（机械设计及理论专业论文）地下施工机械计算机远程控制系统的设计.pdf

摘要 摘要 远程控制技术是通信技术及计算机技术的综合应用。近年来，随着通信技术 及计算机技术日趋成熟以及新技术的不断涌现，远程控制技术得到了迅速的发 展。在工业测控领域，工业化进程不断加快，设备性能的检测和分析的要求也 越来越高，用计算机实现远程控制来提高自动化水平，已成为一种社会发展趋 势。本测控系统利用计算机来实现对地下机器的远程测试和自动化监控。 论文主要分两部分介绍计算机远程控制系统的设计。在硬件系统设计中， 解决了远距离通讯关键技术，对常用的传感器进行分析、研究，根据控制系统 的要求设计了所用的传感器和一系列的电子模块。在很大程度上提高了系统的 工作效率和抗干扰能力，在工控领域，有很好的利用价值。在软件系统设计中， 使用v b 、组态控件及数据库技术编写专用软件，使用计算机就能够在测试的过 程中实时的观测到机械的相关参数和其变化曲线，并通过数据曲线观察变化规 律，提前采取措施以防止灾害的发生。 本控韦8 系统适用于一些环境恶劣的场合，不便于人员直接接触的地方，此 测控系统具有较高的精确效率和安全系数。课题中涉及的系统具有结构简单、 安装简便、调试方便、易于扩展等优点，具有较强的抗干扰能力和可靠的远距 离传输能力。软件系统利用计算机对机器进行远距离监控，具有精度高、节约 能源、安全系数高等优点，使得地下施工作业，控制灵活、操作简便、安全并 且提高了工作效率、改善了工作环境。 关键词：远程控制，传感器，信号，测控，参数 一 垒! 竺型 -_，_-_-一一一一 a b s t r a c t t h er e m o t ec o n t r o lt e c h n o l o g yi sac o m p r e h e n s i v ea p p l i c a t i o no fc o m m u n i c a t i o n e n g i n e e r i n g a n dc o m p u t e rt e c h n i q u e w i t ht h em a t u r i t yo fc o m p u t e r a n d c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g ya n dt h ee m e r g e n c eo fn e wt e c h n o l o g i e s ，t h er e m o t e c o n t r o le n g i n e e r i n gh a sb e e nd e v e l o p i n gr a p i d l yi nr e c e n ty e a r s i nt h ei n d u s t r i a l c o n t r o l ，t h er a p i dp r o c e s so fi n d u s t r i a l i z a t i o na n dh i g h e rs t a n d a r do fm e a s u r i n ga n d a n a l y z i n go fe q u i p m e n tp e r f o r m a n c eh a s m a d ei tad e v e l o p m e n tt r e n dt oi m p r o v et h e a u t o m a t i o nw i t ht h eh e l po fc o m p u t e r t h ec o n t r o ls y s t e mi nt h i sp a p e r u s e sc o m p u t e r t or e a l i z er e m o t et e s ta n da u t o m a t i cm o n i m ro f t h eu n d e r g r o u n dm a c h i n e s t h ei n t r o d u c t i o no fd e s i g no f t h ec o m p u t e ra i d e dr e m o t ec o n t r o ls y s t e mi sd i v i d e d i n t ot w op a r t s i nh a r d w a r es y s t e md e s i g n ，t h ec r i t i c a lt e c h n o l o g yo fd i s t a n tr a n g e c o m m u n i c a t i o ni ss o l v e d ，t h ec o m m o ns e n s o r sa r ea n a l y z e d ，a n dt h es u i t a b l es e n s o r s a n das e r i e so fe l e c t r o n i c sm o d a l e sa r es e l e c t e da c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n to ft h e s y s t e m ，w h i c hm a yg r e a t l yi n c r e a s et h ew o r ke f f i c i e n c ya n dt h ea n t i - j a m m i n ga b i l i t y o ft h es y s t e m ，a n dm a yh a v ev e r yg o o da p p l i c a t i o nv a l u ei nt h ef i e l do fi n d u s t r i a l c o n t r 0 1 i ns o f t w a r es y s t e md e s i g n ，w eu s ev ba n dt h ec o n f i g u r a t i o nw i d g e ta n dt h e d a t ab a s et e c h n o l o g yt oc o m p i l et h es p e c i a ls o f t w a r e t h r o u g ht h ec o m p u t e r ，t h e c o n s l n n e rc a no b s e r v et h ep a r a m e t e r st h a tr e l a t et ot h em a c h i n ea n dt h e i rc h a n g i n g c u r v e si nt h ec o u r s eo ft h et e s ta tt h em a lt i m e ，a n db yo b s e r v i n gt h ec h a n g i n gp a t t e m o ft h eh i s t o r i c a lc h i v e s ，m e a s u r e sc a l lb ea d o p t e di na d v a n c ei no r d e rt op r e v e n t c a l a m i t yf r o mh a p p e n i n g t h i sc o n t r o ls y s t e mi ss u i t a b l ei ns o m eo d i o u sw o r k i n gc o n d i t i o n s ，a n ds o m e p l a c e sw h e r ep e o p l ec 锄ta p p r o a c hd i r e c t l y , a n di th a sah i g ha c c u r a c ya n ds a f e t y c o e f f i c i e n t t h eh a r d w a r es y s t e mp o s s e s s e sm a n ym e r i t ss u c ha ss i m p l es t r u c t u r e ， f a c i l ee x p a n s i o n ，c o n v e n i e n ti n s t a l l a t i o na n dd e b u g g i n g ，a n das t r o n ga n t i - j a m m i n g a b i l i t ya n dr e l i a b l el o n g - d i s t a n c et r a n s m i s s i o na b i l i t y t h es o f t w a r es y s t e mr e a l i z e s t h ed i s t a n tr a n g es u p e r v i s i o no ft h em a c h i n ew i t ht h ec o m p e e r , a n dh a sh i g h p r e c i s i o n , l o w e re n e r g yc o n s u m p t i o na n dh i g hs a f e t y c o e f f i c i e n t e t c ，m a k i n g 垒堕竺竺 一 u n d e r g r o u n do p e r a t i o n se a s y , s i m p l e ，a n ds a f e ，a n d i na d d i t i o n ，r a i s i n gw o r k e f f i c i e n c ya n di m p r o v i n gw o r ke n v i r o n m e n t k e yw o r d s ：r e m o t ec o n t r o l ，s e n s o r , s i g n a l ，m e a s u r e a n dc o n t r o l ，p a r a m e t e r 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，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 获得石家庄铁道学院或其它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已在论文中作了明 确的说明并表示了谢意。 签名：猛缍遇日期：丝亟! z 关于论文使用授权的说明 本人完全了解石家庄铁道学院有关保留、使用学位论文的规定， 即：学院有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校 可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手 段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：瑟肇! 匿导师签名：趿墅日期：理! ：厶 第一章绪论 1 1 选题目的及意义 第一章绪论 现代生活中有许多大型工业生产系统，如地下施工控制系统、电力系统、 铁路系统等，组成大型工业生产系统的生产设备及生产部门大多相距甚远。为 保证系统的正常工作，构成系统的各部分必须在同一个调度机构的统一指挥下 协调工作。因此，调度机构要随时了解系统各部分在生产过程中的实际情况， 并在此基础上做出对生产过程进行指挥的策略。为了使调度工作实时性好，同 时保证较高的可靠性，必须借助远动技术实现远程控制。在本课题中要实现对 地下施工的远程控制。由于地下施工机械受到施工环境及操作空间的限制，其 操纵控制、机械的工作状态监测等工作只能在地面进行，这样就产生了地下机 械计算机远程测试控制的课题。考虑到本控制系统的实际情况，远程测试控制 距离设定在1k m 左右，开发的远程测试控制系统要求价格便宜、功能实用、操 作简单方便、安全可靠i l j 。 本课题主要目的是实现对一个地下的远端作业系统进行测控。首先实现对 地下机械工作状态、环境因素以及其它的一些外界环境因素的测量，然后根据 测量的各种参数对机械进行远程的调控，并使其处于正确的工作位置、最佳的 工作状态。 通过计算机远程控制机械有许多优点。如果由人工来进行实她控制，不仅 需多人操作，而且安全系数低，精度不高，实验数据需经计算才能得到，不仅 不直观，而且实时性几乎不存在。对破坏突发事件没有预见性，往往事故发生 后才发觉，造成不必要的经济损失，甚至会造成严重人身伤害。本测试系统利 用计算机对机械进行远距离监控，具有精度高、节约能源、安全系数高等优点， 数据采集及处理不需要人工操作，均由计算机来完成，并且操作人员在测试的 过程中就能够每时每刻看到实时的各种参数的数字量和曲线，通过数据曲线观 察机械应变的变化规律，提前采取措施以防止灾害的发生。因此，利用计算机 对地下机械进行远程控制，可以使地下施工的时候，操作方便、安全，且调度 工作实时性好，可靠性高，提高了工作效率、改善了工作环境，使得生产力和 第一章绪论 效率得到大幅度提高 2 l 。 1 2 国内外研究现状 远程控制技术是通信技术及计算机技术的综合应用。随着科学技术的迅速 发展，通信技术及计算机技术日趋成熟，远程控制技术也得到了迅速的发展。 与此同时，计算机在工业生产中的应用越来越广泛，使用计算机实现远程控制 来提高自动化水平，已成为一种社会发展趋势。 在国外远程控制方面已经有了许多的成功的例子。特别是在开阔的地上机 械作业的远程控制其技术已经比较成熟。例如：我们所熟悉的挖掘机的远程控 制作业，它可以实现对挖掘机的远程操作控制。操作员可以非常清楚的知道挖 掘机的工作位置、工作状况等等，从而实现对其的远程控制作业。因为利用计 算机能够远程监测机器的工作状态，从而实现手动远程控制，生产力和效率都 得到很大的提高。 下面分别从硬件与软件两个不同的领域介绍国内外研究现状。 1 2 1 计算机测控硬件系统研究现状 1 2 1 1 数据采集和远端设备控国内外现状 近十多年来，随着科学技术的发展，微电子技术突飞猛进，涌现出一大批 新颖的电子模块。专用电子模块取代了过去由集成电路、分立元件和器件等组 成的繁琐复杂的电子线路，使电子产品的设计与制作得到了大幅度的简化。下 面介绍两种专用数据采集设备控制的电子模块： 其一，r m 4 0 0 模块系列。r m 一4 0 0 模块是用于远端数据采集和远端设备控 制的系列测控设备。其成员众多，如r m - 4 1 0 - - 1 4 通道远端热电偶测量模块、 r m 4 1 l 9 通道远端热电阻测量模块、r m 一4 1 2 1 4 通道远端模拟量测量模块、 r m 4 1 7 1 6 通道远端模拟量测量模块等等。下面只选择其中一个模块做举例说 明：r m 4 1 l 是远端热电阻采集模块，适用于各类工业现场，可采集9 路p t l 0 0 、 c u 5 0 0 型热电阻，并转换成相应的温度值，通过r s 4 8 5 接口，与上位机实时通 讯，r a m - 4 11 采用m a x l 3 2 c n ga i d 转换芯片进季亍1 8 位双积分模数转换，可直 接对o 5 1 2m v 的信号进行处理，分辨率达2u v b i t 。r m 4 1 1 是远端热电阻模 块，同时采用了光电隔离技术，使模块的抗干扰能力进一步加强。 一2 一 第一章绪论 其二，a d l i n ka c l 7 2 2 5 数据采集卡。a d l i n ka c l 7 2 2 5 数据采集卡可 实现各类电信号的采集、控制和输出，具有1 6 路继电器输出和1 6 路数字量输 入。如一块板卡不能完成系统要求时，可采用以板卡控制的硬件结构。两个板 卡必须在地址空间范围内选择不同的地址。a c l 7 2 2 5 数据采集卡提供了动态链 接库a c l s d l l l ，在w i n d o w s 操作系统环境下编程比较容易，并且支持高级语 言编程【j j 。 1 2 1 2 现场总线园内外发展动态 现场总线是用于过程自动化、制造自动化等领域的现场智能设备互连通讯 网络。现场总线作为基础，沟通了生产过程现场及控制设备之间及其与更高控 制管理层次之间的联系。具有可靠性高、稳定性能好、抗干扰能力强、通讯速 率快、安全性高、造价低、维护成本低等特点，同时，符合环境保护要求。这 项综合技术已经广泛应用于自动控制系统中。 由于应用范围不同及所要达到的性能指标高低不同等原因，存在多种现场 总路线标准。目前，国内外应用得比较广泛的有，r s 2 3 2 ，r s 4 2 2 4 8 5 ，p r o f i b u s ， c a n ，h a i 玎，l o n w o r k s ，f f ，c e b u s 等，而国内的实际情况是：r s 2 3 2 ， r s 4 2 2 4 8 5 ，p r o f i b u s ，c a n 最为普及。一般，常使用的大部分终端设备都具有 现场总路线通讯功能，但同时能支持多种总线标准的比较少。 1 2 2 计算机测控软件系统研究现状 现今在国内外，计算机测控系统的上位机部分多由组态软件和v b 联合开发 监控软件。在国内这样的控制系统例子很多，如：m c g s 环境下锅炉监控管理 系统。就是基于工控组态软件( m c g s 通用版5 , 5 ) 和v b 6 0 ，设计和开发的锅 炉监控管理系统。 组态软件是指一些数据采集和过程控制的专用软件，它们在自动控制系统 监控层一级的软件平台和开发环境中，能以灵活多样的组态方式提供了良好的 用户开发界面和简捷的使用方法，其可预设置的各种软件模块可以非常容易的 实现和完成监控层的各项功能，并能同时支持各种硬件厂家的计算机和i o 设 备，与高可靠的工控计算机和网络系统结合，可向控制层和管理层提供软件和 硬件的全部接口。其中的a c t i v e x 控件提供了对硬件设备的映射和通讯以及其他 相应的辅助功能，如定时器、文本标签等。组态软件因其界面友好，易于操作， 第一章绪论 其二，a d l i n ka c l 7 2 2 5 数据采集卡。a d l i n ka c l - 7 2 2 5 数据采集卡可 实现各类电信号的采集、控制和输出，具有1 6 路继电器输出和1 6 路数字量输 入。如一块板卡不能完成系统要求时可采用以板卡控制的硬件结构。两个板 卡必须在地址空问范围内选择不同的地址。a c l 一7 2 2 5 数据采集卡提供了动态链 接库a c l s d l ll ，在w i n d o w s 操作系统环境下编程比较容易，并且支持高级语 言编程【3 】。 1 21 2 现场总线国内外发展动态 现场总线是用于过程自动化、制造自动化等领域的现场智能设备互连通讯 网络。现场总线作为基础，沟通了生产过程现场及控制设备之间及其与更高控 制管理层次之间的联系。具有可靠性高、稳定性能好、抗干扰能力强、通讯速 率快、安全性高、造价低、维护成本低等特点，同时，符合环境保护要求。这 项综合技术已经广泛应用于自动控制系统中。 由于应用范围不同及所要达到的性能指标高低不同等原因，存在多种现场 总路线标准。目前，国内外应用得比较广泛的有，r s 2 3 2 ，r 8 4 2 2 4 8 5 ，p r o f i b u s 。 c a n ，h a r t ，l o n w o r k s ，f f ，c e b u s 等，而国内的实际情况是：r s 2 3 2 ， r s 4 2 2 4 8 5 ，p r o f i b u s ，c a n 最为普及。一般，常使用的大部分终端设备都具有 现场总路线通讯功能，但同时能支持多种总线标准的比较少。 1 2 2 计算机测控软件系统研究现状 现今在国内外，计算机测控系统的上位机部分多由组态软件和v b 联合开发 监控软件。在国内这样的控制系统例子很多，如：m c g s 环境下锅炉监控管理 系统，就是基于工控组态软件( m c g s 通用版5 5 ) 和v b 6 0 ，设计和开发的锅 炉监控管理系统。 组态软件是指一些数据采集和过程控制的专用软件，它们在自动控制系统 监控层一级的软件平台和开发环境中，能以灵活多样的组态方式提供了良好的 用户开发界面和简捷的使用方法，其可预设置的各种软件模块可以非常容易的 实现和完成监控层的各项功能，并能同时支持各种硬件厂家的计算机和i o 设 备，与高可靠的工控计算机和网络系统结合，可向控制层和管理层提供软件和 硬件的全部接口。其中的a e t i v e x 控件提供了对硬件设备的映射和通讯以及其他 相应的辅助功能，如定时器、文本标签等。组态软件因其界面友好，易于操作， 相应的辅助功能，如定时器、文本标签等。组态软件因其界面友好，易于操作， 第一章绪论 图形丰富形象，开发周期短，便于更改、扩充、升级等，在工业控制中得到了 越来越普遍的应用。国外组态软件有f i x 、n t o u c h ，国内常用的组态软件有： k i n g v i e w 、m c g s 、中泰多能工控组态软件、三维力控等。下面介绍几种常见的 组态软件： m c g s ( m o n i t o ra n dc o n t r o l g e n e r a t e ds y s t e m ) 是一套基于m i c r o s o f t w i n d o w s 9 5 、9 8 和m i c r o s o rw i n d o w sn t 平台、用于快速构造和生成上位机监 控系统的组态软件系统，它为用户提供了从数据采集到数据处理、报警处理、 流程控制、动画显示、报表输出等解决实际工程问题的完整方案和操作工具。 功能齐全，便于方案设计。m c g s 为解决工程监控问题提供了丰富多样的手段， 从设备驱动( 数据采集) 到数据处理、报警处理、流程控制、动画显示、报表 输出、曲线显示等各个环节，均有丰富的功能组件和常用图形库可供选用，用 户只需根据工程作业的需要和特点，进行方案设计和组态配置，即可生成用户 应用软件系统1 4 。 中泰a c t i v e x 工控组件包是面向仿真、工业自动化、科学、仪表等工控领 域的通用开发组件包，包括动画流向、报警器、测量、棒图、l e d 、仪表、数码 管、计数器、百分比、选择器、线性控制、开关、趋势图等1 5 个a c t i v e x 组件。 这些组件非常适合于工业测控系统的构建和开发，它们已被广泛地应用到化工、 电力、机电、航空、军事等多个领域和行业中。中泰工控组件具有界面友好、 操作简单、可扩展性强等特点。这些组件的操作完全可视化，使用它们可以非 常快捷地扩展出风格多种多样的图形界面，而整个设计过程无需编程。且为用 户提供了一个强大的图形( 仪表) 库，能够大幅度地提高开发效率，节约开发 成本，显著地提高软件质量。采用w i n 3 2a p i 编程，真正的3 2 位程序，画面自 然漉畅。 力控p c a u t 0 软件是一个面向方案的h m 【s c a d a 平台软件。它基于流行 的3 2 位w i n d o w s 平台，丰富的i o 驱动能够连接到各种现场设备。分布式实时 数据库系统，可提供访问工厂和企业系统数据的一个公共入口。内置t c p h p 协 议的网络服务程序使用户可以充分利用i m e m e t 的网络资源。全部功能都是高度 集成的，能传递给您需要的有价值的信息，以使生产环境更有效率。力控软件 具备完成生产过程自动化监控所需的标准配置，包括以下功能：t c p a p 网络、 历史数据处理、趋势曲线、报警、配方管理、温控曲线、自定义菜单、棒图、 视频采集、s q l 访问、内置数据表；支持s c a d a 网络服务器功能，可与其他 d 第一章绪论 运行力控的结点机构成服务器客户计算模式。 1 3 论文主要研究内容 本课题主要分为两部分进行研究和设计：计算机远程测控硬件系统、计算 机远程测控软件系统。 1 3 1 硬件系统设计的主要内容 根据题目要求，设计计算机远程测控系统。利用传感器将机械工作状态时 的各种实时参数( 包括温度、位移、压力、方向、液位等) 测量出来，经过变 送器转变后将这些模拟量通过模拟量输入模块r m 4 17 上传到总线r s 4 8 5 上， 再经过r s 2 3 2 串行通讯总线与计算机远程测控系统连接，实现计算机的远程监 测。计算机远程测控系统对机械进行的操作通过r s 4 8 5 总线向r m 4 4 1 模块传 送控制命令，从而实现对地下机械的远程控制。在硬件系统设计中把所有的工 作主要分为六块：传感器模块、变送器模块、液压油路及其电气控制模块、输 入输出模块、通讯模块以及第二方案中的无线电通讯模块。 在论文中，先介绍了硬件系统的总体方案，其后分别对六个模块进行介绍。 传感器模块主要是进行各种传感器的设计。包括测量油温的温度传感器、测量 液压的压力传感器、测量液位的液位传感器、以及测量位移量的传感器。变送 器模块主要是设计电流变送器、电压变送器。实现将高电压( 电流) 转变成低 电压( 电流) ，从而可以通过通讯模块实现通讯。液压油路及其电气控制模块主 要是针对不同的方向控制，而设计液压缸矫正不同方向的方案。通过四个油缸 的推动，从而把油缸位置调整到原定的路线上来。这里设计了套电路用以实 现对四个油缸的自动控制。输入输出模块主要包括模拟量的输入输出以及开关 量的输入输出。对于模拟量的输入输出选用的是r m - 4 1 7 电子模块：对于开关 量的输入输出选用的是r m 4 4 1 电子模块。通讯模块中使用的是r s 4 8 5 总线型 模式。无线电通讯模块中，使用了一种新型的无线电通讯工具j f 8 2 0 c 、 j f 8 2 1 c i s ，6 1 。 1 3 2 软件系统设计的主要内容 使用v i s u a lb a s i c6 0 集成开发环境、m i c r o s o f ts q ls e r v e r 数据库技术、及 一5 一 第一章绪论 中泰a c t i v e x 工控组件开发地下机械的远程控制软件。本控制软件要求实现对 工作现场的模拟量及机械状态的采集。驱动油缸的数字控制，检测相关参数的 实时数字，柱形图显示，历史曲线显示，超越报警，事故记录显示和统计等功 能。 论文中首先简单介绍了相关的开发技术和使用的开发工具，v b 、m i c r o s o f t s q ls e r v e r 数据库及中泰a c t i v e x 工控组件。其后，依据软件工程中要求的开发 过程，对本控制软件的开发过程进行简单的概括和描述。 包括以下几部分：系统功能需求对系统进行需求分析，确定各个功能 模块的主要功能。系统概要设计对各个功能模块的功能进行简单的描述， 以及数据库结构的设计。系统详细设计各个功能模块的详细设计过程，功 能实现及相关的核心源代码。重点是核心模块的详细设计。系统测试测试 计划、测试用例、以及测试结果。 一6 一 第二章硬件系统设计 第二章硬件系统设计 2 1 硬件系统内容及创耘点 2 1 1 主要研究内容 在硬件系统设计中把所有的工作主要分为六块：传感器模块、变送器模块、 液压油路及其电气控制模块、输入，输出模块、通讯模块、第二方案以及其重点 无线电通讯模块。传感器模块主要是进行各种传感器的设计，包括：测量油温 的温度传感器、测量液压的压力传感器、测量液位的液位传感器、以及测量位 移量的传感器。变送器模块主要是设计电流变送器、电压变送器，实现将高电 压( 电流) 转变成低电压( 电流) ，从而可以通过通讯模块实现通讯。液压油路 及其电气控审4 模块的主要功能是实现方向控制。通过四个油缸的组合移动从而 把掘进机的位霞调整到预定的路线上来。这里设计了一套电路用来对其进行自 动控制。输入输出模块主要包括模拟量的输入，输出以及开关量的输入输出，对 于模拟量的输入输出选用的是r m 一4 1 7 电子模块；对于开关量的输入输出选用 的是r m - 4 4 i 电子模块。通讯模块中使用的是r s 4 8 5 总线型模式。第二方案使 用无线电通讯模块代替原来的有线通讯模块。在无线电通讯模块中，使用了一 种新型的无线电通讯工具i f 8 2 0 c 、i f 8 2 1 c 。 2 1 2 主要创新点 首先，在对掘进机方向进行控制时，设计了一套液压控制系统。使用4 个 液压缸分别来实现对上、下、左、右四个方向的控制。而且，设计了一套电路， 通过电气控制其电磁阀实现电动控制掘进机方向。 其次，硬件设计中在保证整个设计系统功能齐全的同时，尽量使整个系统 简化，为此使用一系列专用电子模块来代替繁琐复杂的电子线路。近十多年来， 随着科学技术的发展，微电子技术突飞猛进，涌现出一大批新颖的电子模块。 这些专用电子模块的出现使不少传统的电子产品发生了质的变化，专用电子模 块取代了过去由集成电路、分立元件和器件等组成的繁琐复杂的电子线路，使 一1 一 第二章硬件系统设计 电子产品的设计与制作得到了大幅度的简化，有的甚至进入了傻瓜式的设计， 而且还提高了电子产品整机的工作可靠性。电子模块实质上是利用单片机技术 开发出来的一种新颖的器件。集成电路是将晶体管、二极管以及阻容元件等用 光刻技术制作在一块硅晶片上，不同的集成电路芯片均有相对独立、完整的功 能。集成电路和电阻、电容、电感、晶体管、二极管一样，都是组成电子线路 的基本单元。但电子模块不同，在功能上它实质上是一个电子产品的半成品， 具有完成某电子电路的完整功能。电子模块本身包含了完整的电子路线，所以 在设计电子产品时，合理地使用电子模块，可大大地简化系统设计。 再次，信道是组成传输系统的主要部分，远动信息必须通过信道传输。但 是，在信道中存在着各种干扰。所以信息在信道传输时会受到干扰而发生差错， 从而降低信息传输的可靠性。在开阔地带，干扰较小，可以不加考虑，但在本 设计方案中，旌工地点在地下，必须考虑信息传输的可靠性。因此在硬件系统 设计中，对整个硬件设计方案进行了性能分析，主要是抗干扰能力的分析。 最后，在传统的远程控制设计方案中，信息大多采用有线传输，本章中， 首先提出了一个有线控制的方案，并对其进行了结构设计和性能分析。但鉴于 方案中通过有线的通讯不够便捷，提出了第二套设计方案无线电通讯传输 方案。在此基础上，探索使用无线电模块代替原来通讯模块来实现信息的采集 和传送，并设计出了模块的整体结构雏型。但是，由于时间有限，很多具体的 问题都没有认真的考虑，对于无线电的设计方案仍有许多的不完善的地方，仅 供参考m 。 2 2 总体方案 硬件系统的整体设计思路如下：利用传感器将机械作业状态中的重要参数 ( 包括温度、位移、压力、方向、液位等) 测量出来。电动机的电流、电压则 利用变送器转变成弱电流、电压。然后将这些模拟量通过模拟量输入模块 r m - 4 1 7 上传到总线r s 4 8 5 上，在经过r s 2 3 2 串行通讯总线与计算机连接起来， 实现向计算机的数据传送。对地下机械进行控制时，也通过r s 4 8 5 向r m 4 4 1 传送开关量控制命令，从而实现对机械的远程控制。操作员可以通过计算机软 件系统查看机械的工作状态，对地下施工机械进行相应的操作【8 1 。硬件系统整体 设计如图2 1 所示。 一8 一 第二章硬件系统设计 参 传感1部分e = 二 。1 。1 。 r $ 4 8 5 r m 4 1 7l= r $ 2 3 2 地下 旅工 关7 7 机械 乏臣习墨叵王磐乎嚣 图2 - 1 硬件系统整体设计 根据题目要求，设计温度、压力、液位、位移及电量传感器、变送器，并 且对机器的方向进行控制。对于电信号，使用互感器与变送器，将其转换成易 于传输的电信号。对于非电信号，由于不能直接测量，使用传感器将其转换成 易于传输的电信号。但是电信号比较微弱，后面需接信号放大器。经过多路模 拟开关送往a d 转换器，经过a d 转换后，信号由模拟信号转换成计算机能识 别的数字信号，然后通过接口送往计算机。经过计算机的处理输出所需要的信 息。其转换过程如图2 - 2 所示。 - 臣亟压翌 怔丑一 ； 路 模 拟 开 转 关 换 器 疆r 丽磊1 _ r 瓦n ； 固2 - 2 遥测量的转换过程 2 3 传感器及变送器设计 一9 数字量 模拟量 第二章硬件系统设计 2 3 1 机器方向的测控 2 3 1 1 方向的测定及控制电路 在设计中，考虑到机器在地下作业，没有可靠的参照物进行方向调整，而 在地下旋工过程中，常常是差之毫厘谬以千里。因此，地下施工工程掘进机的 掘进方向的控制显得尤为重要。本系统使用激光仪作为方向“矫正器”，机器的 尾部安装一个激光仪，在机器前端安装一个方向靶。在作业前，先预定机器的 方向，调整激光束打在方向靶的正中央。在启动机器作业后，如果机器掘进时， 偏离预定的方向，激光靶上的激光束也会相应的偏离方向靶中心，操作人员可 以根据激光束的位置，确定机器偏离程度，使用调偏电路调整掘进机掘进头的 方向【9 】。 在方向控制中，使用了四个液压缸来调整方向。四个液压缸，按上右下左 方位顺时针安装在掘进机掘进头的后面。调整方向时，启动不同的液压缸，就 可以完成对不同方向的控制。图2 - 3 为液压系统的回路图，图中液压缸上标注的 上右下左分别是控制掘进头的方位标志。 上 右下左 图2 - 3 液压缸方向纠偏线路图 一1 0 一 第二章硬件系统设计 其控制方法如下：( 1 ) 当激光束打在激光靶的右边时，只要使右边的液压缸 向前面伸同时左边的后缩，就可控制掘进头的方向向左调整；( 2 ) 当激光束打在 激光靶的左边时，只要使左边的液压缸向前面伸同时右面的后缩，就可控制掘 进头的方向向右调整：( 3 ) 当激光束打在激光靶的下边时，只要使下边的液压缸 前面伸，上面的后缩就可以使掘进头的方向向上调整；( 4 ) 当激光束打在激光靶 的上边时，只要使上边的液压缸向前面伸，下边的后缩就可以使掘进头的方向 向下调整。 对于整个掘进机的方向控制及其推动设计了一套方向控制电路，其功能就 是实现六种控制方式：同时缩回、同时伸出、上伸下缩、下伸上缩、左伸右缩、 左缩右伸。前两种方式是对后四种工作方式的补充，在后四种工作方式调整到 极限位置时，用前两种方式进行二次调整 1 0 , 1 1 。 液压控制电路如图2 - 4 所示。图2 4 中各开关电路如图2 5 所示。 图2 - 4 液压控制电路 一1 1 第_ 二章硬件系统设计 首先，合上刀开关q s ，按启动按钮s b 2 ，接触器k m 线圈通电，其常丌主 触点闭合，电动机m 通电旋转，同时并接 于启动按钮的接触器常开辅助触点闭合， 此时电动机可以长期运转，随后，就可以 对液压缸进行相应控制。 同时缩回控制：按下按钮s b 4 ，继电 器k 1 得电，其常开触点k 1 闭合。y v 2 、 y v 4 、y v 6 、y v 8 、y v 9 通电，四个方向 的液压缸活塞杆同时缩回。缩回到一定位 置时，按下s b 3 ，继电器k 1 失电，常开 触点断开。y v 2 、y v 4 、y v 6 、w 8 同时 断电，液压缸停止回缩。 同时伸出控制：按下按钮s b 6 ，继电 器k 2 得电，其常开触点k 2 闭合。w l 、 y v 3 、y v 5 、w 7 、y v 9 通电，四个方向 的液压缸活塞杆同时伸出。伸出到一定位 置时，按下s b 5 ，继电器k 2 失电，常开 触点断开。y v l 、y v 3 、y v 5 、y v 7 同时 断电，液压缸停止伸出。 图2 - 5 开关电路 上方伸出 f 方缩回 上方缩回 卜方伸出 左方伸出 右方缩回 左方缩回 右方伸出 同时缩同 同时伸山 上伸下缩控制：当激光束打在激光靶的上方时，需要调整机器向下移动。 按下按钮s b 8 ，电流继电器k a l 得电，其常开触点k a l 闭合。y v l 、y v 6 、y v 9 通电，上方的液压缸活塞杆伸出。下方的液压缸活塞杆缩回，当激光束打在激 光靶中心，按下s b 7 ，电流继电器k a l 失电，常开触点k a i 断开。y v l 、y v 6 同时断电，掘进机掘进头停止转动。 上缩下伸控制：当激光束打在激光靶的下方时，需要调整机器向上移动。 按下按钮s b 9 电流继电器k a 2 得电，其常开触点k a 2 闭合。y v 2 、y v 5 、y v 9 通电，上方的液压缸活塞杆缩回。下方的液压缸活塞杆伸出，当激光束打在激 光靶中心，按下s b 7 ，电流继电器k a 2 失电，常开触点k a 2 断开。y v 2 、w 5 同时断电，掘进机掘进头停止转动。 左伸右缩控制：当激光束打在激光靶的左时，需要调整机器向右移动。按 下按钮s b l 0 电流继电器k a 3 得电，其常开触点k a 3 闭合。w 7 、y v 4 、w 9 1 2 第二章硬件系统设计 通电，左方的液压缸活塞杆伸出。右方的液压缸活塞杆缩回，当激光束打在激 光靶中心，按下s b 7 ，电流继电器k a 3 失电，常开触点k a 3 断开。y v 7 、y v 4 同时断电，掘进机掘进头停止转动。 左缩右伸控制：当激光束打在激光靶的右方时，需要调整机器向左移动。 按下按钮s b l l 电流继电器k a 4 得电，其常开触点k a 4 闭合。y v 8 、y v 6 、1 ) 9 通电，左方的液压缸活塞杆缩回。右方的液压缸活塞杆伸出，当激光束打在激 光靶中心，按下s b 7 ，电流继电器k a 4 失电，常开触点k a 4 断开。y v 8 、y v 6 同时断电，掘进机掘进头停止转动。 2 3 1 2 机器的推动及控制电路 在设计中使用液压油提供推动力，掘进机掘进头依靠液压油推动掘迸头向前 图2 - 6 液压缸油路图 一1 3 第二章硬件系统设计 掘进机推进后退的控制操作如下：推进控制：按下s b l 3 ，电流继电器k a 5 得电，其主触点k a 5 闭合，y v l l 、y v 9 得电，液压缸活塞杆伸出，掘进机推 进。后退控制：按下s b l 4 ，电流继电器k a 6 得电，其主触点k a 6 闭合，y v l 0 、 y v 9 得电，液压缸话塞杆回缩，掘进机后退 埘。掘进机的推进后退控制电路如 图2 7 所示。 l 厶 q s 。毒b l 歹8 8 2k n m ， 臼 f u 】 汐一t 竺 一 u k a 5 多s b l 3k a 6 阿 1 、广r _ 一 。 k a 5 一 i 3 一? 竺1 5 且一 j 、0 ka6 、k k m l ； 一 剖1 1 ；啦州 i 岁_ 1 推进 u j p n l j l 一7 一弋v 、，口 退后 2 3 2 传感器模块 囱2 - 7 掘进机推进后退控制电路 传感器是一种能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号 的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。敏感元件指传感器中能直接 感受被测量的部分；转换元件是指传感器中能真接感受的被测量转换成适于传 输和测量的电信号部分。对自然现象的定量认识，首先要通过传感器获取信息， 然后才能通过处理获取的信息，弄清自然现象的本质。作为信号采集系统的首 要部件，传感器总是置于系统的前端。 传感器模块的设计主要包括：测量油温的温度传感器、测量液压的压力传 一1 4 第二章硬件系统设计 感器、测量液位的液位传感器、以及测量位移量的传感器。本方案中选用t - x 系列线性p t c 热敏电阻中的t - 1 1 2 型号作为测量油温的温度传感器。对于液位 的测量，选用了k y s 型压阻式传感器作为测量元件；对压力的监控，采用 d l y j 2 1 0 0 d 型绝对压力传感器来实现 1 3 - 1 5 】。 2 3 2 1 温度测量传感器 温度传感器在很多地方都有广泛的应用。其中热敏电阻由于灵敏度高、体 积小、响应快、功耗低、价格低廉等优点，被广泛用于航空、医学、工业及家 用电器等方面作为测温、控温、温度补偿等。热敏电阻工作原理是利用电阻随 温度变化的特性测量温度。感温元件是热敏电阻半导体材料。本系统中选用了 t - x 系列线性p t c 热敏电阻中的t - 1 1 2 型号作为测量油温的温度传感器。t 1 1 2 热敏电阻在0 1 0 0 具有良好的直线性，温度与阻值线性的关系如下图2 8 所 刁o 0 * c 1 0 0 c 温度厂c 图2 - 8t 一1 1 2 热敏电阻的线性图 温度测量电路主要由传感器工作电源及差动放大器组成，传感器的工作电 流选择在1m a 以下，以免电流产生的热量影响测量的精度，并要求电源电压稳 定。 所设计的电路图如图2 - 9 温度测量电路图所示。 d 1 为稳压二极管，并经r 2 、r 3 及半可调电阻五4 分压，调节r 4 使电压跟 随器a 1 输出2 5 v 的工作电压。 由r 5 、r 6 、r t 及r 7 组成测量电桥，其输出接a 2 差动放大器，经放大后 输出。 一1 5 第二章硬件系统设计 1 2 v 图2 - 9 温度测量电路图 2 3 2 2 位移测量传感器 在本设计中，选用电位器作为位移测量传感器。电阻丝是一种常用的机电 元件，被广泛应用于各种电器和电子设备中。电阻丝作为把机械的线位移输入 量转换成与其成一定函数关系的电阻或者电压输出的传感元件使用。电阻丝选 用常见的康铜丝。电路图如图2 1 0 所示。 一一二j k 1 r 2 1 ：作杆 一一7 。f ，一! 一1 0 0 k 卜一 卸1 审扁| 1 r l f 一翟 。l 一一乳：、a 、 电阻丝矾l 一 ) 岍l 一一、 l 粕 沈0 陟7 【r _ f 叫r 4 1 0 0 k k 2丫 图2 1 0 位移传感器电路图 一1 6 第二章硬件系统设计 电路的分析如下：u = k x o 设位移量为x l ，见图2 1 0 可知洳为常量。 f 1 + 鞫r 4 弘酱一等叭 x l ：粕一半( v o 为输出电压值) ( 2 - 1 ) ( 2 2 ) (