（机械制造及其自动化专业论文）分布式电动工具性能测试系统的研究与开发.pdf

摘要 分布式电动工具性能测试系统的研究与开发 摘要 目前我国电动工具的生产规模不断扩大，但是产品质量与世界先进技术 国家相比，仍然存在明显的差距，这对电动工具的质量检测研究提出了新的 要求。本论文中研究课题主要就直流电动工具性能测试过程中的测试方法、 控制手段的实施和分布式监控测试系统的功能实现作出分析和研究。 经过对电动工具的实际工作情况进行分析，可以把测试内容分为两类： 寿命试验和模拟实用性试验。寿命试验是对工具进行周期性的给定负荷加 载、卸载和停歇；模拟实用性试验可以对同一工具进行多段的变载荷和变加 载时间加载。通过程序控制模拟负载按照要求对被测试工具进行工况模拟， 以此对工具的性能进行测试。 由于被控对象存在较大的滞后性，使得常规的p i d 算法难以得到理想的 效果。针对负载电流和激励信号的非线性关系，将系统分段考虑，在每段内 将其作为线性来近似处理，对控制量在每段内进行p i d 调节，以达到优化的 结果。由于被测试工具的型号很多，试验要求也各不相同，在控制策略上提 出了变参数的p i d 控制方法。在每次正式测试前先进行一个控制参数的动态 识别，根据被测对象的型号、测试负载、转速等要求快速寻找适合的控制参 数并存储于寄存器中，以备测试中调用。 整个测试系统由工控机和三台测试台组成一个分布式的测试系统。三台 测试台采用p l c 作为单元控制器，分别对电钻、电圆锯、往复锯进行寿命试 上海交通太学硕士学位论文摘要 验和模拟实用性试验。 工控机内安装有m o v i c o n 组态软件编写的监控软件，通过o p c 接口与p l c 连接，可以实时监控工具的测试过程、记录工具的测试结果。工具电流和工 具温度可以通过实时动画形式显示在工控机显示器上，同时系统可以实现对 测试过程的故障监测、诊断，并根据故障情况作出简单的故障原因分析。系 统把工具的测试结果保存于数据库中，可以根据需要调出指定的测试结果进 行打印输出和分析。 关键词：电动工具，可编程控制器，p l d 控制，组态软件，监控 i 梅交通大学礤士学位论文摘要 t h er e s e a r c ha n dd e s i g no fd i s t r i b u t l n gp o w e r t o o lp e r f o r m a n c et e s t l n gs y s t e m a b s t r a c t n l em a n u f a c t u r es c a l eo f p o w e rt o o lh a sg o t t e ns i g n i f i c a n tp r o g r e s si nc h i n a b u tt h e r ea r e o b v i o u sg a pb e t w e e nt h eq u a l i t yo fp r o d u c tf r o mc h i n aa n da d v a n c e dn a t i o n t h i sb r i n g s f c ) r w a r df i a r t h e rr e q u i r e m e n tf o rt h es t u d yo fp o w e rt o o lt e s t t h i st h e s i sf o c a s e so nt h er e s e a r c h a n da n a l y s i so ft h et e s t i n gm e t h o d ，t h ei m p l e m e n to fc o n t r o la r i t h m e t i ca n dt h er e a l i z a t i o no f t h ed i s t r i b u t i n gm o n i t o rs y s t e m t h et e s tc o n l e n ti sd i v i d e di n t ot w op a r t s ：t 1 1 el i f et e s ta n ds i m u l a t i o nt e s ta f t e rt h ea n a l y s i s o fw o r kc o n d i t i o no fp o w e rt 0 0 1 t h el i f et e s tm e a n st h a tt h ep o w e rt o o li sl o a d e do nap e r i o d i c c o a r s eo fs p e c i f i c1 0 a d u n i n s t a l la n ds t o p t h es i m u l a t i o nt e s tm e a n st h a tt h ep o w e rt o o li s l o a d e do nav a r i a b l e1 0 a da n dv a r i a b l el o a d i n gt i m ef o rs e v e r a ls t a g e s t h es i m u l a t i n gl o a di s p u to nt h et o o la c c o r d i n gt ot h ec o n t r o l l e rt ot e s t 也et o o l sp e r f o r m a n c e t h es y s t e mi sd i v i d e ds o m em i n o rs u b s e c t i o na c c o r d i n gt ot h eh y s t e r e t i ca n dn o n l i n e a ro f t h ec o n t r o lo b j e c t i ne a c hs u b s e c t i o n t h ec o n t r 0 1o b j e c ti sr e g a r d e da s1 i n e a r i t ya n d1 s ep i d m e t h o dt oc a l c u l a t et h ec o n t r o l l e rt om e e tt h ed e s i g nr e q u i r e m e n t s an e wk i n do fc o n t r o l a r i t h m e t i c v a r i a b l ep a r a m e t e ri sd e v e l o p e dt om e e t 血em u l t i t y p ea n dm u l t i r e q u i r e m e n t t e s t i n gd e m a n d 1 1 1 ep a r a m e t e ri sd e b u g g e da n ds a v e di nt h er e g i s t e rb e f o r et h ef o r m a lt e s t a c c o r d i n gt ot h et e s tt y p e ，t e s tl o a da n d t e s ts p e e d t h ew h o l e s y s t e mi sm a d eu po f ac o n t r o l l i n gc o m p u t e ra n dt h r e eu n i tp l a t f o r m s b u i l d i n g u pad i s t r i b u t i n gt e s ts y s t e m t h et h r e ep l a t f o r m su s ep l ca si t su n i tc o n t r o l l e r ，p r o c e s s i n gt h e t e s tt ot h ed r i l l s a 、a n dr e c i s a w a p r o g r a mw r i t t e nb yt h ec o n f i g u r a t i o ns o f t w a r em o v i c o ni si n s t a l l e di nt h ec o n t r o l l i n g c o m p u t e rt om o n i t o rt h er e a l t i m et e s tp r o c e s sa n dn o t et h er e s u l to f t h et o o l st e s t ，c o n n e c t i n g w i t ht h ep l cv i a0 p cp r o t o c 0 1 t h es y s t e mc a r la l s oa n a l y z et h ee x c e p t i o nr e a s o na c c o r d i n gt o t h ef a u l tc o n d i t i o n t h ep r o g r 8 ns a v e st h et e s tr e s u l t si nt h ed a t a b a s ea n dc a np r i n to u tt h e m a c c o r d i n gt ot h es p e c i f i cr e q u i r e m e n t k e yw o r d ：p o w e rt o o l ，p l c ，p i d ， c o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e ， m o n i t o r 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品和成果。对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均已在本文中以明确方式标明。本人完 全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者繇乏知砬 日期：孤舟z 月巧目 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位论文的全部或 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 手段保存和汇编本学位论文。 ， 保密叫在l 年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：趸竞疋 指导教师签 日期：沥0 年) 月5 目 日期：细；年月日 瑁 矿易扩舻 上海交通大学学位论文答辩决议书 所在学科 申请者王克玉机械制造及自动化 ( 专业) 论文题目分布式电动工具性能测试系统的研究与开发 答辩日期2 0 0 3 年2 月2 7 日地点 教学三楼 答辩委员会成员 姓名 单位 职称签名 胡德金上海交通大学机械与动力工程学院 教授 锄谚t 黎明柱上海交通大学机械与动力工程学院 副教授撇 邓琦林上海交通大学机械与动力工程学院 副教授 泖绋乎 许黎明上海交通大学机械与动力工程学院 副教授 酒轴 郭常宁上海交通大学机械与动力工程学院 副教授 铆南气 评语和决议： 论文针对目前电动工具性能测试存在的问题进行研究，其主要工作是：针对加载系统试验中发现非 线性和滞后性，对控制器响应曲线进行优化分段，各段线性处理，再结合p i d 算法对其进行控制； 设计了“变参数p i d 控制”算法，提高了试验的精度：采用组态软什m o v i c o n 设计的监控系统进行实时 监控工具的测试过程：完成了三台不同类型的电动工具性能测试台的研制，经过长时间的使用，证明其 工作可靠，性能稳定，研究成果具有一定的理论意义和较好的实际应用价值。 论文中理论分析严密正确，计算和实验可靠无误，研究方法先进，技能的水平比较高，有一定的创 新性。说明论文作者已经掌握本门学科的基础理论和专门知识。 在答辩中，论文介绍清楚，回答问题正确。 经答辩委员会投票表决，全票一致通过其论文答辩，建议授予工学硕士学位。 表决结果： 全票通过 答辩委员会主附乏e 签名， ，口口号年月2 0 - 日 | 上海交通太学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 电动工具简介 电动工具是一种运用小容量电动机作为动力，通过传动机构驱动工作头的手持式或 移动式的小型机械加工工具。它结构轻巧、携带方便，发展前景广阔。特别是二十世纪 八十年代以来，由于采用先进的设计技术及利用电子、新材料等技术，使得电动工具效 率更高，使用也更安全、可靠、方便，对环境的污染更小。它比手动工具可以显著提高 劳动生产率，比气动工具效率高、费用低、振动和噪声小、易于控制，因此电动工具取 得了飞速发展，在机械、冶金、建筑、交通等领域获得广泛应用，发挥了重要作用【” 2 1 。 常见的电动工具按输出运动形式区分有两类：旋转类和往复类。旋转类电动工具如 电钻、电圆锯，往复类电动工具有电动往复锯等。按照动力源来区分，可以把电动工具 分为交流式电动工具和直流式电动工具。交流式电动工具采用交流电动机驱动工具的工 作头，工具额定功率比较大，但是需要外接交流电源，给使用带来了一定的不便，而且 存在安全隐患。相比而言，直流驱动电动工具更加安全，其中电池式电动工具是近年来 发展最为迅速的一种工具。这种电动工具配备高能充电电池和永磁直流电动机，结构简 单，可以在远离电源的场合进行作业，适合流动作业，使用方便。电池式工具起源于二 十世纪六十年代，美国b & d 公司开发了世界第一台电池式工具，但是由于当时永磁材料 贵，还有一些技术问题尚未完全解决，并没有大规模的推广应用口】。近年来，充电电池技 术的发展为充电式工具提供了持续能力强的能源供给。同时，电池式电动工具比电源线 工具应用更加安全、可靠，操作方便，这极大的促进了电池式电动工具的发展。 1 2 电动工具测试系统的研究现状 随着先进制造技术的引进和大量资金的投入，我国电动工具的生产规模不断扩大， 产品质量也有所提高，但是与世界先进技术国家相比，仍然存在明显的差距，一定程度 上阻碍了我国的电动工具工业的进一步发展，这对电动工具的质量检测研究提出了新的 要求。 目前，对于电动工具的测试主要包括工具的工作参数检测和工具的可靠性试验。一 些科研机构和有关生产厂家都对此进行了大量的研究。 电动工具的待测的电气参数主要有电机电压、电流、功率、耐压、转速等。目前已 经有电气参数自动检测系统可以实现对电动工具电气参数的自动检测【4 。 成都电动工具厂与上海飞机研究所于1 9 9 8 年研究开发了“c e t 一9 5 1 电动工具出厂自 动检测线”，可以对大批量电动工具进行出厂检测。利用这条自动检测线可以完成对电动 工具的空载电流测量、空载功率损耗测量、耐电压试验，还可以完成抽查项目噪音测量 和转速测量，通过对比比较测量数据与标准数据库中的参数之间的差异，判断出厂工具 是否合格1 5 1 。 t 海交通大学硬士学位论文第一章绪论 根据有关电动工具安全的国家标准，对于一般工具，通过在l _ 1 倍和0 9 倍额定电 压下空载运行2 4 小时，并且每8 小时调转方位一次，其后进行耐电压试验，能直观的了 解产品在一般使用时的可靠性【6 j 。 上海电动工具研究所是我国电动工具领域的主要研究力量，对电钻的可靠性测试进 行深入研究。它们设计的测试装置采取让电动工具依次从空载、空载至满载、满载、断 电停止周而复始的循环工作方式，来检测电动工具的质量【7 j 。 但是在实际的使用中，电动工具并不只是简单的重复从空载、空载至满载、满载直 到断电停止这样的工作过程。例如，工具的接通时间和关断时间并不是完全固定的，而 应该是随被检测工具的的具体型号变化的。而且在某些特殊的情况下，比如电动工具在 使用过程中接触到不同材质的加工对象，它的负载会发生很大的变化，在现有的电动工 具测试系统中，无法对电动工具的实际工作过程进行逼真的模拟。因此。无法测试出工 具的真实的工作性能。 1 3 本文的主要研究内容 在借鉴国内外试验标准和结合国内工具测试要求的基础上设计的电动工具测试系统 可以实现对电动工具性能的自动检测。系统采用可编程控制器作为单元控制器，通过 r s 4 8 5 接口把三台测试台的p l c 和工控机组成分布式的测试系统。为了适应不同型号工具 的测试要求，控制系统采用了变参数的p i d 控制算法来控制负载的变化。在工具测试前， 系统可以自动寻找系统的合适的控制参数，以使得模拟负载能够尽量准确的反映加载要 求。 测试系统的功能如下： ( 1 ) 可以分别对三种类型的电动工具：电钻、电圆锯、往复锯进行寿命试验和模拟 实用性试验。在寿命试验中，电动工具的加载电流和加载、停息时间可以针对具体的测 试要求自由设定；在模拟实用性试验中，工具各段加载的电流和加载、停息、关断时间 可以自由设定。 ( 2 ) 通过监控系统可以实时监控工具的测试过程，工具的测试结果，包括工具电流 和工具温度可以通过实时动画形式显示在工控机显示器上。 ( 3 ) 系统可以实现对测试过程的故障监测、诊断，并根据故障情况作出简单的故障 原因分析。 ( 4 ) 系统把工具的测试结果保存于数据库中，可以根据需要调出指定的测试结果进 行打印输出和分析。 上晦交通大学硕士学位论文 第二章测试系统的总体结构分析 第二章测试系统的总体结构分析 2 1 测试系统的总体结构 测试系统需要对三种电动工具进行性能测试：电钻、电圆锯、往复锯。由于被测试 的三类电动工具的测试硬件( 主要是机械结构) 和实现方法有较大的差异，另外考虑到 测试台相对独立，能单独完成测试任务，可以提高系统的可维护性、可靠性和布局的灵 活性，因此对于三种类型的电动工具， 分布式测试系统总体结构如图 2 一l ，图中p l c l 、p l c 2 、p l c 3 分别代 表了电钻类、电圆锯类和往复类电动 工具性能试验台的单元控制器，其中 l 选用了f x 一4 8 5 p c i f 实现了r s 2 3 2 和r s 4 8 5 的转换，2 、3 、4 选用了 f x 2 n 一4 8 5 一b d ，实现了f x 2 np l c 与 r s 4 8 5 总线的连接。这样，工控机和 单元控制器就构成了二级监控系统。 2 2 单元测试台的结构 单元测试台的结构如图2 2 所示， 测试台主要由机械本体、加载系统、气 动系统、电控和传感系统、人机界面等 组成。加载系统主要有磁粉制动器、减 速装置等组成。气动系统主要完成电动 工具开关的控制动作，为了减小气动冲 击对开关寿命的影响，采用先导式电磁 阀对气压进行大范围调节，同时在机械 上对气动行程可进行调整。电控系统主 要由p l c 、传感和控制电路、强电系统 和接口模块( 包括a d ，d a ，温度采集 等) 组成，完成对电动工具输入电流、 分别设计了采用分布式结构。 图2 1 分布式测试系统总体结构图 f i g u r e2 - 1s k e t c hm a po fd i s t r i b u t i n g t e s t i n gs y s t e m 图2 - 2 单元测试台结构图 f i g u r e2 - 2d i a g r a mo ft e s t i n g u n i ts t r u c t u r e 电压、轴向模拟负载、本体各点温度、气动 行程等信号的采集，经分析处理后控制测试台完成规定的试验项目。 上海交通太学颧： ：学位论文 第二章月l 试系统的总体结构分析 2 3 性能测试原理 对于作为电动工具动力源的直流电机 t=cr矽。l(2-1) 其中t e 指直流电机的电磁转矩，c t 为转矩常数，( p 为电机磁通，i a 指电枢电流。 对于一指定的电动工具而言，它的转矩常数和电机磁通是不变的，因此我们可以用电枢 电流来表示直流电机的电磁转矩，也就是说，我们同样可以用电枢电流来表示电动工具 的负载( 只需乘以一表示机械效率的常数) 。 在电动工具的工作过程中，它每次的工作时间是随机变化的，同时它的负载也受加工 对象影响而不断变化。为了测试出电动工具的综合性能，根据工具的实际工作情况，把 测试内容分为两类：寿命试验和模拟实用性试验。 寿命试验实际是对工具 进行耐久性试验，方法上就是 对工具进行周期性的固定负 荷加载和停歇，如此循环往 复，加载图如图2 - 3 所示。试 验时间和加载的强度和工具 的设计指标有直接的联系，因 此对于不同种类和品质的工 具，其试验的要求也要相应变 化，也就是试验参数( 加载、 停歇时间和载荷强度) 可由具 体测试技术人员根据测试要 求自行设定。 模拟实用性试验就是要 求试验能模拟实际的使用工 况。试验方法上，根据不同工 具的实际工作情况，对同一工 具进行多段变载荷和变时间 的加载，样例如图2 - 4 所示。 模拟实用性试验加载与寿命 试验的加载负荷和时间都可 电流( a ) 51 0 1 52 02 5 图2 - 3 寿命试验加载图 时间( s ) f i g u r e2 - 3l o a d i n gd i a g r a mo fl i f et e s t 051 01 52 0 2 5 时间( s ) 囤2 4 模拟买用性试验加载图 f i g u r e2 - 4l o a d i n gd i a g r a mo f s i m u l a t i o nt e s t 以在试验前根据需要自由设定，它们的不同之处在于寿命试验的每一段加载的负载和时 间都是同一参数，而在模拟实用性试验中，各段的参数设置可以不相同。 上海交通大学碗士学位论文第二章测试系统的总体结构分析 2 4 测试系统设计要求 根据有关测试的需要，测试系统的相关参数设计要求有： 1 、工具电压范围：直流0 3 0 v 。工具的额定工作电压集中于直流9 6 v 2 4 v ，采 用直流电源对工具供电； 2 、工具工作电流范围：直流o 3 0 a ，旋转类工具( 电钻、电圆锯) 工作电流精度为 5 ，往复类工具输入电流精度为1 0 ； 3 、每个测试台分别设置4 个温度传感器，采样精度1 摄氏度。 上海交通大学硕士学位论文 第三章系统机械结构设计 第三章系统机械结构设计 3 1 总体设计说明 由于被测试的电动工具具有不同的结构，因此对于三种类型的电动工具( 电钻、电 圆锯、往复锯) 需要设计不同的机架，以便能够保证工具在测试过程中的稳定性，并尽 量减小负载传递过程中的损耗。 对于电动工具测试台的机械部分来说，主要的要求有以下几点： l 、要求测试台能适应相应的不同型号的电动工具的安装和检测要求，机械工装卡具 柔性好。 2 、在达到适应相应的不同型号的电动工具的柔性好的要求下，要求电动工具安装尽 量操作方便。 3 、要求测试台对电动工具加载方式合理，尽量符合电动工具真实工作时的状态，以 满足测试其实际工作性能的要求。 4 、整个机构设计要求合理，易于加工和安装，同时要求测试台外型美观统一。 3 2 机械设计分析 3 ，2 1 电钻工具测试台设计 电钻类工具测试台主要是由五部分组成：测试台底柜、控制台、工具夹具、负载施 加装置、工具开关控制装置。其中为了保持三台测试台的外观统一，对于测试台底柜采 用了统一的外形尺寸。在电钻类工具测试台的底柜中放置了电动工具电源和电气控制系 统，通过一圆形管道将控制台与底柜中的电气线路联结起来。控制台上放置了显示工具 工作状态的电流表、电压表、压力表，以及控制开关和触摸屏，利用触摸屏可以对测试 的项目和参数进行设定。由于需要固定的电钻尺寸变化范围较大( 主要是指长度) ，因此 工具夹具采用了横向固定、纵向滑动的方法，就是利用一固定尺寸的u 型卡具来横行固 定电钻，利用固定螺丝来调节应对不同工具的横向尺寸要求，对于纵向固定，采用一个 滑动的尾架，来适应工具纵向尺寸的大范围变化。电钻的输出扭矩通过一个橡胶联轴器 和施加负载的磁粉制动器连接起来。 3 2 2 电圆锯 具测试台设计 电圆锯类工具测试台与电钻类工具测试台基本相同。二者不同之处有两点：( 1 ) 工 具固定方式；( 2 ) 扭矩传递方式。 由于电圆锯有平面固定底盘与之相搭配，因此只需要用螺丝将底盘固定在测试台上 就可以对电圆锯进行性能测试。同时，电圆锯的额定转速较高( 一般为2 5 0 0 r p m ) ，为了 有效的利用磁粉制动器的工作范围，电圆锯的输出轴经过一减速器以后与磁粉制动器连 接，以降低磁粉制动器输入端的转速。 3 3 3 往复锯一 具测试台设计 海_ 雯通大学硕士学位论文第三章系统机械结构设计 往复类工具测试台也主要由五部分组成：测试台底柜、控制台、工具夹具、负载施 加装置、工具开关控制装置。其中在测试台底柜中放置了工具电源和液压加载油箱，控 制台上放置了显示工具工作状态的电流表、电压表、压力表，以及控制开关和触摸屏， 电气控制系统放置在控制台内部。 由于往复锯结构与旋转类工具的不同，使得其测试的加载方式也截然不同。往复锯 内部一般采用高速电机带动曲柄滑块机构来实现锯片的高速往复运动，空载频率一般都 不小于2 5 0 0 转m i n ，工作时存在相当大的振动和噪声，这给模拟加载造成了很大的难度。 加载方案之一是将往复运动通过机械传动变换为旋转运动，再通过磁粉制动器施加扭矩。 但是往复锯工作过程中的振动非常厉害，而且往复锯锯片的运动速度在工作时速度变化 是非常大的，这样在将往复运动变换为旋转运动后，必然导致旋转运动非常不稳定，从 而使得模拟加载和电动工具实际负载有很大的差距。 经过比较，测试台采用了液压伺i i i i 载的方法。液压加载具有平稳、无冲击、加载 力大的特点，而液压伺服采用力闭环能精确地控制加载力的大小。机械设计上，采用了 肘节式增力机构，一方面减小了液压力，同时将往复运动引起的摩擦力的方向变化的因 素减至最小，机构原理简图如图3 一l 所示。 液压力通过d 端给锯条一侧面施加正 压力，产生一定的滑动摩擦，锯条的另一 侧面紧靠带滚动圆柱面支承。调整液压力 的大小，可以改变往复锯的工作阻力，达 到无级加载的目的。 目 = ( 1 + 2 ) 尸( “) - 喀三 ( 3 - 1 ) z f ：摩擦阻力。“1 ：锯条侧面1 滑动摩擦 系数 p ：液压力。心：锯条侧面2 滚动摩擦系数 u ：激励电压 图3 - i 往复类液压加裁机构原理图 f i g u r e3 - 1d i a g r a mo f h y d r a u l i cp r e s s u r e l o a d i n gs t r u c t u r ei nr e c i p r o c a t o r 这样，往复锯条在运动过程中，一面为滚动摩擦( 固定面) ，另一面为滑动摩擦( 液 压施加面) ，可以有效的防止锯条左右摆动。 i 海交通丈学礤二 学位论文第四章控制算法和程序设计 第四章控制算法和程序设计 4 1 可编程控制器性能介绍 可编程控制器( p l c ) 是种数字运算操作的电子系统，专门为工业环境下应用而设 计，它采用一种可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定 时、计数与算数操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入输出控制各种类型的 机械或生产过程。可编程控制器及其有关外部设备，都按易于与工业控制系统联成一个 整体，易于扩充其功能的原则设计。它将传统的继电器控制技术与计算机技术和通信技 术融为一体，带有丰富的输入输出接口，并且具备较强的驱动能力【8 】。具有可靠性高、 功能强、应用灵活、编程简单、使用方便等一系列优点，因此，在冶金、机械、化工等 工业部门得到了广泛的应用。发展至今，除了传统的硬p l c 以外，还有融入控制组态软 件之中的软p l c ( $ o f t p l c ) ，它们正在扩展着p l c 在工业自动化领域中所占的市场份额 【引。 4 1 1 可编程控制器的主要特点 由于可编程控制器是一神专门为工业环境下应用而设计的电子计算机，因此它具有 一下明显的特点： l 、可靠性高，抗干扰能力强。由于工业生产过程是需要连续进行的，般的生产装 置需要经过长时间才进行大修，对于工业生产过程的控制器提出了高可靠性的要求。因 此，可编程控制器采取了一系列措施来达到工程上的要求：( 1 ) 所有的输入输出接口电 路都采用光电隔离，使工业现场的外电路与可编程控制器内部电路之间电气上隔离；( 2 ) 各模块都采用屏蔽措施，以防止辐射干扰；( 3 ) 良好的自诊断功能，一旦电源或其他软、 硬件发生异常情况，c p u 立即采取有效措施，以防止故障扩大。由于采取了上述一系列措 施，p l c 的平均故障间隔时间i t b f 达到了3 0 万小时。 2 、编程直观、简单。可编程控制器是面向用户、面向现场，考虑到大多数电气技术 人员熟悉电气控制线路的特点，它没有采用微机控制常用的汇编语言，而是采用了一种 面向控制过程的梯形图语言。梯形图主要由人们熟悉的常开触点、常闭触点和线圈、计 时、计数等符号组成，很容易被工程技术人员理解和掌握。 3 、丰富的输入输出接口模块。由于工业控制只是整个工业生产过程自动控制系统中 的一个控制中枢，为了实现对工业生产过程的自动控制，它还必须与各种工业现场的设 备相连接，才能完成控制任务。因此，p l c 除了具有计算机的基本部分如c p u 、存储器以 外，还有丰富的i o 接口模块。针对不同的工业现场信号( 如交流或直流、开关量或模 拟量、电压或电流、脉冲或电位) ，有相应的i o 模块与工业现场的器件或设备( 如按钮、 传感器、控制阀等) 直接连接。 4 、采用模块化结构。为了适应各种工业控制需要，除了单元式的小型p l c 以外，绝 i 避交通太学礤士学位论文第四章控制算法和程序设计 大多数p l c 均采用模块化结构。p l c 的各个部件，包括c p u 、电源、i o 等均采用模块设 计，用电缆将各模块连接起来，系统的规模和功能可以根据用户的实际需要自行组合。 5 适应性好。可编程控制器是通过程序实现控制的，当控制要求发生改变时，只要 修改程序既可。由于可编程控制器产品已标准化，系列化、模块化，因此能灵活方便地 进行系统配置，组成规模不同、功能不同的控制系统，适应能力强。故既可控制一台单 机，一条生产线，又可控制一个复杂的群控系统，既可以现场控制，又可以远距离控制。 4 1 2 可编程控制器的工作原理 最初研制生产的p l c 主要用于替代传统的由继电接触器构成的控制装置，但是这两 者的运行方式是不同的。继电器控制装置采用硬逻辑并行运行的方式，即如果一个继电 器的线圈通电或断电，该继电器的所有触电( 包括它的常开触点和常闭触点) 不论在继 电器控制线路的哪个位置上都会立即同时动作。然而p l c 的c u p 则采用顺序逐条扫描用 户程序的运行方式，即如果一个输出线圈或者逻辑线圈被接通或断开，该线圈的所有触 点不会立即动作，必须等扫描到该触点时才会动作。为了消除二者之间由于运行方式不 同而造成的这种差异，考虑到继电器控制装置中各类触点的动作时间一般在l o o m s 以上， 而p l c 扫描用户程序的时间一股小于1 0 0 m s ，因此p l c 采用了一种不同于般微型计算机 的运行方式：扫描技术。这样，对于i o 响应要求不高的场合，p l c 与继电器控制装置在 处理结果上就没有什么差别了。 当p l c 投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段进行，即输入采样、用户程序执行 和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称为一个扫描周期。在整个运行期间，p l c 的 c p u 以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段，如图4 一l 所示。 第( t l i ) 个 扫描周期叫一第n 个扫描周期 第( n + i ) 个 扫描周期 输出刷新 上卜i 用户程序执行h 一 输入采样 输出刷新 图4 - lp l c 工作过程分解图 输入采样 ( 1 ) 输入采样阶段 在输入采样阶段，p l c 以扫描方式依次的读入所有输入状态和数据，并把它们存入 i 0 映像区中的相应单元内。输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。在这 两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，i o 映像区中的相应单元的状态和数据也不 会改变。因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才 能保证在任何情况下，该输入均能被读入。 ( 2 ) 用户程序执行阶段 在用户程序执行阶段，p l c 的c p u 总是按由上而下的顺序依次扫描用户程序( 梯形图) 。 在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先 上海交通天学硕士学位论|第四章控制算j 去车口栏片瞳计 左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的 结果，刷新该逻辑线圈在系统r a m 存储区中对应位的状态，或者刷新该输出线圈在i o 跌像区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令，例如算 术运算、数据处理、数据传送等。 因此，在用户程序执行过程中，只有各开关量输入和模拟量输入在i o 映像区内的 状态和数据不会发生变化，而其它各设备在i o 映像区或系统r a m 存储区内的状态和数 据都有可能发生变化。也就是说，在用户程序执行过程中，只有地址为开关量输入的触 点的状态和模拟量输入的数据始终不变，即与该触点或数据在用户程序中的位置无关， 而其它设备的触点的状态或数据与其在用户程序中的位置有关，排在上面的梯形图，其 被刷新的逻辑线圈或输出线圈的状态或数据会对排在下面的凡是用到这些线圈的触点或 数据的梯形图起作用；相反，排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈或输出线圈的状 态或数据只能到下一个扫描周期才能对其上面的用到这些线圈的触点或数据的梯形图起 作用。 ( 3 ) 输出刷新阶段 当用户程序执行结束后，p l c 进入输出刷新阶段。在此期间，c p u 按照i o 映像区内 对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。这时，才 是p l c 的真正输出， 理解扫描周期的概念对后来p l c 编程的设计有着极为重要的作用。当p c 运行时，用 户程序中有众多的操作需要去执行，但c p u 是不能同时去执行多个操作的，它只能按分 时操作原理每一时刻执行一个操作。由于c p u 的运算处理速度很高，使得外部出现的结 果从宏观来看似乎是同时完成的。 4 1 3p l c 的i o 系统 i o 系统是工业现场的各种设备与p l c 的c p u 之间传输信息的接口。工业设备与p l c 之间传输的信息包括两类：开关量和模拟量，对应也有两种i o 模块。 l 、开关量模块 与开关量模块相连接的输入设备可以是各种开关，如各类控制按钮的、继电器、指示 灯、控制阀门等。 2 、模拟量模块 在工业生产过程中，除了有大量的通断信号以外，还有大量的连续变化的信号，例 如温度、压力、电流等。对于输入模块，通常先用各种传感器将这些连续变化的物理量 变换成电压或电流信号( 一般来说，p l c 模拟量输入的电压范围为l 5 v 或一l o 1 0 v ，电 流范围为4 2 0 m a 或- 2 0 2 0 m a ) ，然后再将这些信号连接到适当的模拟量输入模块的接 线端上，经过模块内的模拟一数字转换器把模拟信号转换为数字信号，最后将数据传入 p l c 内。在工业现场，有些设备需要用模拟电压或电流作为给定信号或驱动信号，而模拟 量输出模块可以根据需要提供这种电压电流信号。 上海交通大学硕二 学位论立第四章控制算法和程序设计 4 2 控制系统硬件设计 4 2 1 系统电气器件介绍 l 、单元控制器 单元控制器选用三菱f x 2 n - 3 2 m r 系列p l c ，它的各项指标如表4 - 1 所示【1 0 表4 - 1 三菱p l c 指标 i 继电器输出输入点数输出点数扩充时可连接点数 f x 2 n - 3 2 _ i r1 61 6 2 4 - 3 2 点 其中m 表示基本单元，3 2 表示输入输出总点数，r 表示继电器输出( 有接点，交流， 直流负载两用) 。 在使用f x 2 n 一3 2 m r 过程中，必须要考虑到下述几点： ( 1 ) 输入输出总点数：必须控制在3 2 点以内。 ( 2 ) 电源容量：我们选用的基本单元能为扩展模块提供d c 2 4 v 电源。我们选用的是 扩展模块4 a d ，2 d a ，4 a d p t 都是三菱电机的相关产品，根据相关手册各元件性能指标， f x 2 n 一3 2 i f i r 能满足电源容量的需要。 ( 3 ) 对于f x 2 n 基本单元、外接特殊单元、特殊模块的数量，最多不超过8 台，本 系统每个控制单元根据设计要求外接3 台设备，同样也能满足要求。 2 、d a ，a d 转换模块 p l c 的i o 系统选用了三菱配套的4 a d 2 d a 单元。 4 a d 具备1 2 位的高精度模拟输出，可以通过4 通道的电压输入( 一1 0 v + 1 0 v ) 或电 流输入( 一2 0 m a + 2 0 m a ) ，并且在每个通道可以指定电压或电流输入。 2 d a 用于把1 2 位的数字值转换成两点模拟输出( 电压电流) ，两个模拟通道可接受 的输出为0 到l o v ( d c ) ，0 到5 v ( d c ) ，或4 到2 0 m a ( 电压电流混合输出也是可以的) 。 3 、温度模块 温度模块选用4 a d p t 特殊功能模块。4 a d p t 模拟特殊模块将来自四个箔温度传感器 ( p t ! 0 0 ，3 线，1 0 0q ) 的输入信号放大，并将数据转换成1 2 位的可读数据，存储在主 处理单元中。我们通过4 a d p t 结合指令就能很方便的读取温度值。温度传感器的分辨率 精度可达到0 2 - - 0 3 摄氏度，额定温度范围为一1 0 0 6 0 0 摄氏度。 4 2 2 控制系统的特点 l 、可靠性 本系统选用的三菱f x 2 n 一3 2 f i r 可编程控制器、f 9 4 0 g o t 以及4 a d 、4 a d p t 、2 1 3 a 均能 够在条件比较恶劣的情况工作。考虑到兼容性的问题，我们特意选用出自同一厂家的产 品，以保证它们运行时更加稳定、可靠，满足设计的要求。 i 海交通大学碗士学位论文 第四章控制算法和程序设计 2 、柔性化 本测试台系统能够在规定的限度范围内任意地改动试验参数，进行各种负载情况下的 测试。 3 、智能化 本测试台具有自我故障诊断的功能，能够对实验中发生的绝大多数故障，做出反应， 并且给出相应的报警信息。这不仅为试验调试带来了方便，而且在安全性方面也取得了 良好的效果。 4 、效率高 本测试台采用可编程控制系统进行控制，以虚拟面板做为人机界面。与传统的完全人 工的测试台相比，具有误差小、反应快、效率高的优势。 5 、精度高 选用的a d 、d a 转换模块具有很高的精度。同时又加以p i d 算法对输出进行一定的 优化，使得精度更有保证，完全能够满足设计的要求。 4 2 3 系统的通信方式 1 、使用方法 f x 2 n 一3 2 m r 与f x 一4 a d ，f x 一2 d a ，f x 一4 a d p t 之间的通信是通过f r o m t o 指令来执行的。 f r o m 是基本单元从f k 一4 a d 、f x 一2 d a 、f x 一4 a d p t 读取数据的指令，t o 是从基本单元将数 据写到这些模块中的指令。在实际应用中，读写都是对f x 一4 a d 、f x 一2 d a 、f x 一4 a d p t 的 缓存寄存器b f m 进行的。这一缓存寄存器区由3 2 个1 6 位的寄存器组成，编号为b f m # o 一# 3 l 。 一开始要对b f m # o 写入十六进制的4 位数字，进行初始化。b f m 9 9 - 1 2 记录输入当前值， b f m # 5 8 记录输入的平均值，各通道的平均值取样次数分别由b f m s l - 4 来指定，b f m # 3 0 中存的是特殊功髓模块的识别码，b f m # 2 9 里记录的是出错信息。 2 、数据通信 在工程技术上应用比较广泛的数据接口方式有r s 2 3 2 和r s 4 8 5 两种方式。 11i j s e r $ 4 f 1 6 联1 3 十f x t n - c n v _ b df x i n + f x i n - , 4 8 5 一日d 盥坠! ! 蛙! 兰蛆r ， 图4 - 2r s 4 8 5 通信方式 f i g u r e4 - 2s k e t c hm a po f r s 4 8 5c o m m u n i c a t i o nm o d e 图4 - 2 中说明的是r s 4 8 5 的连线方法。它需要通过f x 一4 8 5 p c - i f 连接微机与p l c 。几台 上鹰交通大学硕壬学位论文第四章控制算法和程序设计 p l c 之间也是通过r s 4 8 5 进行连接。缺点是r s 4 8 5 成本比较高，优点是可连接的距离较长， 最大达5 0 0 m 。圈中表示了几台p l c 与上位机的连接方法。 2 】u 5 0r 8 2 3 2 c t a 【8 i 岫n s i o f ld 蛐n l s1 5 r n 图4 - 3r s 23 2 通信方式 f i g u r e4 - 3s k e t c hm a po fr s 4 8 5c o m m u n i c a t i o nm o d e 图4 3 中表示的r s 2 3 2 连接方式，优点价格便宜连接简单，不需要额外的设备支持， 上位机直接连接各p l c 。缺点：距离短，总共外部连接最大仅1 5 m 。 本设计要求2 0 m 左右的覆盖范围，所以我们选择了r s 4 8 5 的连接方式。 图4 - 4 温度传感器与4 a d - p t 连接图 f i g u r e4 - 4t h ec o n n e c t i o i nb e t w e e