。通过本产品的研 制成功，能促进提高国内 玩具易燃性检验装置的 水平， 并直接为广东省和深圳 市的经济起到积极的推动作用;可在同行业的检验机构和企业中的质检部门等 推广，具有广阔的市场前景和显著的经济效益和社会效益。 第 z章 测试仪总体设计 第 2章 测试仪总体设计 2 . 1欧 盟e n 7 1 标准 及 其 对 测 试 装 置的 要 求 ” . 2 . 1 . 1标准e n 7 1 - 2 : 2 0 0 3介绍 标准e n 7 1 是一部欧洲标准委员会批准的协商一致的欧洲玩具安全标准。 它包括了7 部分，其中第二部分即e n 7 1 - 2 : 2 0 0 3 ，是关于非电动类玩具易燃性 能的测试标准。 标准e n 7 1 - 2 : 2 0 0 3 ， 已 于2 0 0 3 年1 2 月后代替了旧 标准e n 7 1 - 2 : 1 9 9 3 。该标准包括了与所有玩具有关的普遍要求，规定了与以下玩具有关的特 别要求和测试方法，并认为它们是最具有危险的玩具: 1 )戴在头上的玩具，包括胡须、触须、假发等; 2 )儿童化装服饰和供儿童在玩耍中穿戴的玩具; 3 )供儿童进入的玩具; 4 )含毛绒或纺织面料的软填充玩具 ( 动物和公仔等) 。 在标准中，上述四大类玩具被进一步分成了五种类玩具进行测试，在测试 时又分为玩具样品整体 燃烧试验和裁剪标准试样( 6 0 0 m m x 8 0 m m ) 进行测试。 测试 方法中对测试喷嘴、样品处理和测试柜体、测试火焰和测试过程作了具体规定 和要求。 2 . 1 . 2标准e n 7 1 - 2 : 2 0 0 3对测试装置研制的要求 对于出口到欧盟的玩具，必须符合欧盟玩具安全检验标准。因此，研制的 玩具易燃性测试仪应该满足欧盟e n 7 1 - 2 : 2 0 0 3 标准中规定的如下要求: 1 .对测试环境的控制要求 a )测试柜内空气流动速度应在0 .2 m / s 以 下。 b )测试柜内的空气量不能受氧气浓度减少的影响。 c ) 对于前方开口的测试柜，应保证玩具试样与柜壁的距离至少为3 0 0 m m . d ) 测试时应保持室内 温度1 0 0c -3 0 0c ， 相对湿度1 5 % 8 0 %e 2 . 满足各类玩具试样的安装固定要求 a )测试时玩具能竖直放置固定。 b )化装服饰和供儿童进入的玩具上裁取的试样要求装夹在u型金属板上， 第 2章 测试仪总体设计 而u型金属板要求与水平面成4 5 0 士 1 。 的位置。 3 . 测试时还应满足相关功能要求 a )测试火焰由符合i s 0 6 9 4 1 规定的燃烧器提供. b ) 燃烧器管口的位置和方向可调，能垂直或4 5 0 放置;与玩具试样的距离 可以任意调整。 c ) 燃烧器发生的火焰高度可以调节。 d )玩具试样点火时间可以控制。 e )燃烧器火焰离开试样后对试样的持续燃烧时间计时，如果试样不着火， 应计燃烧器火焰离开后的时间。 f )对试样上标记棉线烧断的信号准确计时。 9 ) 完成玩具试样高 度及烧毁尺寸的测量。 2 .2测试仪总体设计 2 . 2 . 1技术要求 研制的测试仪既要满足e n 7 1 - 2 : 2 0 0 3 标准， 完成标准中规定的四大类玩具 测试，并要达到以下测试功能要求: 1 )预测试阶段 自 动调整火焰喷头至玩具确定的点火位置，并可方便地将被测玩具固定在 要求的位置上;在对大型玩具测试时，可方便调节玩具固定高度，以及与玩具 的测试位置;可设定各种燃烧参数。 2 )测试阶段 自 动点火，并可根据需要将火焰调整到相应的高度，自 动记录火焰点火时 间及火焰蔓延时间。 3 )测试结果 测试结束后能将测试过程中的点火位置、燃烧时间、燃烧速度、环境温湿 度等测试结果显示在操作屏上，并可根据需要打印出来。 4 )网络通信 本测试仪有标准以 太网 通信接口 ， 采用主从t c p / i p 通信协议， 可与任一台 计算机或局域网通信，为测试检验工作的数字化及办公自 动化奠定基础。 第 2章 测试仪总体设计 2 . 2 .2测试仪的设计 测 试仪是 机电 一 体化产品， 涉 及 机械、电 气、 控制技术等内 容 ” 。 本测试 设备总体结构为柜体式外形、模块化结构，它由 柜体、测试机构、控制部分、 人机交互部分、网络接口以及打印部分等组成，系统组成如框图2 . 1 所示。 测试机构 可 翩呈 序控希 in 触摸屏 打印机 图2 . 1系统组成框图 柜体 采 角 不 锈钢 材料 制作， 分 上、 下 柜 体两 部 分 组 成。 上 柜 体内 安 装 测 试 机构，带自 动排烟机，用于玩具易燃性的测试:下柜体用于安装控制系统硬件 及电源。 测试机构是测试仪的机械固定部分，通过精密的机械丝杠传动件、混合式 步进电机来执行玩具的测试操作。它由玩具定位机构、标线定位机构和火焰喷 头定位机构等三部分组成: 1 ) 玩具定位机构 将玩具固定在活动块上，通过步进电 机驱动丝杠，能升降玩具与工作台垂 直放置的高度，从而确定玩具的点火位置。机构示意图如图2 .2 所示. 2 ) 标线定位机构 实现标线前后、上下移动，可将标线放置于玩具的燃烧末端，用于标识玩 具燃烧结束时启动计时开关。在测试胡须假发等头饰类玩具时，利用步进电机 运行的特性， 可以测量出玩具试样伸出长度及烧毁尺寸。 机构示意图如图2 . 3 所 不 。 第 2章 测试仪总体设计 3 ) 火焰喷头定位机构 实现火焰喷头在工作台上左右旋转、前后移动，以便确定玩具任意点火位 置。 机构示意图如图2 .4 所示。 控制器是测试仪的核心部分。测试仪采取可靠性高、抗干扰性强、配置灵 活、 编程简单的p l c作为控制器。 p l c具有强大的逻辑控制、 运动控制、 计时 以及数据采集处理功能，完全能满足测试仪的控制要求。 触摸屏是测试人员与测试仪沟通的桥梁，它操作简便、画面直观.测试人 员通过触摸屏向p l c发出操作指令，轻易完成玩具测试任务。 测试仪的测试结果，一方面可通过触摸屏连接的打印机进行打印，另一方 面通过其以太网通信功能，将测试结果数据上传至网络计算机进行长久保存。 图2 .2玩具定位机构 第 2章 测试仪总体设计 图2 . 3标线定位机构 图2 . 4火焰喷头定位机构 第 z章 测试仪总体设计 2 .2 . 3测试仪的特性 测试仪配置不锈钢燃烧室，玻璃观察窗，由p l c控制，触摸屏操作。该测 试仪采用精密的机械传动机构、精确的步进电机执行元件和先进的p l c位置控 制技术实现，能对玩具高 度、点火位置、点火时间、燃烧时间及烧毁尺寸等参 数测试。测试参数经过p l c控制器数据处理后即可计算出燃烧速度，用于评估 玩具易燃性能。 本文研制的玩具易燃性测试仪具有以下特点: 1 ) 通用性强。 测试仪通过合理的硬件和软件设计，能够完成e n 7 1 - 2 : 2 0 0 3 标准中规定的四大类玩具的易燃性测试: 2 ) 方便快捷地确定玩具点火位置。测试机构采用步进电机数字执行元件进 行驱动，具有优越的位置控制功能; 3 ) 准确记录点火时间和火焰蔓延时间。 测试仪利用p l c的计时功能， 较以 往的测试过程手工计时具有计时自 动、精确等优点; 4 )能完成样品长度及烧毁长度的测量。利用步进电机运行距离与脉冲数严 格成正比的特性，通过累计脉冲数计算出步进电 机运行距离， 从而完成长度物 理量的测量; 5 )具有以太网络通信功能。测试仪中的触摸屏具有标准的以太网接口，支 持标准的网络接口设备，能与计算机进行以太网通信; 6 )自 动处理测试数据， 并能打印测试结果。 测试仪利用p l c的数据处理功 能进行测试数据的处理，利用触摸屏支持的打印功能完成测试结果的打印: 7 )测试操作简单，具有误操作保护功能。测试仪通过硬件和软件的安全防 护设计，避免了操作者因操作失误带来的安全事故。 2 . 3本章小结 本章介绍了欧盟e n 7 1 - 2 : 2 0 0 3易燃性测试标准， 以及该标准对易燃性测试 仪研制的总体要求，分析了玩具易燃性测试仪的技术要求及特点，确定了测试 仪的系统组成，并对各组成部分功能进行了设计。 第 3章 测试仪控制系统的设计 第 3章 测试仪控制系统的设计 3 . 1 3 . 1 . 1 步进电机及其控制技术介绍 步进电机工作原理及特性 步进电动机是一种用电脉冲信号进行控制，并将电脉冲信号转换成相应的 角位移或线位移的执行机构。由于受脉冲的控制，其转子的角位移量和速度严 格地与输入脉冲的数量和脉冲频率成正比，通过控制脉冲数量来控制角位移量， 从而达到准确定位的目的;通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度， 从而达到调速的目的;通过改变通电顺序，从而达到改变电机旋转方向的目的 1 8 3 步进电 机的 特点 : 1 )步进电机的角位移与输入脉冲数严格成正比，电机运转一周后没有累积 误差，具有良 好的跟随性。 2 ) 由步进电机与驱动器电路组成的开环数字控制系统， 既非常简单、 廉价， 又非常可靠。同时，它也可以与角度反馈环节组成高性能的闭环数字控制系统。 3 )步进电机的动态响应快，易于启停、正反转及变速。 4 )速度可在相当宽的范围内平滑调节，低速下仍能保证获得大转矩。 5 )步进电机只能通过脉冲电源供电 才能运行，它不能直接使用交流电源和 直流电源。 6 ) 步进电机存在振荡和失步现象， 必须对控制系统和机械负载采取相应的 措施。 7 )步进电机自 身的噪声和振动较大，带惯性负载的能力较差。 3 . 1 . 2步进电机的分类及其基本参数 1 .步进电机的分类 步进电机的种类繁多，按其运动方式可分为旋转型和直线型，按相数分则 可分为单相、两相和多相三种，按工作原理不同可分为激磁式、反应式及混合 式 三 类 o o 111 u 第 3章 测试仪控制系统的设计 1 )激磁式 电机定子转子均有绕组，依靠电磁力矩使转子转动。 2 )反应式 转子无绕组，定子绕组激励后产生反应力矩，使转子转动。反应式步进电 机有力矩/ 惯性比高、频率响应快、结构简单和寿命长等优点。这是我国主要发 展的类型，已 于7 0 年代末形成完整的系列，有较好的技术性能指标。 3 ) 混合式 ( 即永磁感应子式) 它与反应式的主要区别是转子上置有磁钢。反应式电机转子无磁钢，输入 能量全靠定子励磁电流供给，静态电流比永磁式大许多。永磁感应式具有驱动 电流小、效率高、步距角小、启动和运行频率高、不通电有定位转矩、过载能 力强等优点，是一种很有发展前途的步进电 机，近年来已得到广泛的应用。 2 . 步进电 机的基本参数18 1 i 步距角 它表示控制系统每发一个步进脉冲信号，电机转子所转过的角度。步距角 的大小可直接影响电机的运行精度。 2 )相数 它表示电机内部的线圈组数，目前常用的有二相、三相、四相、五相步进 电 机。电 机相数不同， 其步距角也不同， 一般二相电机的步距角为0 .9 0 / 1 .8 0 、 三 相的为0 .7 5 0 / 1 . 5 0 、五相的为0 .3 6 0 / 0 . 7 2 0 。在没有细分驱动器时，用户主要依靠 选择不同相数的步进电机来满足所需步距角的要求。 如果使用细分驱动器， 则 相 数， 将变得没有意义，用户只需在驱动器上改变细分数，就可以改变步距角。 3 )保持转矩 ( 静转矩) 它表示步进电机通电但没有转动时，定子锁住转子的力矩。保持转矩是步 进电机最重要的参数之一，通常步进电机在低速时的力矩接近保持转矩。由于 步进电 机的输出力矩随速度的增大而不断衰减，输出功率也随速度的增大而变 化，所以 保持转矩就成为了衡量步进电机最重要的参数之一。 4 )定位转矩 它表示步进电机没有通电的情况下，定子锁住转子的力矩。 x 6 m3 . 1 .3步进电机的驱动与控制 步进电机不能直接连接到交直流电源上工作，而必须使用专用设备步 第 3章 测试仪控制系统的设计 进电 机驱动器。步 进电 机驱动系统的 性能，除了 与步进电 机自 身的 性能有关外， 也在很大程度上取决于驱动器的 优劣 12 1 。步进电 机起着脉冲分配和功率放大作 用。驱动器的选择一般遵循先选电机后选驱动的原则。为便于运行维护，最好 采用同一生产厂家的驱动器和电机。 步进电机能响应而不失步的最高步进频率称为“ 启动频率” ;与此类似，“ 停 止频率” 是指系统控制信号突然关断， 步进电 机不冲过目 标位置的最高步进频率。 而电机的启动频率、停止频率和输出转矩都要和负载的转动惯量相适应。有了 上述这些数据，就能 有效地对步进电 机进行变 速控制1 13 1 步进电 机的控制，就采用的控制器来分主要有三种:单片机系统控制、基 于p c机的插卡控制和p l c控制。单片机系统控制具有价格便宜、技术成熟等 优点，但是单片机的硬件系统专用性较强，灵活性较差，软件编制的难度也较 大， 不易编制复杂的控制系统; 基于p c 机的插卡控制适合复杂的多轴运动控制 系统，但插卡的价格一般较贵;p l c控制步进电机具有系统简单、通用性强、 配置灵活、 编程容易 等 特点 p a l 采用 p l c控制步进电机，应根据式 ( 3 . 1 ) . ( 3 .2 )和 ( 3 .3 )计算系统的脉 冲当量、脉冲频率上限和最大脉冲数量，进而选择p l c及其相应的功能模块。 根据脉冲频率可以确定p l c高速脉冲输出时需要的频率， 根据脉冲数量可以 确 定 p l c 的 位 宽 1151116 1 脉冲当量二 步进电机步距角x 螺距 3 6 0 x 传动速比 ( 3 . 1 ) 脉冲频率上限 = 最大脉冲数量= 移动速度x 步进电 机细分数 脉冲当量 移动距离x 步进电机细分数 ( 3 2) 脉冲当量 ( 3 . 3 ) 3 .2可 编 程 控制 器 ( p l c ) 技术 介 绍 3 .2 .1 p l c定 义 及 其 特 点 117 1118 1 1 . p l c定义 可 编 程 序 控 制 器 简 称p l c ( p r o g r a m m a b l e l o g ic c o n tr o ll e r ) 。 国 际电 工 委员 会( i e c ) 在1 9 8 7 年的 可编程序控制器标准草案第3 稿中， 对可编程序控制器作了 第 3章 测试仪控制系统的设计 如下定义: 可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用 而设计。它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控 制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式、模拟式的输入和输 出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关设备，都应按 易于使工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。 可编程序控制器是在沿用继电 器控制系统基础之上发展起来的，1 9 6 9年， 美国数字设备公司 ( d e c ) 研制了世界上第一台可编程序控制器. 2 . p l c特点 p l c是专为在工业环境下应用而设计的，具有面向工业控制的鲜明特点。 1 )可靠性高，抗干扰能力强。由于 p l c在硬件和软件上采取了一系列抗 干扰措施，使它可以 直接安装于工业现场而稳定可靠地工作。目 前各类型 p l c 的平均无故障时间都超过了1 0 万小时。 2 )适应性强，应用灵活。由于 p l c产品均成系列化生产，品种齐全，多 数采用模块式的硬件结构，组合和扩展方便，用户可以根据自己的需要灵活选 用，以满足系统大小不同及功能繁简各异的控制系统要求。 3 ) 编程方便， 易于使用。 p l c的编程序可采用与继电 器电 路极为 相似的 梯 形图语言，直观易懂，深受现场电气技术人员的欢迎。近年来又发展了面向对 象的功能图，使编程更简单方便. 4 ) 控制系统设计、 安装、 调试方便。 p l c中含有大量的相当于中间继电器、 时间继电器、计数器等的“ 软元件” 。又用程序代替硬接线，安装接线工作量少。 5 ) 维修方便、 维修工作量小。 p l c有完善的自 诊断及监视功能。 p l c对于 其内部工作状态、 通信状态、 异常状态和i / o点的状态均有显示。 技术人员通过 它可以查找故障原因， 便于迅速处理。 6 ) 功能强大。 p l c除基本的逻辑控制、定时、计数、 算术运算等功能外， 配合特殊的功能模块还可以实现点位控制、p i d运算、过程控制、数字控制等 功能， 通过远程模块还可以 控制远程设备。 3 . 2 .2 p l c的基本 组成! 19 p l c实质上是一 种工业控制计算机， 只不过它比 一 般的计算机具有更强的 与工业过程相连接的接口 和更直接的适应于控制要求的编程语言，故p l c与计 第 3章 测试仪控制系统的设计 算机的 组 成十分相似。 从硬件结构来 看， 它也 有中 央 处理器( c p u ) 、 存储 器、 输 入 / 输出 ( 阳) 接口、电 源等， 如图3 . 1 所示。 来自 用户设备: 至用户设备 图3 . 1 p l c的基本组成 下面就p l c各组成部分介绍如下: 1 )中央处理器 ( c p u ) 与一般计算机一样，c p u是p l c的核心，它按p l c中系统程序赋予的功 能指挥p l c有条不紊地进行工作，其主要任务是:控制从编程器键入的用户程 序和数据的接收与存储; 用扫描的方式通过1 / o部件接收现场的状态或数据， 并 存入输入映像存储器或数据存储器中;诊断p l c内部电路的工作故障和编程中 的语法错误等;p l c进入运行状态后，从存储器逐条读取用户指令，经过命令 解释后按指令规定的任务进行数据传送、逻辑或算术运算等;根据运算结果， 更新有关标志位的状态和输出映像存储器的内容，再经输出部件实现输出控制、 制表打印或数据通信等功能。 2 )存储器 p l c的存储器包括系统存储器和用户存储器两部分。 系统存储器用来存放由p l c生产厂家编写的系统程序， 并固化在r o m内， 用户不能直接更改。 它使p l c具有基本的智能，能够完成p l c设计者规定的各 项工作。系统程序质量的好坏， 很大程度上决定了p l c的性能， 其内 容包括三 部分。 第一部分为系统管理程序， 它主管控制p l c的运行， 使整个p l c按部就 班的工作。第二部分为用户指令解释程序。通过用户指令解释程序， 将p l c的 编程语言变为机器语言指令，再由c p u执行这些指令。第三部分为标准程序模 块与系统调用。它包括许多不同功能的子程序及其调用管理程序，如完成输入、 输出及特殊运算等的子程序。p l c的具体工作都是由这部分程序来完成的，这 第 3章 测试仪控制系统的设计 部 分 程 序 的 多 少 决 定了p l c性能 的 强 弱。 用户 存储器包括用户程序存储器( 程序区 ) 和功能 存储器( 数据区 ) 两部分。 用户 程序存储器用来存放用户针对具体控制任务规定的 p l c编程语言编写的各种用 户 程 序。 用户 程序 存 储器根 据 所选 用的 存 储 器 单元 类型的 不同 ， 可以 是r a m ( 有 掉电 保 护 ) 、 e p r o m或e e p r o m存储器， 其内 容 可以由 用户 任 意修 改 或 增 删。 用户功能 存储器是 用来存放( 记忆) 用户 程序中 使用的o n / o f f 状态、 数值数据等， 它构成p l c的各种内 部器件， 也称为 “ 软元件” 。 用户存储器容量的大小， 关系到 用户程序容量的大小和内 部器件的多少，是反映p l c性能的重要指标之一。 3 )输入 / 输出接口 输刀 输出 接口 是p l c与 外界 连接的 接口。 输入接口 用来接收和采集两种类 型的输入信号，一类是由按钮、 选择开关、行程开关、继电器触点、接近开关、 光电开关、数字拨码开关等的开关量输入信号。另一类是由电 位器、测速发电 机 和各种变送器等来的 模拟量输入信号。输出 接口 用来连接被控对象中各种执行元 件， 如 接 触器、 电 磁阀、 指示 灯、 调 节阀 ( 模 拟量 ) 、 调速装置 ( 模 拟 量 ) 等。 4 )电源 小型整体式可编程控制器内部有一个开关式稳压电源。此电 源一方面可为 c p u板、 1 / o板及扩展单元提供工作电 源( 5 v d c ) ，另一方面可为外部输入元件 提供2 4 v d c e 5 )扩展、通信及智能i / 0接口 扩展接口 用于将扩展单元与基本单元相连，使p l c的配置更加灵活。同时 为了实现“ 人一机” 或“ 机一机” 之间的对话， p l c配有多种通信接口。 p l c通过这 些通信接口可以与监视器、打印机、 其它的p l c或计算机相连。当p l c与打印 机相连，可 将过程信息、 系统参数等输出 打印;当 与监视器( c r t ) 相连时，可 将 过程图像显示出 来:当与其它p l c相连时，可以组成多级控制系统，实现控制 与管理相结合的综合系统。 为了 满足更加复杂的控制功能的需要， p l c配有多种智能阳 接口。 例如， 满足位置调节需要的位置闭环控制模块，对高速脉冲进行计数和处理的高速计 数模块等。 3 .2 .3 p l c的工作原理12 1 ij2 2 1 p l c的工作方式是一个不断循环的 顺序扫描工作方式。 每次 扫描所用的时 第 3章 测试仪控制系统的设计 间 称为 扫 描 周 期 或 工 作 周 期。 c p u从 第一 条 指 令开 始， 按 顺 序 逐条 地 执 行 用 户 程序直到用户程序结束，然后返回第一条指令开始新的一轮扫描。 p l c执行用户程序时， 需要各种现场信息， 这些现场信息己接到p l c的输 入端。 p l c采集现场信息即 采集输入信号 有两种方式: 集中采样输入方式和立 即输入方式。同样，p l c对外部的输出控制也有两种方式:集中输出和立即输 出方式。 p l c工作的全过程可分为三部分: 第一部分是上电处理。 机器上电后对 p l c系统进行一次初始化工作，包括 硬件初始化， 1/ 0模块配置检查，停电保持范围设定及其它初始化处理等。 第二部分是扫描过程。 p l c上电处理完成后进入扫描工作过程。先完成输 入处理，其次完成与其它外设的通信处理，再次进行时钟、特殊寄存器更新。 当c p u处于s t o p 方式时，输入执行自诊断检查。当c p u处于r u n方式时， 还要完成用户程序的执行和输出处理，再转入执行自 诊断检查。 第三部分是出错处理。 p l c每扫描一次，执行一次自 诊断检查， 确定p l c 自 身的动作是否正常，如c p u 、电池电压、 程序存储器、1/ 0 、通信等是否异常 或出错，如检查出异常时， c p u面板上的l e d及异常继电器会接通，在特殊寄 存器中会存入出错代码.当出现致命错误时，c p u被强制为 s t o p方式，所有 的扫描停止。 p l c运行正常时， 扫描周期的长短与c p u的运算速度有关，与u o点的情 况有关，与用户应用程序的长短及编程情况均有关。 通常用 p l c执行 1 k指令 所需时间来说明 其扫描速度( 一 般 1 - 1 o m s / k字) . 值得注意的是， 不同指令其执 行时间是不同的，若用于高速系统要缩短扫描周期时，可从软硬件上考虑。 3 . 2 . 4 p l c的应用1 23 -2 5 1 p l c产生早期， 由 于其价格高于继电 器控制装置， 使得其应用受到限 制。 但 最近几年来， 随着p l c的 性能价格比的不断提高， p l c的 应用面越来越广， 其 主要原因是: 一方面由于微处理机芯片及有关元件的价格大大下降， 使得p l c的 成本下降;另一方面p l c的功能增强，使它也能解决复杂的计算和通信问 题。 其应用范围大致可以归纳为如下几类: 1 ) 顺序控制 这是当今p l c应用最为广泛的领域， 它可取代传统的继电器顺序控制。 p l c 第 3章 测试仪控制系统的设计 具有强大的逻辑运算能力， 可以实现各种复杂的逻辑顺序控制。 2 )位置控制 利用 p l c发出的脉冲信号，驱动步进电机，进行开环或闭环的位置控制。 目 前p l c制造商己 提供了驱动步进电机的位置控制模块，其脉冲序列不论是脉 冲数还是脉冲频率都是可编程的。在性能指标要求不是很高的前提下，也可采 用普通的具有频率实时 刷新功能的p l c对步进电 机进行位置 控制。 本文中p l c 对步进电 机的控制即 是属于 这一类型. 3 )过程控制 p l c能控制大量的物理参数，例如:温度、压力、速度和流量。p i d控制 模块的提供使p l c具有了闭 环控制的功能， 即 一个具有p i d控制能力的p c可 用于过程控制。当由于控制过程中某个变量出现偏差时，p i d控制算法会计算 出正确的输出， 把变量保持在设定值上。 4 )数据处理 现代 p l c都具有数据处理能力。 它不仅能进行算术运算， 数据传送， 而且 还能进行数据比较、数据转换、数据显示和打印及数据通信等。 5 )通信和联网 p l c的控制已从单机控制发展到了多机控制，实现了工厂自 动化。这是由 于现代的p l c一般都有通信的功能，它既可以对远程 i j o进行控制，又能实现 p l c与p l c , p l c与计算机之间的通信。从而可以方便可靠地搭成“ 集中管理， 分散控制” 的分布式控制系统。 3 . 2 .5 p l c控制系统的设计基本原则与主 要内 容x2 6 2 8 / 任何一 种电 气控制系统都是为了 实现被 控对象( 生 产设备或生 产过程) 的 工 艺要求，以提高生产效率和产品质量。因此，在设计p l c控制系统时，应遵循 以下基本原则: 1 ) p l c的选择除了 应满足技术指标的要求之外， 还应重点考虑该公司的产 品的技术支持与售后服务的情况，应尽量选择主流机型。 2 )最大限度地满足被控对象的控制要求。设计前，应深入现场进行调查研 究，搜集资料，并与机械部分的设计人员和实际操作人员密切配合，共同拟定 电 气控制方案，协同解决设计中出现的各种问 题。 3 ) 在满足控制要求的前提下， 力求使控制系统简单、 经济、 使用及维修方便。 第 3章 测试仪控制系统的设计 4 ) 保证控制系统的安全、可靠。 5 ) 考虑到生产的发展