（测试计量技术及仪器专业论文）基于vxi总线的水阻试验台的改进设计.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 水阻试验台是电传动内燃机车柴油机一发电机组及其电气装置试验调 整的专用设备，其测试系统不仅要求有较多数据采集通道。较高的测试精度 和采集的实时性，而且能满足不同类型机车的试验要求。本文结合青岛四方 机车厂项目水阻试验台检测系统，设计了各项指标符合国家标准的水阻 试验台的测试系统。 随着计算机与测试技术的发展，基于各种总线数据采集系统也得到飞速 发展。基于v x i 总线数据采集系统拥有众多优势，理应成为数据采集系统的 首选。 在试验过程中，设置两套水阻试验台，功能一样，每套水阻试验台分为 手动控制台和微机控制台。，同时可以对两台机车进行水阻试验。 本论文的主要任务是：硬件的选型，包括水阻箱的设计，智能双向仪表 硬件设计，传感器选型，v x i 数据采集器；软件模型的设计，包括软件熬体 框架、仪表网络通讯，数据处理及报表的生成；界面的设计：软硬件的调试。 软件模型采用u m l 统一建模语言，用面向对象的 编程语言d e l p h i 实现。报表采用m i c r o s o f tw o r d ，它具有强大的文字处理 功能，可以提供灵活的报表模版。 本文设计基于v x i 总线技术的水阻试验台测试系统，经过四方机车厂各 机车型的试验验证，操作方便，工作可靠符合设计要求。 关键词：水阻试验台；v x i 总线；数据采集；测试系统；d e l p h i 堕壹至逗查耋塑主塑塞竺兰篁迨塞蔓! ! 重 a b s t r a c t w a t e rr e s i s t a n c et e s t - b e di sas p e c i a le q u i p m e n tf o rd i e s e le n g i n eg e n e r a t o ro f g a se n g i n et r a i nd r i v i n gb ye l e c t r i c i t y t h et e s t i n gs y s t e mn o to n l yr e q u i r e sl a r g e n u m b e r so fd a t aa c q u i s i t i o nc h a n n e l s ，h i g hm e a s u r e m e n t p r e c i s i o na n ds a m p l i n g i nr e a lt i m eb u ta 1 g oc a nb ec o n f i g u r e df l e x i b i y n l et h e s i sd e s i g n sat e s t i n g s y s t e mo fw a t e rr e s i s t a n c et e s t - b e db a s e do nv x ib u s w h i c hi st h ep r o j c o to f q i n 融a ns i f a n gl o c o m o t i v ef a c t o r y w 池也ed e v e l o p m e n to f c o m p u t e rt e c h n o l o g y a n d t e s t i n g i n s t r u m e n t t e c h n o l o g y , t h ed a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mb a s e do i lav a r i e t yo fd a t ab u sh a sa l s o d e v e l o p e df l e e t l y c o m p a r e dw i t ho t h e rd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m ，m o r ea d v a n t a g e s a r ep r o v i d e dw h e nt h es y s t e mi sb a s e do nv x ib u s w h i c hm a k ei tb e c o m et h e c h i e f c h o i c ei nd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m t h em a i nw o r kw h a ti sr e s o l v e di nt l l et h e s i si s i n c l u d i n g t h e d e s i g n o f h a r d w a r ea n ds o f t w a r e h a r d w a r ed e s i g nc o n t a i n st h ed e s i g no fw a t e rr e s i s t a n c e ， t h ec h o o s eo fs e n s o r s t h ed e s i g no fi n s t r u m e n t s ，d a t aa c q u i s i t i o ni n s t r u m e n t b a s e do i lv x i s o f t w a r ed e s i g ni sc o m p o s eo ft h es t r u c t u r eo fw h o l es o f t w a r e d a t a p r o c e s s i n g a n dr e p o r tf o r l t t sa n dt h e d e s i g n o fg r a p h i cu s e ri n t e r f a c e s o f t w a r em o d u l ei sa c h i e v e db y u s i n gu m l a n do b j c o to r i e n t e dl a n g u a g e d e l p h i r e p o r t f o r i l l sa r ef u l f l l l e d b ym i c r o s o f iw o r d s ，w h i c hs p e c i a l i z e s i nw o r d p r o c e s s i n ga n dp r o v i d e sf l e x i b l er e p o r tf o r i l l s a c c o r d i n g t ot h er e q u i r e m e n t so f s i f a n gl o c o m o t i v ef a c t o r ya f t e r t h eh a r d w a r e a n ds o f t w a r ed e b u g g i n gi nt h el a b o r a t o r y , t h et e s t i n gs y s t e mi sq u a l i f i e dt om e e t a l lr e q u i r e m e n t sa n d p e f f o 咖ss u c c e s s f u l l y 硒e x p e c t e d k e y w o r d ：w a t e rr e s i s t a n c et e s t - b e d ；v x ib u s ；t h ed a t aa c q u i s i t i o ni n s t r u m e n t d e l p h i 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 研究意义和现状 第1 章绪论 机车水阻试验台是电传动内燃机车柴油机一一发电机组及其电气装置 试验调整的专用设备。它是以水电阻为负载，在机车处于静止状态下，模拟 机车的各种工况，对机车的性能参数进行检测、判断、整定，使机车或经过 检修后的机车性能达到出厂标准或“段修规程”规定的标准。 当前内燃机车已成为铁路运输的主要动力，为保证正常运输，内燃机车 要定时进行架修而机车水阻试验是架修后必不可少的检测手段，然而许多 机务段水阻试验设备陈旧，检测精度低，试验过程中人员紧张、疲劳，人工 处理数据花费大量时间。内燃机车水阻试验中，检测主发电机输出电压、电 流，主发f = 乜机励磁电压、电流，励磁机励磁电压、电流，进而调整主发电机 输出功率，使之达到部颁标准，是水阻试验的主要目的。 耳前，大多数单位的该项检测仪器，仍然是直读式电磁式仪表，由于电 磁式电表刻度受限制，精确度不高，再加之视读误差，极大地影响了水阻试 验的效果。因此，研制种测量内燃机车主发电机电压、电流、输出功率及 相关参数的专用设备是弥补上述欠缺的有效途径。根据铁路运输生产的需 要，大多数内燃机务段都建在各大中城市市区内，一些原本不在市区的。随 各城市规模的扩大，现在也在市区内了，于是机务段附近有了居民区或办公 楼等设施。内燃机车在进行水阻试验时，会发出很强的噪声，最高时超过 1 2 0 d b ( a ) ，且进行一次水阻试验平均耗时约l o 小时，如此长时闻持续的高 噪声在自由传播时，会导致周围半径约2 k m 范围内的环境噪声超过国家标准， 严重影响周围人们的正常的生产生活。因此，如何对机车水阻试验时的噪声 进行治理，成为当前大多数主机生产厂及内燃机务段面临的急需解决的重大 问题之一。 随着现代测试技术、控制技术和微型计算机技术的广泛应用，提高检测 系统的科学性、实用性、可靠性、精度和检测结果的直观性，给机务部门提 出了以现代化检测手段来达到高质量检修目的的课题。 为此国内外铁路部门都在这方面做了不少工作，并取得了一定的成绩。 在国外，虽然各国都在这方面进行了大量的研究工作，但一般只有单项检测 仪表出现，其价格都非常昂贵，主要用于专项研究，还未广泛应用于机务段 的运输及工厂的生产，至于机车整车综合检测系统尚未出现定型产品。在国 内，也研制出一些综合试验台，但由于条件限制，在检测手段和数据处理上 尚不理想，而且要求和情况不一，现场使用不便，所以未能在路内推广。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 由于试验过程中，要求采集的参数多、数据量大、同时要求数据的处理 必须及时，并自动生成和打印报表，这就对试验台的检测系统提出了更高的 要求。本论文结合青岛四方机车厂项目水阻试验台检测系统，设计了各 项指标符合国家标准的水阻试验台的测试系统。 1 2 水阻试验台测试系统的技术要求 水阻试验台检测系统主要采集机车在各种试验和运行工况下的电流、电 压、转速、温度等参数，来验证机车的各项性能指标，对采集数据、记录、 处理并生成报表。 1 2 1 项目建设的背景和必要性 四方制造厂现有两个机车水阻试验台，一个发电车水阻试验台，一个 交流传动机车试验台负载试验在露天进行，在试验过程中产生的噪音超标。 为提高四方机车车辆股份公司的管理水平及配合即将进行的i s 0 1 4 0 0 0 认证， 四方厂决定对水阻试验时产生的噪音进行彻底的整治，将水阻试验台噪音降 低到符合国家环保要求。同日寸现有的水阻台在试验精度、微机显示、机械系 统等方面存在不足，对水阻台进行整改。为提高枫动车的试验水平，新建承 阻台成为必要而迫切的问题。 1 2 2 新建后的水阻试验台达到几方面的要求 新建水阻试验台满足3 5 0 0 k w 以下机、动车的水阻调试要求。 自动生成试验结果与报表。 采用基于v x i 总线的高精度和高可靠性的铡控系统，使试验台成为真正 意义上的机、动车调试基准。 本设计测试系统的测试精度为千分之五。 1 ，3 水阻试验台总体设计思路 1 3 1 组成 本试验装置，由测功装置和试验操纵台组成。测功装置用来调整负载值 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 试验台由仪表和微机检测系统组成。试验软件包是以内燃机车水阻试验大纲 为依据，以水阻试验工艺为流程，人机对话，自动对试验过程进行提示与参 数显示，并以坐标图形显示实测参数与限度参数，直观地向试验人员提供调 整和达到标准的依据，缩短了对机车性能调试的过程。 1 3 2 特点 水阻试验检测控制由仪表测试系统和微机测试系统组成，两套系统各自 独立，既可同时运行，也可分别运行。对机车运行状态进行监控。微机系统 以自动为主，也可手动操作。微机测试系统采用v x i 总线，系统具有高检测 精度和可靠性。水阻箱箱体和定极板采用普通钢材料，动极板采用不锈钢材 料，既可以减少投资，同时也可减少了极板的腐谊，提高了极板的使用寿命。 1 4 测试系统的系统构成 1 4 ，1 测试系统的组建策略 测试系统应当符合对其自动测试和技术保障的要求，具有技术先进、高 可靠性及成本低的特点。v x i 总线已成为测试总线发展的主流，以其作为主 要架构的测试体系具有主导地位，进行基于v x i 总线的自动化测试系统组建 研究具有重要意义。 基于v x i 总线技术的自动化集成，应当考虑三化( 系列化、通用化、组 合化) 设计的原则，满足各类不同系统的特殊要求： ( 1 )硬件系统设计时，应综合考虑测试环境的温度、湿度、抗震 性能、静电于扰、系统体积、系统成本等因素。选用增强型大功率智能化c 尺寸v x i 机箱，根据对测试量精度、采集速度、等方面的要求，筛选合格的 测试模件满足测试要求。 ( 2 )软件系统设计时，选择运行平稳的操作平台，可靠的开发平 台，完善的仪器驱动程序，注意应用软件工作平台的约定。充分考虑环境等 条件的制约，编制的软件符合软件工程的要求：具有监控、报警、准确的诊 断能力和应急处理能力；操作简单，人机界面友好，易于控制；程序应当具 有较好的可移植性，易于扩展，安全性好，可维护性强。 以v x i 总线技术组建的第三代自动化测试系统模块化、标准化程度高， 软硬件资源共享好，易于维护和集成，可靠性高，是自动化测试系统的发展 方向，理应成为当前自动化测试系统的最佳选择。 蓖南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 1 4 2 测试系统的组成 根据测试系统技术的要求，设计如下测试系统，结构框图如图卜1 所示。 图i - 1 机车水阻试验台系统框图 1 4 3 测试系统所测参数 水阻试验检测控制设计仪表测试系统和微机测试系统，两套系统各自独 立，既可同时运行，也可分别运行。对机车运行状态( 转速、空压机、油泵、 温度) 进行监控。微机系统以自动为主，也可手动操作。 测试参数根据机车水阻试验规程确定。主要测试参数如表卜1 所示。 表1 - 1 测试系统测试参数 额定参数 最火测试电流：6 5 0 0 ad c 最大测试电压：1 2 0 d vd c 最大测试功率：3 5 0 0 k w 检测参数范围 主发电机的电流 o 6 5 0 0a 电压 o 1 2 0 0v 功率 0 3 5 0 0k w 主发电机励磁电流0 h 3 0 0a 励磁电压0 1 5 0v 励磁机励磁电流o 1 0a 测速发电机的电流、电压：o 2 0 0 v 辅助发电机的电压o 5 0 0 v 柴油机额定转速0 i 0 0 0 转分 水，环境温度 0 一1 0 0 堕壹套亟查兰堕主壁窒皇主垡迨塞 萱! 夏 1 5 本论文的主要任务 本论文是结合四方机车厂项目一水阻试验台的设计而选定的，设计主 要工作如下： ( 1 ) 测试系统的硬件设计。包括传感器的选型，和v x i 总线数据 采集系统的选择，根据被测参数的工作范围及工作环境，确定传感器的型号； 根据实验机车被测物理量的特点，选定数据采集系统；p l c 的设计；双向智 能通讯仪表的设计。 ( 2 ) 测试系统软件模型的建立、硬件开发及软件模型的实现。根 据测试系统的要求，用u m l 统一件模语言，搭建了软件模型；用面向对象的 编程语言d e l p h i ，开发了数据采集模块及实现软件模型 ( 3 ) 测试系统的报表自动生成和打印程序的编制开发。用m i c r o s o f t w o r d 文档模版的方法，实现报表的自动生成与打印。 ( 4 ) 测试系统的软硬件调试。在实验室对数据采集模块进行调试， 在现场对传感器和整个测试系统进行调试。调试中控制精度要考虑极板升降 采用液压升降方式或对现有的铜丝绳升降结构进行改进的极板升降方式，升 降幅度满足电压为2 v 、电流为i o a 进行稳定调节，在稳定状态极板应保持静 止不动。上升下降限位采用报警、停止升降两套安全措施，水位显示报警， 以上报警在操纵台和厂房同时显示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 第2 章测试系统传感器的选型 为了能够对测试系统中的传感器进行正确选型，必须对本测试系统的测 试参数特性和所选传感器的工作原理有深入的了解。 目前，在工业控制应用领域，电量传感器的使用相当普遍。它位于信号 采集的前端，一般控制电路把采集到的信号经适量调整，为系统提供显示、 控制、反馈、保护等功能。电量传感器所测的电参数分类：有电压传感器、 电流传感器和频率传感器。其中以电压传感器和电流传感器为主要功能传感 器。电量传感器按原理分类：霍尔开环传感器、霍尔闭环传感器、互感原理 传感器、磁调制传感器、集成电路隔离传感器。按测量量的大小分类：电流 传感器可从几十毫安到几十万安培，电压传感器可从几伏到几千伏。 2 1 传感器的工作原理 本测试系统中的电流和电压均采用霍尔传感器进行测量，温度采用热电 阻进行测量。下面就本系统所选择传感器的工作原理作一简要介绍。 霍尔传感器有开环和闭环两类，霍尔开环传感器是对开式结构，方便安 装，但总精度不高，价格低；霍尔闭环传感器精度高，抗干扰能力强，但价 格高。 2 1 1 霍尔开环电流传感器 当传感器中心穿孔有电流流过时，以导体为圆心产生磁场，霍尔元器件 受磁场影响，将会产生微弱的电压信号，通过模拟电路放大，在传感器的副 边将会输出标准信号，如图2 1 所示。 圈2 - 1 霍尔开环电流传应器原理圈 霍尔元器件感应磁场信号输出电压的这种效应称之为霍尔效应。数学公 式表达为 u = k j b 是霍尔元件的灵敏度灵敏度的大小与霍尔元件的材料及几何尺寸有 关一般要求他越大越好 i 是控制电流( a ) b 是磁感应度( t ) 在选用霍尔元件时，要根据具体应用场合和要求来选用不同材料的元件 由于磁路与霍尔元件的输出具有良好的线性关系，因此霍尔元件输出的 电压信号碥可以闼接反映出被测电流的大小，系统框图如图2 2 所示。 圈2 2 被翻电流与输出电压的系统框圈 西南交通大学硕士研究生学位论文 第8 页 2 k 2 霍尔闭环寇流传感器 霉尔羼舔传黢器撬供辕睡电流i 。，其正比例与霍尔感应电压，其原理如 2 3 所示i 图2 3 譬尔麓环电流传婷器原理蟹 由于 晦i 产砥x l 输出电流i 。通过副边绕组在磁心中感应出与原边电流i ，相反的磁通，大小相 等，所以传感器处于动态的零磁通状态。闭环负反馈系统的框图如图2 4 所 示。 翻2 _ 4 闭环负反馈系统框圈 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 它的基本结构有霍尔元件、磁心和放大处理电路。 2 1 3 霍承闭环电压传感器 霍尔闭环电压传感器是在霍尔闭环电流传感器的基础上，原边串入电阻 ( 有些此类传感器需要外接电阻) 丽工作，其原理如图2 - 5 所示。 2 1 4 热电阻 图2 - 5 霍尔闭环电医传感嚣膝理圈 热电阻是中低温区最常用的一种温度检测器。它的主要特点是测量精度 高，性能稳定。其中铂热电阻的测量精确度是最高的，它不仅广泛应用于工 业测温。而且被制成标准的基准仪。 1 热电阻测温原理及材料 热电阻浏温是基于金属导体的电阻值随温度的增加而增加这一特性来 进行温度测量的。热电阻大郝由纯金属材料制戍，且前应用最多的是铂和铜， 此外，现在已开始采用镍、锰和铑等材料制造熟电阻。 2 热电阻的结构 ( 1 ) 精通型热电阻工业常用热电阻感温元件( 电阻体) 的结构及 特点见表2 一卜1 1 。从热电阻的测温原理可知，被测温度的变化是直接通过热 电阻阻值的变化来测量的，因此，热电阻体的引出线等各种导线电阻的变化 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 会给温度测量带来影响。为消除引线电阻的影响采用三线制或四线制，有关 具体内容参见本篇第三章第一节 ( 2 ) 铠装热电阻铠装热电阻是由感温元件( 电阻体) 、引线、绝 缘材料、不锈钢套管组合而成的坚实体，如图2 - 1 - 7 所示，它的外径一般为 中2 由8 r a t a ，最小可达由哪。与普通型热电阻相比，它有下列优点：体积 小，内部无空气隙，热惯性上，测量滞后小；机械性能好、耐振抗冲击； 能弯曲，便于安装使用寿命长。 ( 3 ) 端面热电阻端面热电阻感温元件由特殊处理的电阻丝材绕 制，紧贴在温度计端面，其结构如图2 - 1 8 所示。它与一般轴向热电阻相比， 能更正确和快速地反映被测端面的实际温度，适用于测量轴瓦和其他机件的 端面温度。 ( 4 ) 隔爆型热电阻隔爆型热电阻通过特殊结构的接线盒，把其外 壳内部爆炸性混合气体因受到火花或电弧等影响而发生的爆炸局限在接线 盒内，生产现场不会引超爆炸。隔爆型热电阻可用于b l a b 3 c 级区内具有爆 炸危险场所的温度测量。 3 热电阻测温系统的组成 ( 1 ) 热电阻测温系统一般由热电阻、连接导线和显示仪表等组成。 必须注意以下两点： 热电阻和显示仪表的分度号必须一致 为了消除连接导线电阻变化的影响，必须采用三线制接法。 ( 2 ) 铠装热电阻铠装热电阻是由感温元件( 电阻体) 、引线、绝缘 材料、不锈钢套管组合而成的坚实体，它的外径一般为巾2 中8 m m ，最小可 达巾r n m 。与普通型热电阻相比，它有下列优点：体积小，内部无空气隙， 热惯性上，测量滞后小：机械性能好、耐振，抗冲击；能弯曲，便于安 装使用寿命长。 ( 3 ) 端面热电阻端蔺热电阻感温元件由特殊处理的电阻丝材绕 制，紧贴在温度计端面，它与一般轴向热电阻相比，能更正确和快速地反映 被测端面的实际温度，适用于测量轴瓦和其他机件的端面温度。 ( 4 ) 隔爆型热电阻隔爆型热电阻通过特殊结构的接线盒，把其外 壳内部爆炸性混合气体因受到火花或电弧等影 2 2 测试系统所用的传感器 在传感器选型时根据对象的频响范围、精度要求及产品的性价比。霍尔 开环传感器提供电压输出，霍尔闭环传感器提供电流输出。电压输出型传感 器易于测量，但是看干扰性能不好；电流输出型的传感器抗干扰性能好。但 是必须串联电阻将电流转换为电压后才能测量。本论文设计所选的传感器都 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 是电流输出型传感器保证其信号输出的稳定性；测量温度的传感器为铂热电 阻 本设计中所有传感器出来信号会分两部分分别和手动控制台上的显示 仪表及v x i 系统相连，来进行数据采集。本测试系统主要选用国际知名的传 感器跨国公司瑞士l e m 集团的霍尔闭环电流传感器，和霍尔闭环电压传感器， 热电阻的量程及精度如表2 一l 所示。 表2 - 1 传感器的型号、量程及精度 序号检测参数型号量程精度 l 主发电压 a v l 0 0 一1 0 0 01 2 0 0 v0 7 2 主发电流 l t l 0 0 5 一s1 0 0 0 a1 2 0 0 a0 4 3 主发电机励磁电流 l t l 0 0 5 一s 1 0 0 0 a3 0 0 a0 4 4 主发电机励磁电压 釉v 3 4 4 a s 2 ，2 0 0 v1 5 0 v0 4 5辅助发电机电压 w b v 3 4 4 a s 2 ，2 0 0 v 5 0 0 v0 4 6励磁机励磁电流 w b l 3 4 4 q 2 ，i o a 1 0 a0 2 7 测速发电机励磁电流w b l 3 4 4 q 2 ，1 a l a0 2 8水阻箱温度p t l 0 0 ，w z p - 2 6 91 0 0 0 2 9 环境温度 p t l 0 0 ，w z p b 2 3 01 0 0 0 2 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 第3 章水阻槽的设计 水阻箱是一种以水为电介质，通过改变水电阻大小模拟机车负载变化的 装置。我们知道，纯水是不导电的，雨我们实际运用的水中多少都含有一些 杂质，使之具有弱导电性，这就是我们把水作为电阻应用的理由。 本设计水阻槽结构紧凑，单位容积功率大，极板厚达1 0 r a m ，经久耐用， 可以进行东风。、东风。、东风，、东风。各系列内燃机车的水阻工况试验。 机车水阻池根据最大功率为3 5 0 0 k w ( u 。= 1 2 0 0 v ，i m 。= 6 5 0 0 a ) 进行 设计，可满足限压、限流试验要求。水阻池箱体和定极板采用普通a 3 钢材 料，动极板采用不锈钢材料。水阻池容积设计满足自然冷却需要，避免造成 表面沸腾，引起试验数据不稳定。 极板升降方式采用交流电机、减速器、卷扬机带钢丝绳升降方式，升降 幅度满足电压为2 v ，电流为1 0 a 进行稳定调节，在稳定状态下极板保持静 止不动，上升下降限位采用报警、停止升降两套安全措施。水位显示报警( 自 动或手动补水，设溢水孔) 。以上报警在操纵台和厂房同时显示。 3 1 水阻槽的基本原理 水阻箱的结构图如3 一l 所示，主要组成部分由水箱、固定极板、升降机 构和活动极板组成。水箱内充满了到电介质一水。固定极板与箱体固定在一 起，它是水阻箱的一个电极，一般作为负极。活动极板由卷扬机拖动，可上 下运动，它是水阻箱的另一个极，一般作为正极，使水阻箱作为负载来消耗 机车的功率。 图3 - 1 水阻箱结构图 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 3 2 最小有效电阻计算 我们分析一下水阻箱的导电原理。 由电阻定律我们可以知道，导体的电阻肛p 詈，由此我们可以看出r 正负极板间的电阻r 与水的电阻率p 成正比，与正负极板间距成正比，与正 负极板的相对面积成反比，水阻箱设有n 块活动极板，则般有n + l 块固定 极板。如图3 - 2 所示，为设计的水阻箱动极板尺寸与间距。 圈3 2 动极板尺寸与极板问距 根据大纲的要求，东风7 的最小电阻r 咖= 0 0 2 7 q 东风5 的最小电阻r 岫= 0 0 4 1q 在本设计中，动极板n = t 6 ，l = 1 5 c m ，s = 2 0 5 2 0 0 一5 5 7 0 = 3 7 1 5 0 c m 2 ( 1 ) 当承温5 0 时，p 。= 2 0 0 0 ( q c m ) r = p 。l s = 2 0 0 0 1 5 ( 1 6 3 7 1 5 0 2 ) = o 0 2 5 q ( 2 ) 当水温7 0 时。p 。= 1 6 0 0 ( q c m ) r t = p 。l s = 1 6 0 0 1 5 ( 1 6 3 7 1 5 0 2 ) ：o 0 2 0 q 由以上计算可知此方案设计可行。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 第4 章水阻试验主控制台设计 主控制台设计为水阻实验的核心部分，本设计采用了先进的计算机检测 技术、可编程控制技术移交频调速技术，使试验站的检泌、控制积保护功能 更趋完善和智能化。主控制台设计主要由操作台、数据采集装置、计算机、 智能显示仪表的部分组成。 操纵台( p l c ) 有手动操作和计算机操作两种工作方式，可通过转换开 关切换。其主要功能是控制水阻槽极板的升降，使之达到试验要求的工况。 同时监控水阻槽水位及温度。控制水阻槽自动补水及水循环操作。 v 】( i 数据采集系统的主要功能是计算机操作工作方式下，采集试验机车 的柴油机转速、主发电机电压、主发电机电流、主发电机励磁电压、主发电 机励磁电流、励磁机励磁电流、测速发电机励磁电流、辅助发电机电压等信 号。通过计算机计算机车的功率等相关的机车工况参数，并在计算机上显示 和记录。 智能显示仪表的主要功能是在手动操作工作方式下，采集并显示试验机 车的柴浊机转速、主发电机电压、主发电机电流、主发电机励磁电压、主发 电机励磁电流、励磁机励磁电流、测速发电机励磁电流、辅助发电机电压等 信号。在计算机操作工作方式下，通过4 8 5 总线接收计算机传输的机车工况 参数并显示。 智能温度仪表的主要功能是采集并显示水阻槽水温和环境温度，并通过 4 8 5 总线上传给计算机显示同时利用水阻槽水温，通过p l c 控制水阻槽的 水循环。 显示大屏的主要功能是计算机将检测到的机车工况参数实时显示在安 装在试验车间内的显示大屏上，供试验人员参考。 4 1 主控制台结构 如下图4 - 1 所示，虚线框里为主控制台，主控制台主要有微机控制和手 动控制两种操作控制方式，在计算机发生突发故障不能工作时，仍然可以通 过手动操作控制台按钮、开关来完成实验。此两套系统可独立操作，这是本 设计的独特之处 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 5 页 犬屏显示 计算机 工ti下 操纵台 数据采集智能显示智能温度 ( p l c )( v x i )仪表仪表 i千千千 tli 变频调速器 温度 上 传感器 传感器 水阻槽 机车 图4 - 1 主控制台结构图 ( 1 ) 手动控制方式：传感器检测机车相应参数由智能双向仪表采集并显示。 操作控制台按钮控制p l c 由p l c 经变频器调速机构对极板升降进行控制机车 负载功率。同时p l c 将相应的控制信息传给操作控制台享用的指示灯。 ( 2 ) 计算机控制方式：传感器检测机车相应参数，由v x i 进行数据采集， 计算机处理后，传给智能双向仪表显示。在计算机上有与手动操作方式相同 的控制按钮，操作相应的按钮，计算机控制p l c ，由p l c 经变频调速机构对 极板升降进行控制。 4 2 操作控制台 手动控制台既然可以独立工作，就要便于控制操作，并且要有必要的显 示和测量功能。因此面板主要有手动操作台( 包括指示灯、开关和按钮) 与 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 显示仪表两部分构成。 4 2 1 手动操作台 操作面板上有指示灯、 指示灯类 h i ：a c 2 2 0 v 控制电源 h 2 ：d c 2 4 v 直流电源 h 3 ：水温高 h 4 ：变频器报警 h 5 ：极板下限 h 6 ：极板上限 h 7 ：极板低位 h 8 ：极板高位 h 9 ：极板升 h i o ：极板降 开关、按钮、三大类。操作面板如图4 - 2 所示： h 1 1 ：水泵启按钮类 h 1 2 ：注水 h 1 3 ：水位指示 h 1 4 ：计算机控制 开关类 s a i ：控制电源 s a 2 ：仪表电源 s a 3 ：备用 s a 4 ：控制转换 s a 5 ：速度选择 豳 2 手动控捌台 s b i ：变频器复位 s b 2 ：极板停止 s b 3 ：极板连升 s b 4 ：极板连降 s b 5 ：极板点升 s b 6 ：极板点降 s b 7 ：水泵启动 s b 8 ：水泵停止 s b 9 ：手动注水 s b i o ：注水停止 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 水阻试验前，应根据试验车型接好水阻线，确认正确无误后方可进行 水阻试验。依次搬动控制电源开关s a l 和仪表电源开关s a 2 ，电源指示灯亮， 操作控制台通电，仪表自检。按极板升降按钮，检查极板上下限位功能应 正常。水阻槽水位由安装在水阻池中的浮球液位仪控制。若水阻槽水位低 于设定位置时，水位指示灯亮，同时自动补水。亦可按手动注水按钮手动 注水。若水阻槽水温达到设定上限温度或低于设定下限温度，循环水泵会 自动启动与停止。循环水泵的启动与停止由水阻槽水温显示仪表控制。水 阻槽水温显示仪表的控制参数可调整。由于两个试验台位共用一台循环水 泵，故在仅使用二台位时，仍需合上循环水泵电源开关q f ( 位于一台位操 作台内) 。搬动速度选择开关s a 5 可调节水阻极板的升降速度。面板上设有 极板高位和低位警示灯，在极板上限和下限时，极板停止升降并报警。设 有变频器报警指示，当变频器发生故障时变频器报警指示灯将亮。按变频 器复位按钮s b l 可复位，搬动控制转换开关s a 4 ，可选择在操作台控制或在 计算机上控制。 4 2 2 智能双向通讯仪表 本设计采用智能化仪表设计，可方便地进行零点及显示量程的调整、 报警及控制参数调整、通讯参数的调整。所有仪表参数在试验之前要进行 参数设定。 双向智能仪表主要有两部分功能：( 1 ) 可以直接显示检测数据：( 2 ) 通过r s 4 8 5 接口与计算机串行口c o m 3 和c o m 4 通讯。其中温度表使用计算 机串行口c o m 4 ，仪表地址为o l 和0 2 ；其他仪表使用计算机串行口c o m 3 ， 仪表地址见表4 一l 所示。所有仪表波特率均设置为9 6 0 0 。 表4 - 1 操纵台的仪表地址 名称l # 操纵台仪表地址z # 操纵台仪表地址 柴油机转速 2 32 4 主发电机电流 2 22 1 励磁电流 1 81 9 励磁机励磁电流 27 测速机励磁电流 63 主发电机电压 1 41 5 励磁电压 1 21 i 辅助发电机电压 g1 0 改。计算机将动态显示数字仪表检测数据，并在超限时给出相应报警。 算机可根据试验记录表记录和打印数据。 修 计 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 8 页 4 3 双向通讯智能仪表的设计 在设计仪表时必须考虑到以下几方面的问题： ( 1 ) 仪表要有自动采集的功能，测量频率、电流、电压和温度等参数 ( 2 ) 与微机系统进行良好的通讯。 4 3 1 智畿通讯仪表构成 仪表设计的结构原理图如下图4 - 3 所示 4 3 2 单片机 图4 - 3 智能通讯仪表构成原理圉 在本设计中选甩了8 9 c 5 2 ( m o s 一5 l 系列) 单片机，因为5 l 系列比较成 熟兼容了计算与控制的优点，并且考虑价格比较便宜。数据存储器为2 5 6 个字节。程序存储器为8 k 。 ( 1 ) p 8 9 c 5 2 的特点 2 5 6 字节r a m 、3 2 条i o 口线、3 个1 6 位定时计数器、6 输入4 优先 级嵌套中断结构、1 个串行u o 口( 可用于多机通信u o 扩展或全双i u a r t 以及片内振荡器和时钟电路) 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 9 页 此外，由于器件采用了静态设计，可提供很宽的操作频率范围( 频率可 降至o ) 。可实现两个由软件选择的节电模式一空闲模式和掉电模式。空闲模 式冻结c p u ，但r a m 、定时器串口和中断系统仍然工作。掉电模式保存r a m 的内容，但是冻结振荡器，导致所有其它的片内功能停止工作。由于设计是 静态的，时钟可停止而不会丢失用户数据。运行可从时钟停止处恢复。 ( 2 ) a t 8 9 c 5 2 的结构 如下图4 4 所示m c s 一5 1 系列单片机的基本结构框图。每个单片机都包括 中央处理器c p u ；内部数据存贮器r a m ，用以存放可以读写的数据；内部程序 存贮器r o m ，用以存放程序指令或某些常数表格；四个8 位的并行i 0 接口p o 、 p 、p z 和p 。，每个口都可以用作输入和输出：三个定时器计数器，用来做外 部事件计数器，也可以用来定时，根据技术或定时的结果进行各种控制：内 部中断系统具有五个中断源，二个优先级的嵌套中断结构，可实现二级中断 服务程序嵌套，每一个中断源都可用软件程序规定为高优先级中断或低优先 级中断：一个串行接口电路，可用于异步接收发送器；内部时钟电路，但晶 体和微调电容需要外接，最高允许的震荡频率为1 2 m h z 。以上各部分通过内 部总线相连接。 圈4 - 4l i e s - f 1 单片机的基本结构 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 4 3 3e 2 r o m 在设计中选择e 2 r o m 主要考虑到两方面的内容：要有保存参数、掉电保护 的作用：要带有硬件看门狗。因此选择a t l l 6 1 2 存储器，其带有电源检测功 能。看门狗工作范围为4 ，2 v 4 5 v ( 1 ) c a t l l 6 1 - 2 的特性 看门狗定时器监控s d a 信号c a t l l 6 1 ： 兼容4 0 0 k h z 的i2 c 总线； 2 7 6 o v 的工作电压； 低功耗c m o s 技术； 1 6 字节的写缓冲区； 内置写保护：v c c 锁定一写保护管脚w p ； 复位高电平或候电平有效：一精确的电源电压监控一5 v 、3 3 v 和3 v 的系统一j 个门槛电压选项： 个编程擦写周期； 手动复位； 数据可保存1 0 0 年； 8 脚d i p 封装或8 脚s o i c 封装； 商业和工业级温度范围； ( 2 ) 结构特点 c a t l l 6 1 2 为基于微控器的系统提供了一个完整的存储和监控方案。运 用低功耗c m o s 技术在片内集成了带硬件存储写保护的串行e e p r o i 存储器 ( 1 6 k ) 、节能型系统电源监控电路和一个看门狗定时器。存储器以i 总线 作为接口。 当个软件或硬件的误操作引起系统的暂停或“挂起”时1 6 秒的看 门狗电路可将系统恢复到默认状态。c a t l l 6 1 的看门狗定时器监控s d a 线， 这样就不再需要增加p c 板的跟踪功能。低价位的c a t l l 6 2 不含看门狗定时 器。 电源监控和复位电路可在电源电压上升下降时保护存储器和系统控制 器。并防止产生掉电c a t l l 6 1 2 具有5 个门槛电压，支持5 v 、3 3 v 和3 v 的 系统。一旦电源电压超出允许范围，复位信号立即有效，从而防止系统微控 制器、a s i c 或外外围器件继续工作。在电源电压超出复位门槛电压2 0 0 m s 之 后，复位信号撤除。由于带有高电平和低电平复位信号，因此可以很方便地 连接到微控制器和其它i c 。另外，芯片还有一个复位管脚，用作手动复位按 钮的去抖输入。 c a t l l 6 1 2 存储器含有1 6 字节的页写特性。除此之外，写保护管脚w p 亘童窒亟盍掌硕研究生掌位论文第2 1 页 和v c c 检测电路可实现对硬件数据的写保护。只要v 。下降到低于复位门槛电平 之后或上电时v m 电压上升到复位门槛电平之前，v 。检测电路都会禁止存储 器的写操作。 包括8 脚d i p 和表面8 脚s o 两种封装形式 管脚配置如图4 5 所示。 d e r e s e t 、p g n d v c c r e $ e t s c l s i 】 图4 5c a t i l 6 1 2 管脚配置图 及表4 - 2 管脚配置功能袭。 表4 - 2c a t l l 6 1 2 管脚功能 管溯蟹繁脚- 毽猕髓瞎邕 ld c灞；空 2 r 嚣s 匿忑黛韫加- 馘电警滴缴 3强璎 驾i 隈护 4g j 魄 5s d a 串、杼教搬，地址 6s c l时黼入 了r e s e t复位i o ，高电学霄散 8 v c c电灞f 4 3 4r s - 4 8 5 总线及驱动芯片 1 r s 一4 8 5 总线标准 仪表除了有自采集功能外，还要和计算机进行通讯，根据r s 一2 3 2 c 、 r s 一4 2 2 a 、r s 一4 8 5 性能比较，本设计选择用r s 一4 8 5 总线。如表4 3 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 2 页 表4 - 3r s - 2 3 2 c 、r s - 4 2 2 h 、船一4 8 5 性能比较 接口r s - 2 3 2 cr s 一4 2 2 ar s 一4 8 5 操作方式单端差动方式差动方式 最大距离m1 5 ( 2 4 k b s )1 2 0 0 ( 1 0 0 k b s )1 2 0 0 ( 1 0 0 k b s ) 最大速率2 0 0 k b sl o m b sl o m b s 最大驱动器数目 1l3 2 最大接收器数目 li 03 2 接收灵敏度 3 v2 0 0 mv2 0 0 mv 驱动器输出阻抗 3 0 0 d6 0 k q1 2 0 k 0 接收器负载阻抗 3 7 q 4 k 0) 1 2 k q 负载阻抗 3 7 01 0 0 q 6 0 0 对共用点电压范丽 2 5 一o 2 5 + 67 + 1 2 r s 一4 8 5 是e i a ( 美国电子工业协会) 制定的平衡发送、平衡接收的标准 异步串行总线，具有传输距离远、灵敏度高、多点通讯能力强等优点。 图4 - 6 所示为平衡驱动差分接收电路。平衡驱动器的两个输出端分别为 + v ，r 和一v t ，故差分接收器的输入信号电压v r = + v t 一( v t ) = 2 v t ，两者之间不 共地，这样既可削弱干扰的影响，又可获得更长的传输距离即允许更大的信 号衰减。 数 图4 - 6 平衡驱动差分接受电路 2 r s - 4 8 5 方式构成的多级通信原理 再由单片机构成的多级串行通信系统，一般采用主从式结构：从机不主动发 送命令或数据，一切都由主机控制。因此在一个多级通讯系统中，只有一台 单机作为主机，各台从机之间不能相互通信，即使有信息交换也必须通过主 机转发。采用r s - 4 8 5 构成的多机通讯原理框图4 7 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 3 页 圈4 7 船一4 8 5 方式多级通信膝理圈 3 r s - 4 8 5 通信规则 由于f t s 一4 8 5 通信是一种半双工通信，发送和接收共用同一物理通道，在任意 时刻只允许一台单机处于发送状态，因此要求应答的单机必须在侦听到总线 上呼叫信号已经发送完毕，并且没有其它单机发出应答信号的情况下才能应 答。半双工通信对主机和从机的发送和接收时序有严格的要求。如果在时序 上配合不好，就会发生总线冲突，使整个系统的通信瘫痪，无法正常工作。 要做到总线上的设备在时序上的严格配合，必须遵从以下几项原则： 复位时，主从机都应当处于接收状态 控制端r e 、d e 的信号的有效脉宽应当大手或接收一桢信号的宽度。 4 驱动芯片 通过对驱动芯片的比较我们选择了m a x 4 8 7 芯片。如表4 - 4 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 4 页 裹4 4 姒x 4 8 l 压a x 蛆3 脚8 疆 x 4 8 7 m 】【4 9 l 性能比较 半全 传输速