（机械设计及理论专业论文）地基沉降实验台控制系统的研究.pdf

摘要 本文通过对地基模拟沉降实验台的研究，根据实验台的控制要求，确定了以 工控机作为上位机，p l c 作为下位机的计算机二级控制方案。在硬件控制系统的 设计中，通过对各种选型方案的对比分析，对硬件进行了合理的选择；利用机械 式螺旋千斤顶的特点，选用接近开关来检测千斤项的直线位移：对继电器保护电 路进行了设计和理论分析，给出了保护电路接线图：绘制了电气控制原理图。 在软件控制系统的设计中，通过对控制系统的分析和论证，解决了实验台面 板的超低速问题和p l c 零输入等问题，设计了实验参数的计算方法。 对p l c 控制系统进行了设计。首先，通过对三菱f x 2 n 系列p l c 工作原理 和产品特点的分析，选择了合理的主机和扩展组合，并分配了p l c 的i o 地址 和辅助继电器的功能。其次，绘制了p l c 的u o 接线图。最后，设计了p l c 控 制程序的流程图。 用高级编程语言v i s u a lb a s i c6 0 编写了上位机监控程序，并编制了监控软件 的使用说明。经过对控制系统多次的现场调试和实验，证明本控制系统具有可靠 性高、稳定性强、操作简便、软件界面良好等优点，适合在地基沉降实验台的实 验中使用，并对控制系统提出了进一步改进的方法和措施。 关键词：地基沉降控制系统p l c 监控软件 a b s t r a c t b a s e do nt h er e s e a r c ho ft h es u b g r a d es e t t l e m e n ts i m u l a t i n ge x p e r i m e n t a l p l a t f o r m ，a n da c c o r d i n gt oi t sc o n t r o ld e m a n d s ，t w o g r a d e s u b s y s t e mc o n t r o ls o l u t i o n f o rt h ep l a t f o r mi sd e t e r m i n e d ，i nw h i c ha ni n d u s t r i a lc o n t r o l l i n gc o m p u t e rw o r k sa s u p p e rs u b s y s t e m ，ap r o g r a m m a b l ec o n t r o l l e r ( p l c ) w o r k sa sl o w e rs u b s y s t e m t o d e s i g nt h eh a r d w a r es y s t e m ，c o n t r a s t e dw i t hv a r i o u ss o l u t i o n s ，t h eh a r d w a r ea r e r e a s o n a b l yc h o s e n c o r r e s p o n d i n gw i t ht h ec h a r a c t e r i s t i c so fm e c h a n i c a lh e l i xl i l t i n g j a c k s ，p r o x i m i t ys w i t c h e sa r eu s e dt om e a s u r et h el i n e a rd i s p l a c e m e n t t h ec i r c u i t sf o r p r o t e c t i n gt h er e l a y sa r ed e s i g n e da n dd r a w n t h ee l e c t r i c a ld i a g r a mi sp u tf o r w a r d t od e s i g nt h es o f t w a r es y s t e m ，b ya n a l y z i n gt h ec o n t r o ls y s t e m ，t h ep r o b l e m s h o we x p e r i m e n t a lp l a t f o r mp a n e lf u n c t i o na tu l t r al o ws p e e da n dh o w p r o g r a m m a b l e c o n t r o l l e rw o r k sw i t hz e r oi n p u ts i g n a l si ss o l v e d , a n dt h ec o m p u t a t i o n a lm e t h o do f e x p e r i m e n t a lp a r a m e t e r si sc r e a t e d t h ep l cc o n t r o ls y s t e mi s d e s i g n e d f i r s t l y , m a i nc o n t r o l l e ra n de x t e n d e d c o m p o n e n t sa r er e a s o n a b l yc h o s e nb ya n a l y z i n gt h ef u n c t i o nt h e o r ya n dp r o d u c t c h a r a c t e r i s t i c so fm i t s u b i s h if x 2 ns e 6 e sp l c s e c o n d l y , t h ei n p u t o u t p u t ( i ，o ) a d d r e s s e sa r ed i s t r i b u t e d ，a n dt h ea c c e s s o r i a lr e l a y s f u n c t i o n sa r ed e t e r m i n e d t h i r d l y t h ei od i a g r a mi sd r a w na n dt h ef l o wc h a r to f t h e c o n t r o l l i n gp r o g r a m i sp l o a e d t h eu p p e rs u b s y s t e mi sp r o g r a m m e db yv i s u a lb a s i c6 0 ，a n dt h eu s e r sm a n u a l f o rt h em o n i t o r i n gs o f t w a r ei sw r i t t e n b yt i m e so fl o c a ld e b u g g i n g ，t h ec o n t r o l s y s t e mh a st h ea d v a n t a g e ss u c ha sh i g hr e l i a b i l i t y , s t r o n gs t a b i l i t ya n dc o n v e n i e n t c o n t r o l ，a c c e s s i b l es o f t w a r ep a n e la n ds oo n a n dt h ew h o l ec o n t r o ls y s t e mi sa d a p t i v e t ot h es u b g r a ds e t t l e m e n ts i m u l a t i n ge x p e r i m e n t a lp l a t f o r m ，a n ds o m em e a s u r e sf o r i m p r o v i n gt h es y s t e ma r ec o m eu pw i t h k e yw o r d ：s u b g r a d es e t t l e m e n t c o n t r o ls y s t e mp l c m o n i t o r i n gs o f t w a r e i i 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论 。 文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成 果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：忠挪砂。苫年g 月修日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归 属学校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请 专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的 学术论文或成果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：惠煽谢年6 月中日 导师签名：夜t 隶旱 z - 。6 年6 月，辽日 第一章绪论 1 - l 课题的提出 随着我国公路建设事业的飞速发展，越来越多的高等级公路投入使用。但是， 各种各样的道路病害随之而来，世界性难题车辆的“桥头跳车”问题在我国 的道路交通中表现了出来。“桥头跳车”是一种道路病害的表现形式，它发生于 路桥过渡段，主要是由于桥梁两端的路基表面整体相对于桥台下沉，使桥梁两 端的道路表面与桥面之间形成高度差，在高等级公路上，当这个高度差达到 1 5 c m 时，就会出现“桥头跳车”现象。 高速公路中的“桥头跳车”现象不仅大大影响了行车的舒适性和安全性，是 道路交通安全的重要隐患之一，而且造成车辆的大幅减速，降低了道路的通行能 力，严重的可能导致交通堵塞，甚至交通事故，给国民经济带来巨大的损失。 截止目前，全国已建成的高速公路已超过4 万公里，但是“桥头跳车”现 象普遍存在，给道路养护部门带来很大的困难。其维修养护费用很高，按湖北 汉宜( 武汉宜昌) 高速公路统计估算，全国高速公路每年用于维修和养护路 桥过渡段病害的费用在i 亿元以上。路桥过渡段的“桥头跳车”病害，是高速 公路建设质量改善和提高的一大技术难题。因此，解决好路桥过渡段路基修筑技 术问题，对改善高速公路质量，提高经济效益具有重要作用。 为了研究路桥过渡段的地基沉降的机理，我们建立了大比例地基模拟沉降实 验台，用来研究不同地域路基下地基的沉降特征，通过在模拟实验台上设置一些 路基填土模型，控制实验台沉降来模拟路桥过渡段地基的沉降，研究在不同的 路基填土处治方法下得出路桥过渡段适用的路基处置方法，并建立路桥过渡段 路基设计与计算方法，以及路基施工工艺与质量体系。通过在该模拟地基沉降 实验台进行实验，对“桥头跳车”现象的研究已经取得了一定的成果。而且， 本实验台的用途越来越广泛，目前，为了配合西安市修筑地铁的规划，在实验 台上正在进行地裂带的研究实验，目的要解决地铁隧道通过西安市地层断裂带 时的技术问题。相信在不久的将来，本实验台将在模拟地面沉降的研究中发挥 重要的作用。 1 2 课题研究的目的 本课题主要是通过分析地基沉降模拟实验台的控制要求，对实验台控制系 统进行设计和深入的研究。控制系统的功能主要有： 1 控制实验台系统的升降，通过控制升降装置进行地基沉降实验，实验完 成后，取出填土模型，将系统升到起始实验位置，再填土进行下一次实验。 2 由于地基沉降是一个相当长的过程，做一次沉降实验需要几周，甚至几 个月的时间，因此控制系统必须对实验台的速度进行控制，使其以很低的速度下 降。 3 为了保证系统的可靠性和安全性，控制系统应能实时检测系统的故障信 息，发现故障立即向用户报警，并显示故障的大致位置，以便可以及时排除故障， 继续运行系统。 4 具有良好的用户操作界面，使得用户可以很方便的进行运行数据的设置， 能够实时的显示实验数据和系统的状态，以便用户可以随时浏览系统的信息。 要实现上述功能，必须对实验台控制系统进行深入的研究，选择最合理的控 制方案，达到系统的控制要求。 1 3 课题的研究内容 为了满足地基模拟沉降实验台的控制要求，实现上述功能，本文主要做了以 下工作： 1 对实验台系统进行分析和研究，明确控制要求； 2 制定控制系统的控制方案，确定系统的组成，对硬件系统进行设计，选 择适合本系统的计算机控制器和传感检测装置，以及各种控制现场设备，绘制电 气控制原理图。 3 通过软件设计解决硬件系统设计不能解决的问题，设计实验数据的计算 方法，解决系统的超低速下降问题 4 对p l c 进行选型，分配其u o 地址和辅助继电器的功能，选择输入输出 接口电路和通信方法，设计p l c 运行程序的控制流程。 5 实现上下位机的通信，通过通信接口向下位机发送控制指令，p l c 收到 指令后响应上位机的命令，并向上位机发送响应报文。设计上位机监控软件，并 编制软件的使用说明。 完成上述设计内容后在现场对控制系统进行调试运行，总结研究成果，并提 出对控制系统进一步改进的方案。 第二章实验台概述 本地基沉降模拟实验台以1 ：l 的比例尺模拟单车道路桥过渡段路基下地基 的工作状态，填土高度不小于5 m 。考虑大比例模拟实验的需要，整个实验平台 平面的面积约为3 0 0 m 2 ，沉降实验平台的承载重量近3 0 0 0 t ，最大沉降量可达 3 0 0 m m ，能满足路桥过渡段路基沉降的要求。进行实验时，在实验台面板上填土， 修筑地基，在地基上面( 或者地基内部) 布置试验模型。然后利用控制系统使实 验台面板按照要求下降，设置在土壤内和模型上的传感器便可以测得实验数据。 通过电缆与计算机和电控系统相连接，可对沉降实验平台的沉降量、平均沉降速 率以及沉降曲面进行实时控制，可对重力式桥台和肋板式桥台的台后填土等各种 加固建筑物进行测试”1 。 实验台的截面图如图2 一l 所示，进行地基沉降实验时，可以在实验台面板上 填土，修筑实验模型，升降装置用来控制实验台面板的上升和下降。 地面粤0 图2 1 实验台截面简图 2 1 实验台系统的组成 实验台主要由以下五个系统构成。 1 ) 实验台面板系统 如图2 2 所示，该系统是由2 3 0 块三角形钢筋混凝土面板组成，在面板上可 以填土，修筑地基，在地基上面( 或者地基内部) 可以布置实验模型，面板的沉 降活动可以模拟地基下面地层的活动。 2 ) 面板支撑升降系统 在图2 2 中，三角形顶点处的圆圈表示一个节点，共有1 3 8 个节点，在每个 节点的下面布置有一个专门为实验台系统开发的能承载1 0 0 吨负荷的电动一手动 图2 - 2 实验台面板平面图 两用千斤顶，同时顶住在它上面的所有三角形板。每台千斤顶由一台交流电动机 通过谐波减速机+ 蜗轮蜗杆机构驱动，电动机的正转与反转使得千斤顶上升下降， 从而带动实验台面板实现升降，实验台面板的外观图如2 - 3 所示。 图2 - 3 沉降实验台面板外观图 3 ) 传感检测系统 传感检测系统有两部分组成： a 实验台面板升降检测系统 该系统用来检测实验台面板在实验进行过程中的上升、下降变形和实验系统 的故障等，与实验台控制系统配套。 b 所实验土体的土力学特性检测系统 这个系统是用来检测实验进行过程中土体的力学特性，如土壤变形、土壤应 力、土壤密实度等。这部分由于涉及到土力学方面的专业许多知识，由使用实验 台的土木工程人员设计制作。 在本文中，以后提到的传感检测系统都是指实验台面板升降检测系统。 4 ) 实验台控制系统 该系统是对每个升降装置的升降量进行设置，通过负载输出控制各个节点的 电动机的正转和反转运行来实现系统的升降。在系统运行过程中，对系统的运行 状态进行实时监控，系统出现故障时可以及时报警，并对实验数据进行管理。 5 ) 配套系统 为了能使实验顺利的进行，配套系统是必须的。包括通风、照明、排水等系 统，实验台系统的组成示意图如2 4 所示。 图2 - 4 实验台系统构成示意图 2 2 实验台的工作情况 实验台的下降是模拟地基沉降过程，由于地基下沉是一个十分缓慢的过程， 通常需要数月甚至数年才能发现其变化：所以，实验台的下降也应该是相当缓慢 的，应该有数周甚至更长的时间。 在进行实验时，首先在实验台面板上填土，布置试验模型( 见图2 5 ) 。然 后控制系统使实验台面板下面与千斤顶联接的电动机按预先设定的程序缓慢转 动，实验台的面板就发生下降，每台千斤顶按用户的设定值下降不同的行程，就 可以使面板发生和要求的地基沉降曲面相近的变形。 做完一次实验后，将实验台面板上的填土卸掉，然后将实验台的每个千斤 顶都上升到初始位置，重新进行填土，修筑新的实验模型，进行下一次试验。 图2 - 5 实验台填土实验圈( 1 ) 6 图2 - 5 实验台填土实验图( 2 ) 第三章实验台控制系统的总体设计 3 1 实验台控制系统概述 控制系统主要是控制电动机和千斤顶组成的升降装置进行升降，并记录由传 感器检测升降装置的位移反馈信号，依此来判断实验台面板上升或下降的位移， 并能够实时的监控电动机的运转情况，一旦发现异常立即停止系统运行，同时向 用户报警，等故障排除后，控制系统可以从故障停止点处继续运行系统。 由于本实验台主要用于模拟地基的沉降，而地基的沉降是一个非常缓慢的过 程。因此，控制系统的实验周期长，在系统运行过程当中，用户需要实时的调整 实验数据，而且系统随时都有可能发生各种故障，为了不丢失用户实验数据，控 制系统要能实时保存实验数据，以便在系统正常后可以继续进行此次实验。 3 1 1 控制系统的要求 1 ) 性能可靠：由于进行一次实验的时间较长，而且在实验过程中可能会出 现非正常停机( 如停电、故障等) ，因此，控制系统的性能必须可靠，要能保证 系统在实验过程中稳定运行，在发生故障时不能丢失实验数据，等故障排除后， 控制系统能够从实验的故障中断点处继续运行系统。 2 ) 故障自检测能力：控制系统能够进行故障的自检，当系统出现故障时， 控制系统应该能够立即自动停止所有电动机的运行，同时向用户发出报警信号； 由于系统的点数较多，用户排除故障时，计算机控制系统应该能够检测出故障的 大致位置，以便用户能及时排除故障，保证实验工作效率。 3 ) 数据处理能力：实验台的设计行程为3 0 0 m m ，由于实验台结构上的原因， 同时考虑到地基下沉的特点，使用中是绝对不能一次运行这么长的距离。计算机 应该能够按照用户的要求自动的将数据分为若干步运行；设计处理实验数据的算 法，使系统能够在运行过程中自动消除产生的累积误差。另外，计算机控制系统 要不能丢失数据处理的中间结果，以便系统故障排除后继续进行下一步实验。 4 ) 操作方便：由于该实验台的使用人员主要为土木工程技术人员，为了便 于他们使用，控制系统应该能够利用普通的微机进行控制，要有一个良好的界面， 用户能够从界面上给控制系统下达各种指令，如：上升、下降、设置各节点行程、 启动、停止、暂停和退出等。 5 ) 抗干扰能力：由于需要控制的交流电动机数量较多( 1 3 8 台) ，而且在实 验过程中，多台电动机要频繁的起动和停止，信号电缆中的信号可能会产生相互 干扰，控制柜里许多继电器同时动作，在电路里也会相互干扰。因此，控制系统 需要有一定的抗干扰能力。 6 ) 环境适应能力：该控制系统的运行环境是西安市的室内，室内温度一般 在0 。c 3 0 。c 之间，变化较大。由于在进行实验时，需要给面板上填土，控制 系统的环境较差，灰尘比较大，还有来自各种现场设备的电磁干扰，因此，控制 系统要有很好的环境适应能力。 3 1 2 控制方式 1 ) 电动机的运转方式：电动机的正转和反转。 2 ) 控制系统的运行方式：单台电动机运行和多台电动机运行。 单台电动机运行方式 控制单台电动机的起动和停止。用户设定好某一台电动机的运行数据，起动 该台电机起动，运行完设定的数据后停止运行。 多台电动机运行方式 用户设定好所有电动机的运行数据，起动所有系统开始运行，电动机自动运 行完全部的数据，停止运行，退出控制系统。 多台电动机运行方式是本控制系统的主要运行方式，但是由于系统电机数量 较多，自动运行时如果所有电机同时起动运行，对控制系统的电路要求很高。因 此，我们把所有的电动机按照其节点布置结构分组。分组情况如图3 1 所示。上 升时的分组情况为图中的第一组到第七组，每组2 2 台电机( 第七组只有6 台) ； 下降时的分组数为2 5 小组，第l ，4 ，5 ，8 ，9 ，1 2 ，1 3 ，1 6 ，1 7 ，2 0 ，2 1 ，2 4 ， 2 5 这十三小组电机每组为6 台电机，剩余的十二小组电机每组为5 台电机。 这样设计以后，系统的运行原理是：设定一个初步长l ，用户设置好实验数 据后，系统按照l 进行分步，每一步运行的距离不超过l ，系统启动后按照分组 的顺序启动电机，首先逐个启动第一组电机，当第一组电机运行完第一步的数据 后停止运行，然后逐个启动第二组电机，这一组电机运行完第一步的数据后，开 始逐个启动第三组电机，依次类推，等到所有的电机运行完第一步的数据后，根 据用户需要，系统运行第二步数据，直到所有的数据运行完毕，系统停止。这样 设计有两个好处： 图3 - 1 电机分组示意图 a 电动机按照分组和分步启动，电机每步运行结束后，用户可以不立即运行 下一步，使实验台面上的地基模型可以稳定一段时间，这样更接近于地基沉降的 实际情况。另外，由于地基的下降是不均匀的，电机这样分组后，用户可以通过 设置不同的实验数据，使得地基形成不同的沉降曲面。 b 减轻了电路的负荷，由于控制点数量比较多，同时运行的电动机过多会对 总电路设计提出较高的要求( 动力部门要求我们的系统的最大电流不能超过 5 0 a ) 。电机分组后，下降时最多同时启动6 台电机，上升时为2 2 台。因为上升 时是空载运行，为了加快上升速度，因此我们设计上升时可以同时启动2 2 台电 机。这样的话，在设计电路时只需要考虑同时工作2 2 台电动机时电路的负荷情 况就可以了。 但是这样一来，系统在运行过程中要对电动机进行频繁的启动和停止，但这 种起停对于某一台电机来说并不频繁，所以对电动机影响不大。不过，这样会使 软件系统变的复杂。相比之下，这样分组的优点是比较明显的。 3 2 控制系统的总体设计 3 2 1 硬件系统设计 一、电动机简介。1 在本控制系统中使用的是三相异步交流电动机，这种电动机的优点是结构简 单、坚固耐用、工作可靠、价格低廉、维护方便；主要缺点是调速困难，起动性 能较差。比较其优缺点，结合实验台系统的工作要求及工作环境，我们选用 y d s 9 0 3 5 - b 5 型超低速交流电动机，这种电动机实际上是由一个普通的6 极交 流异步电动机和一个谐波减速机组成，它的额定电压是3 8 0 v ，额定电流是1 2 a ， 电动机的输出转速为3 5 r m i n 。 二、计算机控制系统 由于本控制系统的使用是在工业现场，工作条件较差，对计算机控制系统的 可靠性要求很高，因此，我们对以下三种方案进行了分析和对比。 1 ，工业控制机方案 工业控制机是计算机总体系中的一个重要分支，它和我们平常使用的用于科 学计算和数据处理的计算机有所不同。工业控制机是按照工业环境的要求而设计 的微型计算机，它主要用于工业生产控制，与一般意义上的计算机比较，其具有 以下主要特点m m ： ( 1 ) 丰富的过程输入输出功能 除了计算机的基本部分如c p u 、存储器以外，工业控制机具有丰富的过程输 入输出设备和完善的外部设备，它可以与传感器、显示仪表、调节控制仪表等 各种现场设备连接使用。 ( 2 ) 实时性 工业控制机具有时间驱动和事件驱动的能力，能对工况的变化进行实时的监 视和控制，当系统在运行过程中出现故障时，能迅速响应，及时处理，它还配有 实时操作系统，过程中断系统等，以保证对系统进行实时的控制。 ( 3 ) 高可靠性 由于在实验台上进行实验时，经常需要几周、甚至几个月的时间，这就要求 工业控制机的可靠性尽可能的高。 ( 4 ) 环境适应性 工业控制机能适应高温、高湿、腐蚀、振动冲击、灰尘等环境。 基于以上优点，工业控制机比较合适在本系统中使用，但是控制系统需要对 1 3 8 个基本控制节点进行输入输出处理，由于数量众多，工控机需要可以接收 很多输入输出的i o 模块，如此多的输入输出点要保证它们之间能协调工作是 相当困难的，这不仅给工控机的编程带来不便，而且它们之间会产生干扰，造成 输入输出信号的错误和偏差，这会降低系统的安全性，更严重的会损坏整个实 验平台。采用工控机来控制实验台，加上其必须的i 0 模块和配套设备，根据我 们估算已远远超出实验台控制系统的预计成本。另外，由于实验周期长，因此需 要对实验数据进行经常保存，如果遇到断电或工业控制机的硬件故障，而不能及 时保存数据，造成数据丢失，就需要重新进行实验，这不仅增加了实验成本，而 且延长了实验周期。因此这种方案不可行。 2 可编程控制器方案 另外，我们还研究了使用可编程控制器( p l c ) 作为控制器的方案。由于实 验台系统的输入和输出都是开关量，因此，使用p l c 可以实现对系统的控制。而 且p l c 具有以下优点嘲叫“”“”： ( 1 ) 可靠性高、抗干扰能力强 p l c 采用大规模集成电路和计算机技术，对电源采取屏蔽，对i 0 接口采取 光电隔离，在软件方面也使用了一系列的抗干扰措施，它具有很强的抗干扰能力， 平均无故障率时间达到数万小时以上，可以直接在强干扰的工业现场使用，是目 前公认的最可靠的工业控制设备之一。 ( 2 ) 功能完善、编程简单、组合灵活、扩展方便，性价比高 p l c 采用梯形图编程语言编程，其电路符号和表达符号与继电器电路原理图 很相似，而且梯形图形象直观，很容易看出各个元件之间的逻辑关系。p l c 产品 以及系列化、标准化、模块化，用户可以按照不同的控制要求选择不同型号的 p l c ，能灵活方便的对系统进行配置，组成不同功能和不同规模的系统，通过与 主机连接不同规模的扩展，可以很方便的扩展系统的i 0 点数。p l c 中的编程元 件可以无限次的使用，有很强的功能，可以实现很复杂的控制功能，而且它可以 通过通信联网，实现分散控制，集中管理，具有很高的性能价格比。 ( 3 ) 体积小、质量轻、能耗低 p l c 的结构紧凑，体积小，质量轻，可以很方便的携带，在办公室或家里都 可以对程序进行模拟调试。 采用p l c 作为控制器的方案，可以很容易解决系统i o 点数的问题，而且 p l c 编程简单，抗干扰能力强，成本低，使用有断电保持功能的p l c 可以对实验 数据进行长时间的实时保存( 一年以上) ，解决了系统突然断电丢失实验数据的 问题。但是如果只采用p l c 进行控制，系统的人一机界面的实现出现困难，给用 户进行实验数据的输入和实时查看实验数据带来不便，这个方案也不能满足要 求。 3 工控机和p l c 组合方案 结合上述工控机和p l c 的优点，我们确定了工控机和p l c 组合方案，工控机 为上位机，p l c 为下位机，下位机采集传感器的数据，并通过负载输出来控制电 动机的起动和停止：上位机通过通信接口向p l c 发送控制指令，并实时监控系统 的运行。这样一来，计算机控制系统既有工业控制机的数据管理和人一机界面良 好的优点，又有p l c 可靠性高，抗干扰能力强以及编程简单，i o 点数组合灵活 的优点。其成本与单一采用工控机相比，大大的降低：与采用p l c 做控制器相比 可以很方便的实现人一机交互，其性能价格比是三种方案中最高的。因此，我们 采用工控机和p l c 组合方案。 由于一台p l c 扩展到3 0 0 个左右的输入输出点有困难，再考虑到p l c 内的 程序比较庞大，我们最后采用了两台三菱f x ：n - 1 2 8 m r 型p l c 主机增加扩展的方案， 性价比高，而且将p l c 的程序分配在两台主机的内存中，有足够的内存编写程序。 前面已经说明，选择的p l c 在系统断电后不会丢失数据，所以没有必要进行 断电保护；工控机突然断电会丢失数据，我们为它配备了不间断电源。 三、传感器 传感器在本控制系统中主要是用来测量千斤顶的直线升降位移变化，目前用 于测量直线位移的传感器主要有：电感传感器、电容传感器和光栅传感器等。其 工作原理都是通过位移转换元件将位移量的变化转换为电感、电容或电量等模拟 量的变化，经过转换电路把这些模拟量转换成便于测量的电量，如电流、电压、 频率等，再经过模拟数字转换，转换成可以直接进入计算机的数字量，如图3 - 2 所示“1 嘲。 1 电感传感器 电感传感器是利用电磁感应原理，通过磁路磁阻的变化，将被测件的位移量 转换为传感器的电感变化来检测。电感传感器的优点是：灵敏度、分辨率高，线 性较好、输出功率大等：缺点是：这种传感器不适用于较大位移的测量，而且传 p = 位移传感器 图3 - 2 位移传感器工作原理不意图 感器需要与被测件接触。 2 电容传感器 电容传感器是将被测件的位移量的变化转换为电容量变化的一种传感器。它 的特点是结构简单、灵敏度高、动态响应好、可实现非接触测量等；缺点是不适 用于较大位移的测量，而且这种传感器有非线性特性。 3 光栅传感器 光栅传感器是一种新型的位移检测元件，它的特点是测量精度高、响应速度 快和量程范围大：缺点是容易受到外界环境的干扰。 结合实验台的控制要求，上述三种传感器在本控制系统中都不适用，其原因 如下： ( 1 ) 成本问题。千斤顶的行程设计为3 0 0 m m ，这就要求传感器的测量行程 也至少为3 0 0 m m ，这么大行程的传感器的造价很高。另外，使用位移传感器，需 要在传感器和计算机之间增加电荷放大器和a d 转换模块，这样一来传感器检测 系统的成本会在2 0 万元以上，课题经费是无法承受的。 ( 2 ) 零点漂移问题。由于实验周期较长，在实验过程中系统要进行多次的 起动和停止，每次起动时都必须对传感器进行调零，对1 3 8 个传感器进行调零的 工作量是非常大的，这无疑会增长实验周期和实验成本，在实验过程中传感器的 零点漂移问题也不好处理。 ( 3 ) 工作环境问题。由于实验台工作环境较差，灰尘大，电磁干扰多。因 此，上述三种传感器在这样的环境下很难保证能够正常工作。 ( 4 ) 安装问题。行程3 0 0 m m 的位移传感器在本实验台上的安装很困难。 传感器需要测量的是千斤顶的位移，而千斤顶是由电动机驱动的。利用机械 式螺旋千斤顶传动比精确的特点，我们采用位置传感器来测量电动机的转动角 度，对位置传感器输出的开关量脉冲进行计数，再根据电动机与千斤顶的传动 比，我们就可以很容易地得出千斤顶的实际位移。 位置传感器有接触式和接近式两种，接近式位置传感器( 接近开关) 主要 有电磁式传感器、电容式传感器和光电式传感器三种。电磁式传感器只能检测 电磁材料，而电容式几乎可以检测所有的固体材料，光电式传感器要求工作环 境的光线条件好。在本控制系统中，我们采用接近式电磁传感器，其工作原理 是根据被测物体的接近程度，引起传感器感应点磁通量的变化，当磁通量的值 超过预定的阈值时，传感器产生振荡，然后再经过变换，使其成为输出电压， 以表示物体的出现。1 。 采用接近开关来检测千斤顶的位移的优点是： a 接近开关的输出量为开关量，可以直接输入计算机控制系统，无须安装 a d 转换模块，提高了系统的可靠性，也简化了系统。 b 解决了传感器的零点漂移问题，因为接近开关反应的是开关量的变化，每 次开始运行系统时，它可以直接进行检测，不需要对传感器进行调零。 c 安装简单，抗干扰能力强，能适应实验台的灰尘环境。 d 降低了成本，一个接近开关的成本仅几十元钱，1 0 0 多个也就几千元钱， 与采用位移传感器的近2 0 万元的成本相比大大的降低。 使用接近开关同样有一定的缺点：由于千斤顶的位移是通过接近开关的脉 冲数和千斤顶的传动比得出，在进行实验时，实验台面板上要加成百上千吨的土， 千斤顶会产生压缩变形，另外，千斤顶的输入轴也会出现扭转变形，这都会影响 到接近开关的检测，使系统产生误差。分辨率低，系统对于小于一个脉冲间隔 的位移无法分辨。不过对本系统来说，提高系统的分辨率会使系统的成本增加许 多，也是没有必要的。因为要提高分辨率只有从电动机的风扇端检测信号，而风 扇轴的转速为9 6 0 r m i n ，这样，接近开关的输出将至少达到1 6 h z ，而p l c 的低 频计数器的工作频率为l o h z 以下，这样一来，每个输入点必须采用高速计数器 进行计数，硬件系统的成本将提高许多。 本实验台主要是用于土木工程实验，对传感检测系统的要求精度比较低，在 1 4 5 m m 之问，而且系统设计时有足够的刚度，不可能生产太大的变形。根据电动 机与千斤顶的传动比换算，接近开关每输出一个脉冲，对应千斤顶产生0 2 0 6 9 m m 的位移，因此误差的要求在2 0 个脉冲以内，控制系统可以完全满足这样的误差 要求。在本检测系统中选用接近开关是切实可行的，接近开关工作状态如图3 3 所示。 图3 3 接近开关工作状态图 四、电动机控制元件。“” 1 接触器 接触器是用于远距离频繁地接通与断开交直流主电路及大容量控制电路的 一种自动切换电器。其主要控制对象是电动机，也可以用来控制其他电力负载， 照明、电焊机等。它具有操作频率高( 每小时可以开闭好几百次) 、使用寿命长、 工作可靠、性能稳定、维护方便等优点，同时还具有低电压释放保护功能，在电 力拖动自动控制系统中被广泛使用。 在本控制系统中，我们选用两个额定电压为3 8 0 v ，额定电流为6 0 a 的c j 2 0 6 3 型交流接触器，它们用来控制总电路的接通和断开，实现电动机的反转和正转。 这两个接触器是通过继电器由p l c 控制的。 2 继电器 在本控制系统中，控制对象是交流电动机，由于p l c 的输出不能直接驱动电 动机，通常认为其直接驱动接触器也有困难。根据我们查阅，目前市面上最小的 交流接触器可控制的电机电流也在5 a 以上，对于本控制系统中使用的电动机来 说，这一点完全满足需要了；但这种接触器的体积对于我们来说还是太大，这么 多接触器一个控制柜里根本安装不下，而且价格较高，这不但要提高系统成本， 还给布线工作带来困难。还有用p l c 的输出直接控制这种接触器的线圈有些勉 强。考虑到系统电机输出功率只有0 2 5 k w ，电流也不大，仅1 2 a ，因此我们认 为可以使用继电器作为p l c 的输出来驱动电动机的起动和停止。由于继电器通常 用于阻性电路，没有针对感性负载的灭弧装置。 控制系统的主电路工作电压a c3 8 0 v ，我们选用触点额定电压为3 8 0 v ，额定 电流为5 a 的继电器作为电动机控制元件。这样可以降低控制电路的成本，减小 控制柜的体积。 3 电路保护元件 电气系统一般都设计专门的过载保护元件，以便于的在系统出现较大电流时 自动切断电路。常见的过载保护元件有： ( 1 ) 空气开关 空气开关是一种常用的低压保护电器，可实现短路、过载和失压保护。本控 制系统中使用两个空气开关，空开q f l 与交流电源连接，其额定电流为4 0 a ，实 现对系统的总电路保护。空开q f 2 与报警电路和其他控制电路连接，其额定电流 为i o a 。 ( 2 ) 熔断器 熔断器是低压配电系统和电力拖动系统中起过载和短路保护作用的电器。使 用时，熔体串联于被保护的电路中，当通过熔断器的电流大于规定值时，以其自 身产生的热量使熔体熔断，从而自动切断电路，实现过载和短路保护。本系统在 控制电路中采用了两个熔断器。 本系统中只有前述的两个空气开关和两个熔断器作为保护元件，没有对每台 电机设计保护电路，每台电动机的故障由计算机实时检测。这样设计有以下优点： 简化了系统。1 3 8 台三相电动机，如果布置1 3 8 个保护元件，肯定会使电路复 杂、控制柜增大，成本提高。便于维修。采用计算机实时检测故障，当出现故 障后，系统自动停机，而且可以显示故障的大致位置，便于及时维修。 4 继电器保护电路 系统在运行过程中需要对电动机进行频繁的起动和停止，因为交流电动机属 于感性负载，所以在继电器触点断开的瞬间，由于电动机线圈的自感作用，会在 其触点之间产生极高的电压，往往能达到几千伏，甚至上万伏，使触点之间产生 电弧。电弧的产生一方面使电路依然保持导通状态，延迟了电路的断开，另一方 面会烧坏触点，缩短继电器的寿命。因此，在电路中我们必须采取保护措施来熄 灭电弧，保护继电器。 常用的灭弧方法是：在触点处 增加灭弧装置；在电路里增加灭弧 电路。由于在触点处增加保护电路比 较困难，在本系统中我们采取给电路 e 里增加灭弧电路的方法进行灭弧。由 于交流电路不容易采用半导体元件， 我们分析了以下几种灭弧方法。 a 阻容消弧电路 图3 - 4 阻容灭弧电路 尺工 1 如 上 电动机线圈并联了电容f 和电 阻尼后( 图3 - 4 ) ，就是一种常见的阻容消弧电路。在开关k 断开后，线圈的自 感电流通过电容c 和电阻尼完成回路，达到消弧的目的。“”“”。 如果将开关短开的瞬时看作初始时刻的话，断开开关以后的交流电路过 渡过程与直流电路过渡过程没有多少区别，我们将e 看作为断开瞬时电路的电源 电压，看作为断开瞬时电路的电流。由于电容器c 比较小，我们略去断开开关 前电容c 的电流对电路的影响，断开开关后的交流电路就可以简化为图3 4 的形 式。 在开关断开后，根据基尔霍夫电路定律，电路方程如下： 胁。+ 等+ 批出讽扣。 睁。， p c = 2 由于在开关断开过程中通过电感的电流不可突变，电容c 两端的电压不可 突变，对于支流电路，可得初始条件：f = o 时，屯5 屯。2 一百2 , ，v c 2 e 。“一 号表示五的方向与图3 - 4 所示方向相反。解方程组( 3 一1 ) 得 屯= f c = 一e 一 i o c o s o ) t + 1 国( 西or i o l + e - ) s i n 刎 舯万= 会胪瓜了鲰= 怯肛r c 口点电位聆为 v b = - i l r l - - l d 万i l 开关触点之间的电压为 k 萨j e 。嵋( 3 - 4 ) 电容器两极板之间的电压虼为 忙一埘；( 3 - 5 ) 对于直流电路，当r ，：4 0 ， r 。：6 0 ，e = 3 0 0 v 时，在开关断开的瞬 间，电路里仍然有电流 f n ：f ：旦：型= 5 a l 0 2 0 刮2 i 2 丽 ( 3 2 ) ( 3 - 3 ) 图3 - 5 使用阻容消弧时触点的电压变化情况 v x = i o r c - - 5 4 0 = 2 0 0v ，由此可以求得触点之间在断开瞬时的电压为 = = 2 0 0 v 可以看出，要减小开关断开 瞬时触点之间的电压变化，只有 减小尼，在r e = 0 时，触点之间 的电压将在断开瞬时没有变化， 但是尼是电路里的耗能元件， 没有尼时电路的震荡时间将加 长。增大尼可以缩短震荡时间， 但会增加开关断开瞬时触点之 间的电压变化。在上例中，使开 狲阶 噬垆 图3 - 6 使用阻容消弧时电容的电压变化情况 关触点之间的电压衰减到点+ 1 0 f ( 即2 7 0 v 3 3 0 v ) 大约需要0 1 1 秒。 图3 - 5 、图3 - 6 分别为l = i 亨，庐0 4 7 f ，r e = 4 0 ，r c = 6 0 ，e = 3 0 0 v 时开关触点 蛐哪 洲 姗 。 一一 一 一 哪 之间的电压和电容器两极板之间的电压畦与时间关系 增大f 可以减小震荡的固有频率，也可以减少断开后触点之间电压的变化 率，但电容c 是一个贮能元件，过大的f 值也会使震荡时间加长。 采用阻容吸收时，如果不计电阻，电感的磁场能量和电容的电场能量全部转 换到电容器时，为电容器极板电压的理论最高值。即 丢私丢c 吃：昙c 唁。 2 2 。 2 “ 。= ( 3 6 ) 在l = i 亨，仁0 4 7f ，l = 一5 a ，v c = 庐- 3 0 0 v 时，= 7 2 9 9 v ，即对于直流电 路来说，其电容两端的最高电压超过了电源电压2 0 倍，这对采用阻容方法对大 功率电路进行消弧带来了困难。 对于交流电路，由于线圈的自感作用，断开开关时电路里的电流没有直流时 候大，所以情况应该没有前述那么严 重。我们测定，电机线圈的电阻 尼| - 6 0 ，我们粗略估计，千斤顶电动机 的电动机线圈电感量一l 亨利。根 据有关资料。”推荐我们选定 c = - 0 4 7f ，尼= 4 7 。假设电路在电压 峰值点时断开，这时v c = 庐- - 3 8 0 1 4 1 4 = 5 3 7 v ，丘取1 2 a ，由( 3 - 6 ) - - 1 8 4 1 v ，超过了电源电压f 的3 尺 i l l 图3 7 使用压敏电阻消弧的电路原理图 倍。可以看出，尽管在断开瞬间触点之间的电压仅为5 3 7 v ，但在断开后的震荡 过程中触点之间的电压还是很高的。这要求电容具有较高的耐压，而0 4 7 f 的电容耐压超过6 3 0 v 的元件市场上很少，对采用阻容方法消除电路电弧带来了 困难。 b 压敏电阻消弧电路 与电感元件并联了压敏电阻尼后，就形成了图3 7 所示压敏电阻的消弧电 路。 压敏电阻特性 压敏电阻特性简介m ” 图3 8 为常见的氧化锌压敏电阻的肛特性曲线。压敏电阻的特性可以大致 划分为以下三个区段。 预击穿区在此区间内，施加于压敏电阻两端的电压小于其压敏电压压 敏电阻的阻值很大，通常在数百千欧到数兆欧之间变化。当施加于压敏电阻两端 的电压明显的小于其压敏电压嵋时，可以看作开路。 击穿区施加于压敏电阻两端的电压大于其压敏电压只要压敏电阻 两端的电压矿略微发生变化，通过它的电流而就会发生很大的变化。 上升区上升区的电压电流几乎成线性关系，压敏电阻已经失去了它的功 能。 压敏电阻特性简化 为了便于分析，我们对压敏电阻的特性进行以下简化： 将压敏电阻预击穿区的阻值 而看作一个常数，其数值为图3 - 8 中 虚线的斜率，由其临界点的电压和电 流确定；将压敏电阻在击穿区的两