（测试计量技术及仪器专业论文）准动态压力标定装置测试控制系统研究.pdf

摘要y3 0 6 7 0 6 本论文主要内容是对“准动态压力标定装置”中测试控制系统进行功能研 究和装置调试。实现装置的商品化和自动化要求。 论文主要从两方面人手来完成装置的测控系统。一是现场控制，二是工 、， 控微机控制。在现场控制模式下，主要是以可编程序控制器( p l c ) 作为主控 单元以现场操作键盘完成对半正弦压力发生器”的运动控制和状态监测。在 工控微机控制模式下，主要以工控微机作为上位机，通过半双工多点串行通讯 方式来控制p l c 的动作从而间接控制“半正弦压力发生器”，并以l a b w i n d o w s c v i 编制了测控系统应用软件，以虚拟面板的形式实现了人机对话。r j 通过装置的实际调试现本系统已正常运行，证明本文的功能设计是合理 的。说明p l c 在本装置的顺序控制应用是成功的。其强大的通讯联网能力 也实现了工控微机的控制方案，实践证明此方法是可行的。 斑讯黧淼：勰胜黼_ 州呵行通讯，分布式控制 汐 a b s tr a c t t h i sp a p e rm a i n l yd e s c r i b e st h ef u n c t i o n a l s t u d ya n dd e v i c ed e b u g g i n go f q u a s i d y n a m i cp r e s s u r e c a l i b r a t i o nd e v i c e 8t e s tc o n t r o ls y s t e m ，a n dt h er e q u i r e - m e n t so ft h ed e v i c em e r c h a n d i s i n ga n da u t o m a t i o n t h et e s ta n dc o n t r o ls y s t e mi sr e p r e s e n t e di nt w of a c e t s ：o n ei sf i e l dc o n t r o l ， t h eo t h e ri si n d u s t r i a lc o m p u t e rc o n t r 0 1 u n d e rt h ef i e l dc o n t r o lp a t t e r n ，t h e p r o g r a m m a b l el o g i c a le o n t r o u e r ( p l c ) i s u s e da sm a s t e rc o n t r o lu n i ta n dt h ef i e l d o p e r a t i o nk e y b o a r di su s e dt oe x e c u t et h ek i n e t i cc o n t r o la n ds t a t em o n i t o r i n go f h a l f s i n ep r e s s u r eg e n e r a t o r a su n d e rt h ei n d u s t r i a lc o m p u t e rc o n t r o lp a t t e r n ， t h ei n d u s t r i a lc o m p u t e ri sc h i e f l ya c t e da su p p e rs t a t i o na n dw eu s e st h eh a l f _ _ d u - p l e xs e r i a lc o m m u n i c a t i o nm o d e t oc o n t r o lt h ep l c sa c t i o n ，s ot h a tw ec a nc o n 。 t r o lt h eh a l f s i n e p r e s s u r eg e n e r a t o ri n d i r e c t l y w i t h l a b w i n d o w s c v i ，t h e t e s ta n dc o n t r o ls y s t e m s p p l i c a t i o ns o f t w a r eh a sb e e nw o r k e do u tt oi h l x i z em a n m a c h i n ec o n v e r s a t i o nw i t hv i r t u a lb e n c hf o r m t h e s y s t e mi so p e r a t e dn o r m a l l yt h r o u g ht h ep r a c t i c a ld e v i c ed e b u g g i n g i t p r o v e st h i sp a p e r sf u n c t i o n a ld e s i g ni sr e a s o n a b l ea n d a l s os h o w st h ep l c a p p l i e d i ns e q u e n t i a lc o n t r o lt h ed e v i c ei ss a t i s f a c t o r y i t sp o w e r f u lc a p a b i l i t yo ne o m m u n i c a t i o na n d n e t w o r k i n g a l s op u tt h ei n d u s t r i a lc o m p u t e r sc o n t r o ls c h e m ei n t oe f f e e ta n dt h em e t h o di sp r o v e df e a s i b l y k e y w o r d s ：q u a s i d y n a m i cp r e s s u r ec a l i b r a t i o n ，p r o g r a m m a b l el o g i c a l c o n t r o l l e r l a b w i n d o w s c v l ，m u h i d r o ph a l f d u p l e x s e r i a le o m m u n i c a t i o n d i s t r i b u t e dc o n t r o l 硕士学位论文准动态压力标定装置测试控制系统研究 l绪论 “准动态压力标定装置”是九五期问国家重点科研项目之一，是兵器系统 靶场测试计量部门重要的实验设备。本装置主要用于对兵器膛压测置器材和 传感器进行准动态和动态标定。由于膛压的压力值较高，目前巳达到7 0 0 m p a 左右，而且是变化较快的瞬变参数，延续时间在毫秒级，因而其测试技术与其 它工业技术领域的压力测试有较大的差别，所以又是兵器行业最具特色的测 试项目之一。 膛压的准动态标定，是指对用于测量膛压峰值的魍性测压器材用类似于 膛压曲线的半正弦压力脉冲进行标定，从而消除其动态系统误差，使塑性测压 器材测得的膛压峰值更为准确，与电测值保持一致，这是本标定系统的主要功 能。 本系统的第二功能是对用于膛压测量的高压传感器用半正弦压力脉冲进 行动态标定，以获取其灵敏度等工作参数。与静态相比，这种标定方法加载时 间短，有利于提高传感器的使用寿命，同时可以对传感器的动态实用性进行 检验。 本项目是基于南京理工大学八十年代一系列科研成果的基础上，为使国 内现有装置性能进一步提高和改善，实现标定过程全自动化，完成科研向产品 的转换而设计的。这套装置将会是性能更先进，工作更可靠，操作更方便，外 观更美观的准动态压力校准系统。它将对我国膛压测量体制产生深远的影 响。 本论文的主要研究内容是“准动态压力标定装置”中的测试控制系统原理 设计和功能的实现，完成测试控制系统的硬件调试和软件编制工作，实现装置 的自动化要求。 2 系统组成及原理1 9 9 8 年1 2 月 2 系统组成及原理 2 1 系统组成 准动态压力标定装置系统组成如图2 1 1 所示。其中各部分的工作原理 及作用分别说明如下： 图2 1 1 准动态压力标定系统框图 半正弦压力源是落锤式的，其工作原理( 参看图2 1 2 ) 是重锤由一定高 硕士学位论文准动态压力标定装置测试控制系统研究 度h 自由下落而获得一定的动能w = m g h ，重锤接触活塞后依靠其动能推动 活塞压缩油缸内的液体，从而将重锤动能逐渐转变为油缸内液体的压力势能。 当动能减为零时活塞停止运动，压力也就达到峰值，然后被压缩的液体膨胀推 动活塞及重锤向上运动，压力也逐渐降低，直到活塞恢复到起始位置。压力也 恢复到零。这样重锤下落打击活塞一次，即可在油缸内产生一半正弦形的压 力脉冲。压力峰值及压力脉宽可以通过调节m 、h 、v o 和s 等参数来加以改变 ( v 。是油缸的初始容积，s 是活塞工作面积) 。 标准测压系统用于确定半正弦压力脉冲的压力峰值，作为准动态标定的 标准压力。标准测压系统由标准传感器、电荷放大器和波形存储器组成。考 虑到精度要求，标准测压系统由四个相同的测压通道组成，最后取四个测试数 据的平均值作为压力标准值。为了消除电荷放大器增益漂移的影响，设簧了 电荷校正器，通过对电荷放大器及时的校正而达到消除漂移影响的目的。 所有的设备和仪器由一台智能化的不间断电源供电。而所有的设备和仪 器均由一台工控计算机进行监视和控制。如半正弦压力源的压力设定、锤体 防多次冲击、锤体复位、配套仪器及电源工作状态设定及监视。电测数据采集 等均由工控机进行统一监视。 图2 1 2 半正弦压力源工作原理图 2 系统组成及原理1 9 9 8 年1 2 月 2 2 半正弦压力发生器设计 半正弦压力发生器是整个装置的重要组成部分，系统组成如图2 2 1 所 示，其机械装置基本结构包括：( 1 ) 滚珠丝杠提升机构( 2 电磁铁挂锤架( 3 ) 重锤( 4 直导轨( 5 ) 无杆气缸( 6 ) 托锤架( 7 ) 光栅尺( 8 ) 油缸组件。 图2 2 1 准动态压力标定装置姑构示意图 半正弦压力发生器的工作过程是电磁铁挂锤机构由滚珠丝杠带动精确定 位到所需的高度，托锤架托住重锤向上运动，使重锤接近挂锤架，电磁铁加电 吸住重锤。托锤架下降到最低点，电磁铁断电释放重锤，重锤沿导轨自由下落 打击油缸组件的活塞，以产生半正弦压力曲线。当重锤下落到达测速起点时 4 硕士学位论文 准动态压力标定装置测试控制系统研究 取先启动托锤架上升，防止重锤打击活塞后反跳二次打击活塞。托锤架接住 重锤后停止运动，完成一个工作循环。在整个工作过程中，半正弦压力发生器 运动部件运动关系如下： ( 1 ) 电磁铁挂锤机构由滚珠丝杠提升机构带动可在导轨上做上下运动，以 便精确的定位在所需要的高度。其中滚珠丝杠提升机构由步进电机驱动。 ( 2 ) 电磁铁通断电可以吸挂和释放重锤。 ( 3 ) 重锤由托锤机构托住可以在导轨上做上下运动，以便打击油缸组件中 的活塞，其中托锤架由气阀系统控制无杆气缸驱动，气动托锤系统动作方式如 图2 2 2 所示。 图2 2 2 气动托锤系统运动控制结构示意围 托捶架匀速上升：阀2 通电；托锤槊匀速上升停止：阀2 断电； 托锤榘快速上升：阙2 、4 通电；托锤架快速上升停止：闽2 4 断电 托锤架匀速下降：阅1 通电；托锤架匀速下降停止：阀1 断电。 5 2 系统组成及原理 1 9 9 8 年1 2 月 2 3 半正弦压力发生器测试控制系统设计 本测控系统由工控微机、可编程序控制器( p l c ) 、气阀系统、位置探测传 感器、压力源机械装置组成。如图2 3 1 所示。其相互控制关系将在下一章 图2 3 1准动态压力标定装置限位状态示意图 详细介绍。系统中位置探测传感器由开关薰分别表示当前系统各个部分处于 不同状态。其具体含义如下： s 1 ：挂锤架到达最高点检测开关。选用微动开关。 $ 2 $ 3 ：重锤接近挂锤架托锤架检测开关。选用微动开关。 s 4 ：托锤架到达次低位检测开关。选用接近开关。 6 硕士学位论文准动态压力标定装置测试控制系统研究 s 5 ：测速起点检测开关。选用一保高亮度的发光二极管以及一只高频响 的光敏二极管对直安装成一条光路。 s 6 ：托锤架到达最低位检测开关。选用接近开关。 s 7 ：安全门关闭检测开关。选用微动开关。 s 8 ：对零过程位置检测开关。选用继电器开关。 “半正弦压力发生器”控制任务包括： ( 1 ) 按照要求的高度，控制步进电机带动挂锤机构精确定位。 ( 2 ) 控制无杆气缸的气阀系统，使托锤架按照要求上下运动， ( 3 ) 控制重锤被挂锤机构吸住。 ( 4 ) 控制重锤从挂锤机构释放。 ( 5 ) 重锤下落打击活塞后反跳，托锤架自动上升托住重锤。 ( 6 ) 挂锤机构上下运动界限自动确认。 ( 7 ) 托锤架上下运动界限自动确认。 ( 8 ) 挂锤机构高度自动校准。 ( 9 ) 安全门打开时，若系统处于危险状态，则自动报警且停止工作。 - 7 3 准动态压力标定装置测试控制系统功能设计1 9 9 8 年1 2 月 3 准动态压力标定装置 测试控制系统功能设计 3 1准动态压力标定装置测控方案设计 “准动态压力标定装置”的现场直接控制工作由西门子公司生产的 s i m a t i cs 7 2 0 0 可编程序控制器( p l c ) 单元来承担，而作为全系统控制、 调度中心的工业控制计算机负责向p l c 单元传送模型解算获取的落高参数 并通过p l c 间接控制“准动态压力标定装置”的动作和获取“半正弦压力发生 器”现场状态。控制系统结构图如图3 1 1 所示。 整个“准动态压力标定装置”控制系统的控制方式由两部分组成：现场控 制和工控微机控制。由开关k 1 0 的电平高低来决定。当k 1 0 接通时，处于现 场控制状态。此时p l c 的r s _ - 4 8 5 串行接口设置为p p i 方式，不接收工控微 机的指令，而由现场控制键盘和遥控器完成各项控制功能。当k 1 0 断开时， 处于工控微机控制状态，由工控微机给p l c 发送指令，完成各项功能，工控微 机通过p l c 获取现场各状态参量，而现场控制键盘处于无效状态。在工控微 机控制状态下，工控微机对p l c 、光栅数显表、落速测量仪的控制是通过r s 一 4 8 5 串行总线来实现的。 3 2 现场控制功能的设计 为方便“半正弦压力发生器”的调试和某些简单的实验工作( 不需要“压力 发生器”模型解算) ，在现场控制单元中安排一组简明的“现场操作键盘”。安装 在操作时操作者可以直接观察到挂锤架、托锤架等运动状态的部位，使“压力 发生器”可以脱离总控的“工控微型机”独立工作。在现场调试过程中，当半正 弦压力发生器处于准备好状态和实验过程中具有一定的危险性，为了保证操 8 硕士学位论文准动态压力标定装置测试控制系统研究 图3 1 1 准动态压力标定装置控带l 系统结构图 9 - 3 准动态压力标定装置测试控制系统功能设计 1 9 9 8 年1 2 月 作人员的人身安全以及半正弦压力发生器在不作实验过程中处于无尘状态， 在半正弦压力发生器外部加装机柜保护，机柜外壳采用全封闭的结构，前面 设置一安全门，当进行“实验准备”、“暂停”、“实验”等功能调试时，必须关闭安 全门。在现场操作的设计中，j c 述- - 种功能的实现由一无线遥控器单独进行 控制。现场操作键盘和遥控器安排如图3 2 1 所示，为了操作方便，将现场的 “当前状态指示”结合到操作键盘上对当前状态下有效的操作键用指示 灯显示( 灯亮有效) ，图3 2 1 中“* ”即表示此指示灯。各键对应的控制功能 如下： 图3 2 1 现场操作键盘与遥控器结构示意图 ( 1 ) “挂锤架上升与“挂锤架下降”：按下键位，挂锤架将持续上升( 下降) ， - l o 硕士学位论文准动态压力标定装置测试控制系统研究 松开键位或挂锤架运动到上、下极限位置时，挂锤架停止运动。挂锤架的当前 高度由显示屏实时显示( 挂锤架的高度以挂锤后重锤具有的下落高度显示) 。 ( 2 ) “托锤架上升”与“托锤架下降”：按下键位，托锤架将持续上升( 下降) ， 松开键位或托锤架运动到上、下极限位鬣时，托锤架停止运动。 ( 3 ) “挂锤”与“放锤”：当重锤已接近挂锤架但尚未被挂住时，按压“挂锤” 键。挂住重锤。当重锤被挂锤架挂住，而且托锤架接近重锤时，按压“放锤”键， 挂锤架将重锤释放由托锤架将其托住。 ( 4 ) “复位”：“复位”键在各种待命状态下都有效。按压“复位”键，托锤架 上升直到接近重锤，电磁铁动作，挂锤架释放重锤，托锤架托住重锤下降到次 低位，完成一个工作循环。( 在不同待命状态下“复位”动作起点不同，此为最 远起点。) ( 5 ) “校零”：由于在各种实验过程中，需要更换不同的油缸组件，各种不同 的油缸组件将具有不同的高度基准，所以在每组实验前都要进行高度基准的 校对工作。“校零”键只有在复位完成的状态下才有效。按压“校零”键，挂锤 架持续下降直到接近重锤，电磁铁动作将重锤吸挂住，托锤架下降到最低位， 挂锤架带动重锤微步下降，直到锤头接触活塞后发出清零信号，挂锤架带动 重锤上升一定距离，最后托锤架在次低位托住重锤，完成校零工作。 ( 6 ) “准备”：当系统未达到“实验准备好”状态( 挂锤架处于要求的高度且 重锤被吸挂在挂锤架上，托锤架在最低位) 时，“准备”按键有效。按下键位， 托锤架托住重锤上升使重锤接近挂锤架，电磁铁通电使挂锤架挂住重锤，托 锤架下降到最低位，平均落速测量系统复位c 准备) 且给出准备好信号，使系统 处于“准备好”状态。( 不同待命状态下“准备”动作起点不同，此为最远起点。) ( 7 ) “暂停”：当系统处于“实验准备好”状态时，“暂停”按键有效。若此时 不能立即进行实验工作，则按压键位，托锤架上升接近重锤，电磁铁断电释放 重锤，使重锤被托架托住，以免电磁铁长期通电产生过热现象。 ( 8 ) “实验”：“实验”键在系统处于“实验准备好”状态时有效。按压“实验” 键，则平均落速测量系统复位( 准备) ，电磁铁断电释放重锤，熏锤下落到达测 1 1 3 准动态压力标定装置测试控制系统功能设计 1 9 9 8 年1 2 月 速起点时取先启动托锤架快速上升，重锤打击活塞反跳后被托锤架托住防止 二次打击活塞，托锤架上升到次低位后停止上升，完成一次实验工作。 3 3 工控微机控制功能设计 工控微型计算机作为全系统的控制调度中心，在对“半正弦压力发生器” 实施控制时，将基于“压力发生器”已调试就绪的前提操作者通过“现场控 制单元”将“压力发生器”安装调试好后才把控制权交给工控微机。因此，工控 微机对“压力发生器”的控制功能将不包含面向调试的单步操作，而只考虑面 向实验任务的复合操作。其控制软面板设计为图3 3 1 所示。其设置“落高 ( 压力) 设定”、“挂锤架定位”、“实验准备”、“暂停”、“实验”和“复位”等6 个控 制按钮。其中后五个按钮与p l c 的具体操作有关，各按钮功能如下： 圈3 3 1 “半正弦压力发生嚣”微机控制软面板 ( 1 ) “挂锤架定位”：当“当前落高”与“设定落高”不相等时，此按钮有效( 按 钮有效时正常显示，无效时灰暗显示，t n ) 。指点此按钮，工控机经过状态判 断处理而向现场p l c 发送相应指令后由现场控制单元p l c 具体完成以下动 1 2 - 硕士学位论文 准动态压力标定装置溯试控锎系统研究 作：( a ) 工控机将设定落高数据传送给现场微控制器p l c 。( b ) 托锤架上升到 接近重锤。( c ) 挂锤架释放重锤。( d ) 如果“设定落高”小于当前落高，则托锤 架带锤下降到次低位。( e ) 挂锤架运动到设定落高。( f ) 工控机从光栅测量 系统读取当前落高。在某些待命状态下可能不必进行( b ) 或( b ) ( c ) 或( b ) ( c ) ( d ) 等操作。 ( 2 ) “实验准备”：当系统未达到“实验准嵛好”状态( 最锤l 吸挂在挂锤架卜 托锤架在最低位) 时，“实验准备”按钮有效。指点此铵钮将完成如一f 动作后系 统处于“实验准备好”状态。( a ) 托锤架托重锤上升使重锤接近挂锤架。( b ) 挂锤架挂住重锤。( c ) 托锤架下降到最低位。( d ) 平均落速测量系统复位( 准 备) 。( e ) 给出实验准备好信号，其中( a ) 一( d ) 各项操作均为工控机经过判断 处理而向现场p l c 发送相应指令后由p l c 控制单元具体完成，在某些待命 状态下可能不必进行( a ) 或( a ) 、( b ) 或( a ) 、( b ) 、( c ) 等操作。 “复位”：“复位”按钮与现场控制的“复位”键功能一样。指点“复位”按 钮时，由工控机向现场微控制器p l c 发送复位信号，然后由p l c 完成复位操 作。 1 3 4 系统硬件软件设计1 9 9 8 年1 2 月 4 系统硬件软件设计 4 1 测控系统硬件设计 整个“准动态压力标定装置”测控系统的硬件由s i m a t i cs 7 - 2 0 0 p l c 、落速测量仪、光栅数显表、工控微机组成，运动执行部件由p l c 驱动步 进电机、电磁阀组、电磁铁组成。 4 1 1s i m a t i cs 7 2 0 0p l c 硬件配置及性能原理 作为整个系统测试控制实施单元的s i m a t i cs 7 2 0 0p l c 具有杰出的 实时功能和强大的通迅能力，使其在简单的控制应用和解决复杂的自动化控 制任务方面得到广泛的应用，其主要特点为集成的2 4 v 传感器负载电源，可 以直接连接传感器和执行器，允许的输出电流从8 0 m a - - 4 0 0 m a ，也可以作为 负载电源使用；指令的执行时间平均约为0 8 9 s ，可以大大缩短程序时间；具 有大量的各种基本操作指令，如二进制逻辑、结果赋值、存储、计数、算术运算、 装载、传送、比较、移位、循环、产生补码、调用子程序等；具有使用方便的函数， 如脉冲宽度调制、脉冲序列函数、转移函数、循环函数，这些程序和函数简化了 编程。计数器简便的计数功能为用户提供了另外一些应用领域。边沿触发中 断可对过程事件作出快速响应，中断时间可以设置为5 m s - - - 2 5 5 m s ，步长为 i m s 。计数中数可以达到设定值触发或由计数方向的改变，触发通迅中断允 许外设如打印机或条形码阅读机进行快速的数据交换，循环周期内可单独对 输入输出进行查询和直接置位，这样可编程序控镪器可对过程事件进行快速 响应。三级口令保护可确保对用户程序作有效保护，调试和诊断方式下进行 输入、输出的强制设置，为测试用户程序，输入和输出可以永久设置成与取指 周期无关的状态。具有2 个高频脉冲输出( 最大4 k h z ) ，便于实现定位控制， 并可通过电源开断来控制步进电机。数字量扩展模块提供了除本机集成的数 字量输入输出点外更多的点数，用户可分别对p l c 及任何扩展模块的混合 1 4 硕士学位论文准动态压力标定装置测试控镧系统研究 体进行组态，以满足应用的确切要求，同时节约不必要的投资费用，当应用范 围扩大时，p l c 可进行升级，对用户程序可方便地进行修改。 本装置测控系统选用的p l c 硬件配置如下： 1 s i m a t i cs 7 2 0 0p l cc p u 2 1 4 直流输出p l c 主机。具有1 4 点输 入，1 0 点输出。 2 e m 2 2 18 点直流输入扩展模块。 3 e n 2 2 28 点继电器输出扩展模块。 在系统应用中各i o 口的配置情况如下： 8 点输入扩展模块( 8 口) ： i2 0 = “挂锤架上升”按键信号输入( 1 号按键) i2 1 = “挂锤架下降”按键信号输入( 2 号按键) k l k 2 i2 2 = “托锤架上升暂停”按键信号输a ( 3 号按键) k 3 k 1 2 i2 3 = “托锤架下降准备”按键信号输a ( 4 号铵键) k 4 k l l i2 4 = “挂锤控制方式”按键信号输入( 5 号铵键) k 5 k 1 0 i2 5 = “放锤试验”按键信号输人( 6 号按键) i2 6 = “复位”按键信号输入( 8 号按键) c p u 2 1 4 自带输入口【1 4 口l ： 10 0 = 中断输入( 备用) 10 1 = 中断输入( 备用) io 2 = 中断输入( “高度校零起动清零”) 10 3 = 中断输入( “重锤下落到测速起点”光电信号输入) 10 4 = “挂锤架到达最高位”开关信号输入 10 5 = “托锤架到达次低位”开关信号输入 10 6 = “托锤架到达最低位”开关信号输入 10 。7 = “重锤贴近挂锤头”开关信号输入 i1 0 = “重锤接近托锤架”开关信号输入 i1 1 = “安全门关闭”开关信号输入 i1 2 = 备用 i1 3 = 备用 i1 4 = 备用 】5 k 6 k 7 k 8 4 系统硬件软件设计1 9 9 8 年1 2 月 i1 5 = 备用 c p u2 1 4 自带输出口( 1 0 口) ： q0 0 = 脉冲输出l ( 步进电机顺时针旋转，挂锤架上升) q0 1 = 脉冲输出2 ( 步进电机逆时针旋转，挂锤架下降) q0 2 = 1 号键指示灯( 挂锤架上升) qo 3 = 2 号键指示灯( 挂锤架下降) qo 4 = 3 号键指示灯( 托锤架上升) q0 5 = 4 号键指示灯( 托锤架下升) q0 6 = 5 号键指示灯( 挂锤) q0 7 = 6 号键指示灯( 放锤) q1 0 = 7 号键指示灯( 高度校零) q1 1 = 8 号键指示灯( 复位) 8 点继电器输出扩展模块【8 口) ： d l d 2 d 3 d 4 d 5 d 6 d 9 d 8 q2 0 = 托锤气缸电磁阀1 q2 1 = 托锤气缸电磁阀2 q2 2 = 托锤气缸电磁阀3 q2 3 = 托锤气缸电磁阀4 q2 4 = 挂锤电磁铁 q2 5 = 清零使用( u c l e a r ) q2 6 = “待发! ”指示灯报警喇叭d 1 3 b 1 q2 7 = 备用 * 1 k 9 “高度校零”按钮； * 2 k 7 锤头一活塞接触开关； * 3 “手控”指示灯( d 1 4 ) 、“机控”指示灯( d 1 5 ) 由按键和继电器直接控制。 4 1 2 落速测量系统设计 由于重锤下落过程是由两根竖直杆做导向，为了判断重锤下落是否正常， 在系统中设计了平均落速测量系统来精确测量落锤即将下落到底之前一段 距离( 1 0 m m ) 内的平均速度。采用的测量方案是：在重锤的侧面安装一个凹形 的遮光靶，( 如图4 1 2 1 所示) 由一个高速高精度的计时电路记录凹形靶两 次遮住信号s 5 的时差t 取出并换算获取平均落速。系统框图如图4 1 2 2 1 6 硕士学位论文准动态压力标定装鬣测试控锎系统研究 所示。 图4 1 2 1 测速凹形遮光靶结构示意图 围4 1 2 2 洲速系统原理枢图 根据最大落高h 。= 1 2 m ，可算出落锤的最大落速可达到： v 。= 4 2 9 h 。= 4 8 5 m s 落锤凹形靶以速度v 。通过l o m m 长的测速区间所用时间将为： train：粤：06train 20 6 m s 2 百一2 由此可知，在假定区间长度测量无误差的理想前提之下，若要保证浏速 误差不超过1 ，则测量误差应不大于斋嵩= 2 0 6 炉。于是将计时电路的允 许计时误差定位在2 鹏。测速电路如图4 1 2 3 所示。 凹形遮光靶通过槽隙式光电断续器时产生两个脉冲信号，由于光路本身 的宽度。加上挡光靶的震动，在两个脉冲的上升沿处有干扰，造成比较器输出 的误翻转，影响精度计数，该系统采用软件和硬件相结合的方法，从重锤开始 1 7 4 系统硬件软件设计1 9 9 8 年1 2 月 图4 1 2 3 测速电路电原理图 1 8 硕士学位论文准动态压力标定装置涌试控锎系统研究 下落到最低位置时，由程序控制整形电路消除误翻转的影响，提高计数的精 度。 微控制器在上电复位后，进行本系统初始化，然后进人等待状态，此时处 于只能由串行口接收命令状态，在接到串行口的接收中断( r i ) 后，接收8 帧数 据，检查和校验、地址值都相匹配后，根据命令执行相应的处理。微处理器接 收到符合数据格式但内容有误的信息后，将不进行任何处理，重新进入等待状 态；接收到有严重错误的数据信息( 如数据格式错、帧数错等) 后，将重新初始 化本系统，丢失当前所有数据信息。 微控制器在接列挂锤命令后。开始监控光电管的状态，在接到第一个上升 沿时，启动内部计数器开始计数( 系统时钟振荡频率1 2 m h z ，计数器计数频率 为l m h z ) ，同时向p l c 发出锤已打下信号。延时l m s ( 或根据锤高由程序控 制延时时阊) 后，控制d 触发器复位，继续监控光电管的状态，接收又一个上 升沿( 第二个上升沿) 时停止计数，同时撤消向p l c 发出的锤已打下信号。微 控器进行数据处理后，进入等待状态。 微控制器在接收到工控微机发送的命令后，开始由r s 4 8 5 串行口向工 控机发送8 帧数据，按先后顺序依次为：接收站地址、0 0 h 、发送站地址、计数 值低8 位、计数值高8 位、0 0 h 、0 0 h 、和校验。微控制器发送数据完成后，进入 等待状态。 由于工控微机和p l c 的串行接口物理特性都是r s 一4 8 5 形式，所以落速 测量仪的接口也设计为r s 一4 8 5 形式。r s 一4 8 5 是一种多发送器的电路标 准，其接口采用一对平衡差分信号线。允许双导线上一个发送器驱动3 2 个负 载设备，负载设备可以是被动发送器、接收器或收发器、r s 一4 8 5 总线接口的 连接方式是将驱动输出和接收输入端连接在起，再通过这一对线连接出去。 r s 一4 8 5 比r s 一2 3 2 c 具有传输信号距离长、速度快且可带多个负载设备等 优点，因此被本测控系统所采用。在系统接口设计中选用的是带光电隔离的 r s 一4 8 5 串行通讯接口芯片m a x l 4 8 0 b 。该产品将光电耦合器、变压器、d c d c 转换器和二极管等器件组装于单一2 8 引脚双列直插封装内构成一个完 1 9 4 系统硬件软件设计1 9 9 8 年1 2 月 整的r s 一4 8 5 收发器，是专为半双工串行通讯模式设计的，其主要特点是具 有限摆率驱动器，即驱动器发送的数字信号的摆率是受限制的，以使电磁干扰 减到最小，且能减小由于电缆终端不匹配而引起的反射，在数据速率高达 2 5 0 k b p s 时能做到无误差的数据传送，接口电路如图4 1 2 3 所示。 把d e 接至高电平可使驱动器输出为使能状态。当使能时，器件起着线 驱动器的作用，当d e 为低电平时，驱动器输出为高阻状态，在输出为高阻状 态时，器件起着接收器的作用。 m a x l 4 8 0 是为多点总线传输线中双向数据通讯而设计的，在应用电路设 计中，为了提高数据通讯的可靠性应注意以下两点： 1 为了使反射为最小，在传输线的两端应接阻值等于传输线特性阻抗的 匹配电阻。并且各通讯点到主传输线的接线长度应尽可能短。但限摆率的 m a x l 4 8 0 b 对终端匹配及通讯点到主线接线的要求不高。 2 在印刷电路板布线时，其隔离层两侧的元器件和连线应分开，并且应 尽量使隔离层的宽度为最大。在地和隔离地之间至少留有6 2 5 m m 的空隙。 在印刷电路板上，隔离层的每一侧上连接到地的屏蔽线可以切断电容性电流， 否贝l j 这些电流有可能耦合到信号通路。在双面或多层板中，这些屏蔽线在所 有的导体层上都应该有。 4 1 3 步进电机选型及其控制方案设计 4 1 3 1 总体要求与结构方案设计 步进电机选型首先考虑满足两方面的要求：( 1 ) 提供足够大的转矩，确保 灵活驱动挂锤架上下运动；( 2 ) 步进分辨率须适应高度精确定位的需要。 根据选定的滚珠丝杠和可能的最大锤重，已计算得驱动滚珠丝枉带动挂 锤架平稳运动所需的转矩约为1 0 n m ，考虑到可能的加速影响加大一倍按 2 0 n m 的静力矩要求选择电机应能保证灵活驱动挂锤架上下运动( 在正常情 况下。挂锤架上下运动时其上并不带重锤，只有在进行零点对正时才带锤运 动) 。 2 0 硕士学位论文准动态压力标定装置测试控制系统研究 由于挂锤架高度检测采用了分辨率为5 p m 的光栅尺，滚珠丝杠每转的移 动距离为5 m m ，因此步进电机的步进分辨率应不低于1 0 0 0 ，以使步进电机能 够精确地驱动挂锤架到达光栅尺可以确认的精确位置。 为了提高可靠性，步进电机的驱动器将采用商品化的整体结构。对其基 本要求包括驱动平稳，能有效防止失步，具有细分步进功能，以配合步进电机 达到步进分辨率不低于1 0 0 0 的要求( 步进电机的步距角一般为1 2 。或1 8 。， 不细分时分辨率只能达到3 0 0 或2 0 0 ) 。 因为挂锤架的高度采用了光栅尺检测定位，由它确定的挂锤架高度数据 通光光栅数显表的r s 一4 8 5 串行接e l 可及时传给现场的微控制器，而此数据 要传给现成的商品化步进电机控制器则较困难。另外，一般的商品化步进电 机控制器也不能直接满足对挂锤架运动控制的特定要求。因此，步进电机的 控制将不另采用专用的商品化步进电机控制器，而由现场控制单元微控制器 p l c 直接协调控制。 4 1 3 2 步迸电机与驱动器选型 根据上述整体考虑，兼顾安装位置空间对结构尺寸小巧的要求，步进电机 及其配套驱动器，选用日本伺服公司的k t 8 6 s m l 5 1 1 和f t d 3 5 3 p l l 一0 1 。 其中三相混合式步进电机k t b 6 s m l 5 5 1 的步距而为1 2 0 ，最大静转矩可达 3 9 2 n m ；与之相配的驱动器f t d 3 5 3 p l l 一0 1 具有专、专、专细分功能。应用 时采用 细分方式，相应的步进分辩率为：再3 6 0 ；0 4 ：1 2 0 0 步转。 4 1 3 3 控制流程设计 根据半正弦压力发生器控制功能设计要求，步进电机驱动挂锤架运动的 方式可分为事先未知距离的运动和定距离运动两类，后者对应将挂锤架定位 到设定高度的操作，前者发生在其它操作时。 ( 1 ) 定距离运动控制流程 此时工控微机通过高度检测系统知道当前的挂锤架高度h b ，然后根据设 定落高h ，可得出步进电机需要带动挂锤架运动的距离a h = h 一h b ，将h 2 l 4 系统硬件软件设计1 9 9 8 年1 2 月 换算成步进电机步进倍数后通过串行接口传送给现场微控制器p l c ，p l c 根 据此步进步数输出相应的脉冲数。其中，步进电机每次步进h 的速度设计 为图4 i 3 3 1 所示，而加( 减) 速过程的步数x 取a h 2 和1 9 9 两数中的小 者，若a h 2 小于1 9 9 ，则最高步进频率将低于2 k h z ，但对于较小的a h ，步进速 度相对较低不会产生太明显的操作等待问题。由于步进电机不可避免的会产 生失步等异常现象，因此当一个h 的距离运动完毕以后，工控微机将再次检 测当前高度h b ，以确认h 是否为零，若不为零则继续执行上述过程，直至h = h b 为止。 2 k h z 1 0 1 t z 图4 1 3 3 1 步进电机定距离运动速度控制i l l ( 2 ) 未定距离运动控制流程 未定距离运动发生在现场手动指定挂锤架上升( 下降) 的操作和要求挂锤 架上升( 下降) 到某个接近开关附近时。由于事先未知运动距离( 参数) ，故只 能采用反复检查运动条件的控制流程。示意如图4 1 3 3 2 所示，其中步进 条件根据具体操作而定，如手动指定挂锤架上升的步进条件为：键盘上“挂锤 架上升”键被按下与挂锤架尚未到达最高点硒条件的逻辑与。未定距离运动 时，只使步进电机匀速运动，步进频率大致控制在1 k h z 左右。 2 2 - 硕士学位论文准动态雎力标定装置测试控制系统研究 p l c 脉冲输出 8 n l 工控微机从光栅高度检澜系统读 取当前落高数据。两次读取无差 异时确认；否则再读取，直到 最后两次无差异时确认。 圈4 1 3 3 2 步进电机未定距离步进运动控帝l 流程图 4 1 4 系统控制板设计 在本装置的测控系统中，由于考虑到安装接线的方便和系统控制逻辑的 顺利执行。设计了如图4 1 4 1 所示的系统控制板。此控制板主要完成以下 控制功能： 2 3 4 系统硬件软件设计1 9 9 8 年1 2 月 圜4 1 4 ，t系统控削板电原理图 2 4 硕士学位论文准动态压力标定装置测试控制系统研究 ( i ) 通过并：关k 1 0 来选择系统是处j ：现场控制状态还魁处1 ：j 二控微机控 制状态。( 由指示灯d 1 4 、d 1 5 区分，当d 1 4 有效时，处于手控状态，当d 1 5 有 效时处于机控状态) ( 2 ) 在现场控制状态通过安全门开关s 。判断是处于键盘控制状态还是处 于无线遥控控制状态。 ( 3 ) 完成p l c 对步进电机、电磁铁、光栅高度检测系统校零、按键有效指 示灯的逻辑控制。 ( 4 ) 完成p l c 对位置控制传感器、现场操作键盘按键等的状态检测。 ( 5 ) 系统处于待发状态的报警指示控制。 ( 6 ) 所有外部设备的电源供电。 4 2 系统软件设计 整个“准动态压力标定装置”的软件包括两个部分：一是现场微控制器 p l c 的软件；二是工控微机的系统控制及系统管理软件。在本论文中完成的 主要是p l c 软件和工控微机中与半正弦压力源测试控制相关的软件。 4 2 1 现场微控制器p l c 程序设计 微控制器p l c 的程序是用西门子公司专为s i m a t i cs 7 2 0 0 可编程序 控制器设计的s t e p m i c r o 软件，它主要用于用户开发s i m a t i cs 7 2 0 0 p l c 的控制程序以及实时监控程序的执行状态。 由于p l c 程序执行过程有其自己的特殊性，所以p l c 的程序设计也有其 独特性。p l c 在运行过程中，自动重复执行用户程序，每一次执行称为一次扫 描，每个基本扫描周期包括下述五个步骤： ( 1 ) 将输入信号读入输入映象区。在每个扫描周期的开始，总是首先读人 连接着该p l c 的各输入信号当前值( 状态) 。并把这些值依次写入输入映象 区。 2 5 4 系统硬件软件设计1 9 9 8 年1 2 月 ( 2 ) 执行用户程序。p l c 在每个扫描周期中，都从主程序的第一条指令开 始执行，直至主程序结束为止，其中予程序是由主程序中的“调用”指令来调用 的，如果在主程序中开放了中断，则在执行主程序的任意时刻产生中断请求 时，可随时得到响应。所以中断服务程序并非在每个扫描周期都执行，但也可 能在一个扫描周期中执行多次，所以它的执行是与主程序“异步”的。 ( 3 ) 通讯事务的处理。p l c 对通讯端口信号处理，是在每个扫描周期中定 时执行的，以便处理数据的传输事务等。 ( 4 ) p l c 的内部事务处理。p l c 定期检查系统中系统程序和用户程序区 以及检查i o 模板的状态，即它检查的是p l c 内部的硬件系统，这是为提高 p l c 的可靠性丽设置的。 ( 5 ) 输出信号的刷新。p l c 在执行用户程序的过程中，只把计算所得的输 出信号存入输出映象区，而不直接送到输出节点上，只有在每个扫描周期的最 后一个步骤，才统一将输出映象区中的输出信号同时送到输出节点上，这样有 利于各控制对象动作之间的互锁和控制。 除上述五个步骤以外，p l c 还可以随时响应用户的中断请求，并按预先设 定的优先级别依次异步执行。 在本装置的测控系统中p l c 的程序是出髑部分组成的，一是对应现场控 制中操作健盘按钮和遥控器按钮功能的程序；二是p l c 通过串行通讯口接收 工控微机发送的指令，依据指令完成不同动作的程序。其流程图如图4 2 1 1 所示。 4 2 1 1p l c 内部手动键盘控制子程序 在现场控 5 4 状态下，当安全门打开时，系统处于内部手动键盘控制模式。 此时可以对“半正弦压力发生器”作些简单的调试工作，为实验做准备，其程序 流程图如图4 2 1 1 1 所示。 2 6 硬士学位论文准动态压力标定装置测试控制系统研究 图4 2 1 1p l c 控制主程序流程图 - 2 7 4 系统硬件软件设计1 9 9 8 年1 2 月 图4 2 1 1 1p l c 内部手动键盘控枣l 子程序流程图 2 8 硕士学位论文准动态压力标定装置测试控制系统研究 ( 1 ) 挂锤架上升( k 1 ) 按键处理子程序框图如图4 2 1 1 2 所示。 图4 2 1 1 2 挂锤架上升按键处理子程序流程图 2 9 4 系统硬件软件设计1 9 9 8 年1 2 月 ( 2 ) 挂锤架下降( k 2 ) 按键处理子程序框图如图4 2 1 1 3 所示。 图4 2 1 1 3 挂锤架下降按键处理子程序流程图 3 0 硬士学位论文准动态压力标定装置测试控制系统研究 ( 3 ) 托锤架上升( b ) 按键处理子程序框图如图4 2 1 1 4 所示。 图4 2 1 1 4 托锤架上升按键处理子程序流程图 3 l 4 系统硬件软件设计1 9 9 8 年