【文章內(nèi)容簡介】 當(dāng)線圈的 ab 邊轉(zhuǎn)到 S 極范圍內(nèi)時， cd 邊就轉(zhuǎn)到 N 極范圍內(nèi)，用右手定則 判斷可以知道，這時線圈 cd 邊中產(chǎn)生的電動勢方向是從 c 到 d，而 ab 邊轉(zhuǎn)到了 S極范圍內(nèi)，其中電動勢的方向則是有 a 到 b。由于電刷在空間是不動的，因此和線圈 d 端連接的銅片 2 和電刷 A 接觸，它的電位仍然是正。而與線圈 a 端連接的銅片 1 則和電刷 B 接觸，它的電位仍然是負(fù)。接通外電路時，電流仍然是從電刷A 經(jīng)負(fù)載流入電刷 B，與線圈一起構(gòu)成閉合的電流通路。不過，要注意到這時線圈內(nèi)的電流已經(jīng)反向了。 由此可知，當(dāng)線圈不停地旋轉(zhuǎn)時，雖然與兩個電刷接觸的線圈邊不停的變化，但是，電刷 A 始終是正電位，電刷 B始終是負(fù)電位。因此，有兩電 刷引出的是具有恒定方向的電動勢，負(fù)載上得到的是恒定方向的電壓和電流。也就是說，盡管線圈 abcd 中感應(yīng)電動勢的方向不斷交變，但是電刷 A 總是和處在 N 極范圍內(nèi)的線圈邊接觸，電刷 B 總是和處在 S 極范圍內(nèi)的線圈邊相接觸，它們的極性始終不變。于是，線圈中的交流電經(jīng)過銅片和電刷整流后，便成為外電路中的直流電了。這兩個半圓形的銅片就叫做換向片，它們合在一起叫做換向器。 13 （ 2） 直流電動機(jī)的基本工作原理 上面已經(jīng)討論了直流發(fā)電機(jī)的工作原理，現(xiàn)在再來討論直流電動機(jī)是怎樣工作的。 如果直流電機(jī)的轉(zhuǎn)子不用原動機(jī)拖動，而把它的電刷 A、 B 接在電壓為 U 的直流電源上，那么會發(fā)生什么樣的情況呢？可以看出，電刷 A 是正電位， B 是負(fù)電位，在 N 極范圍內(nèi)的導(dǎo)體 ab 中的電流是從 a 流向 b，在 S 極范圍內(nèi)的導(dǎo)體 cd中的電流是從 c 流向 d。前面已經(jīng)說過，載流導(dǎo)體在磁場中要受到電磁力的作用，因此， ab 和 cd 兩導(dǎo)體都要受到電磁力 Fde 的作用。根據(jù)磁場方向和導(dǎo)體中的電流方向，利用電動機(jī)左手定則判斷， ab 邊受力的方向是向左，而 cd 邊則是向右。由于磁場是均勻的，導(dǎo)體中流過的又是相同的電流，所以， ab 邊和 cd 邊所受電磁力的大小相等。這樣，線圈上就受到了電磁力的作用而按逆時針方 向轉(zhuǎn)動了。當(dāng)線圈轉(zhuǎn)到磁極的中性面上時，線圈中的電流等于零，電磁力等于零，但是由于慣性的作用，線圈繼續(xù)轉(zhuǎn)動。線圈轉(zhuǎn)過半州之后，雖然 ab 與 cd 的位置調(diào)換了，ab 邊轉(zhuǎn)到 S 極范圍內(nèi)， cd 邊轉(zhuǎn)到 N 極范圍內(nèi)，但是，由于換向片和電刷的作用，轉(zhuǎn)到 N 極下的 cd 邊中電流方向也變了，是從 d 流向 c，在 S 極下的 ab 邊中的電流則是從 b 流向 a。因此，電磁力 Fdc 的方向仍然不變，線圈仍然受力按逆時針方向轉(zhuǎn)動。可見，分別處在 N、 S 極范圍內(nèi)的導(dǎo)體中的電流方向總是不變的，因此，線圈兩個邊的受力方向也不變，這樣，線圈就可以按照受力方向不停的旋轉(zhuǎn)了 ，通過齒輪或皮帶等機(jī)構(gòu)的傳動，便可以帶動其它工作機(jī)械。 從以上的分析可以看到，要使線圈按照一定的方向旋轉(zhuǎn)，關(guān)鍵問題是當(dāng)導(dǎo)體從一個磁極范圍內(nèi)轉(zhuǎn)到另一個異性磁極范圍內(nèi)時（也就是導(dǎo)體經(jīng)過中性面后），導(dǎo)體中電流的方向也要同時改變。換向器和電刷就是完成這個任務(wù)的裝置。在直流發(fā)電機(jī)中，換向器和電刷的任務(wù)是把線圈中的交流電變?yōu)橹绷麟娤蛲廨敵?；而在直流電動機(jī)中，則用換向器和電刷把輸入的直流電變?yōu)榫€圈中的交流電。可見，換向器和電刷是直流電機(jī)中不可缺少的關(guān)鍵性部件。 當(dāng)然，在實際的直流電動機(jī)中，也不只有一個線圈，而是有許多 個線圈牢固地嵌在轉(zhuǎn)子鐵芯槽中，當(dāng)導(dǎo)體中通過電流、在磁場中因受力而轉(zhuǎn)動，就帶動整個轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。這就是直流電動機(jī)的基本工作原理。 比較直流發(fā)電機(jī)和直流電動機(jī)的工作原理可以看出，它們的輸入和輸出的能 14 量形式不同的。正如前面已經(jīng)說過，直流發(fā)電機(jī)由原動機(jī)拖動，輸入的是機(jī)械能，輸出的是電能；直流電動機(jī)則是由直流電源供電，輸入的是電能，輸出的是機(jī)械能。 接近開關(guān)的工作原理： (1)概述 接近傳感器可以不與目標(biāo)物實際接觸情況下檢測靠近傳感器金屬目標(biāo)物。操作原理，接近傳感器大致可以分為以下三類：利用電磁感應(yīng)高頻振 蕩型，使用磁鐵磁力型和利用電容變化電容型 [2]。 特性： 1） 非接觸檢測，避免了對傳感器自身和目標(biāo)物損壞。 2） 無觸點(diǎn)輸出，操作壽命長。 3） 有水或油噴濺苛刻環(huán)境中也能穩(wěn)定檢測。 4） 反應(yīng)速度快。 5） 小型感測頭，安裝靈活。 (2)類型 1） 按配置來分 2） 按檢測方法分 ●通用型：主要檢測黑色金屬（鐵）。 ●所有金屬型：相同檢測距離內(nèi)檢測任何金屬。 ●有色金屬型：主要檢測鋁一類有色金屬。 (3)高頻振蕩型接近傳感器工作原理 [3] 電感式接近傳感器由高頻振蕩、檢波、放大、觸發(fā)及輸出電路等組成。振 蕩器傳感器檢測面產(chǎn)生一個交變電磁場，當(dāng)金屬物體接近傳感器檢測面時，金屬 中產(chǎn)生渦流吸收了振蕩器能量，使振蕩減弱停振。振蕩器振蕩及停振這兩 種狀態(tài)，轉(zhuǎn)換為電信號整形放大轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制開關(guān)信號，經(jīng)功率放大后輸出。下面為詳細(xì)介紹： 1）通用型接近傳感器工作原理 振幅變化程度隨目標(biāo)物金屬種類不同而不同，檢測距離也隨目標(biāo)物金屬種類不同而不同。 15 2）所有金屬型傳感器工作原理 所有金屬型傳感器基本上屬于高頻振蕩型。和普通型一樣，它也有一個振蕩電路，電路中因感應(yīng)電流目標(biāo)物內(nèi)流動引起能量損失影響到振蕩頻率。目標(biāo)物接近傳感器時，目標(biāo) 物金屬種類如何，振蕩頻率都會提高。傳感器檢測到這個變化并輸出檢測信號。 3）有色金屬型傳感器工作原理 有色金屬傳感器基本上屬于高頻振蕩型。它有一個振蕩電路，電路中因感應(yīng)電流目標(biāo)物內(nèi)流動引起能量損失影響到振蕩頻率變化。當(dāng)鋁或銅之類有色金屬目標(biāo)物接近傳感器時，振蕩頻率增高；當(dāng)鐵一類黑色金屬目標(biāo)物接近傳感器時，振蕩頻率降低。振蕩頻率高于參考頻率，傳感器輸出信號。 (3)電容式接近傳感器原理 電容式接近傳感器由高頻振蕩器和放大器等組成，由傳感器檢測面與大間構(gòu)成一個電容器，參與振蕩回路工作，起始處于振蕩狀態(tài)。當(dāng)物體接 近傳感器檢測面對，回路電容量發(fā)生變化，使高頻振蕩器振蕩。振蕩與停振這二種狀態(tài)轉(zhuǎn)換為電信號經(jīng)放大器轉(zhuǎn)化成二進(jìn)制開關(guān)信號。 機(jī)械傳動原理和 現(xiàn)場總線 技術(shù) 機(jī)械傳動原理 利用機(jī)械方式傳遞動力和運(yùn)動的傳動。機(jī)械傳動在機(jī)械工程中應(yīng)用非常廣泛 ,有多種形式 ,主要可分為兩類： 1） 靠機(jī)件間的摩擦力傳遞動力和運(yùn)動的摩擦傳動，包括帶傳動、繩傳動和摩擦輪傳動等。摩擦傳動容易實現(xiàn)無級變速 ,大都能適應(yīng)軸間距較大的傳動場合 ,過載打滑還能起到緩沖和保護(hù)傳動裝置的作用，但這種傳動一般不能用于大功率的場合，也不能保證準(zhǔn)確的傳 動比。 常用機(jī)械傳動的特點(diǎn) [8]： 帶傳動：中心距離變化范圍廣，結(jié)構(gòu)簡單，傳動平穩(wěn)，可起安全和減震作用，缺點(diǎn)是外廓尺寸大，軸向受力大，壽命短傳動比不能嚴(yán)格保證。 繩傳動：中心距離變化大，傳遞動力大。缺點(diǎn)就是傳動比不能嚴(yán)格保證。 摩擦輪傳動：結(jié)構(gòu)簡單，易實現(xiàn)無極變速。缺點(diǎn)就是軸向受力大傳動比不能嚴(yán)格保證。 16 齒輪傳動 :適用范圍廣，效率高，傳動比準(zhǔn)確，工作可靠，壽命長。缺點(diǎn)就是制造要求高，中心距不能過大。 鏈傳動：中心距變化范圍大，平均傳動比準(zhǔn)確，比帶傳動過載能力大。缺點(diǎn)就是瞬時傳動比不準(zhǔn)確。 旋轉(zhuǎn)傳動：易于將回 轉(zhuǎn)運(yùn)動變成直線運(yùn)動?？捎糜谖⒄{(diào)機(jī)構(gòu)和自鎖機(jī)構(gòu)，滾動旋轉(zhuǎn)傳動效率高。缺點(diǎn)是普通滑動旋轉(zhuǎn)傳動效率低，不適于大功率。 2） 靠主動件與從動件嚙合或借助中間件嚙合傳遞動力或運(yùn)動的嚙合傳動，包括齒輪傳動、鏈傳動、螺旋傳動和諧波傳動等。嚙合傳動能夠用于大功率的場合，傳動比準(zhǔn)確，但一般要求較高的制造精度和安裝精度。每種機(jī)械傳動都各有特點(diǎn)，分別適用于不同的條件。 現(xiàn)場總線 技術(shù) 現(xiàn)場總線 [4]（ Fieldbus）是 80 年代末、 90 年代初國際上發(fā)展形成的，用于過程自動化、制造自動化、樓宇自動化等領(lǐng)域的現(xiàn)場智能設(shè)備互連通 訊網(wǎng)絡(luò)。它作為工廠數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)，溝通了生產(chǎn)過程現(xiàn)場及控制設(shè)備之間及其與更高控制管理層次之間的聯(lián)系。它不僅是一個基層網(wǎng)絡(luò)，而且還是一種開放式、新型全分布控制系統(tǒng)。這項以智能傳感、控制、計算機(jī)、數(shù)字通訊等技術(shù)為主要內(nèi)容的綜合技術(shù)，已經(jīng)受到世界范圍的關(guān)注，成為自動化技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)，并將導(dǎo)致自動化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與設(shè)備的深刻變革。國際上許多實力、有影響的公司都先后在不同程度上進(jìn)行了現(xiàn)場總線技術(shù)與產(chǎn)品的開發(fā)?，F(xiàn)場總線設(shè)備的工作環(huán)境處于過程設(shè)備的底層，作為工廠設(shè)備級基礎(chǔ)通訊網(wǎng)絡(luò)，要求具有協(xié)議簡單、容錯能力強(qiáng)、安全性好、成 本低的特點(diǎn) :具有一定的時間確定性和較高的實時性要求 ,還具有網(wǎng)絡(luò)負(fù)載穩(wěn)定，多數(shù)為短幀傳送、信息交換頻繁等特點(diǎn)。由于上述特點(diǎn)，現(xiàn)場總線系統(tǒng)從網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)到通訊技術(shù)，都具有不同上層高速數(shù)據(jù)通信網(wǎng)的特色。 一般把現(xiàn)場總線系統(tǒng)稱為第五代控制系統(tǒng)，也稱作 FCS—— 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)。人們一般把 50 年代前的氣動信號控制系統(tǒng) PCS 稱作第一代，把 4～ 20mA 等電動模擬信號控制系統(tǒng)稱為第二代，把數(shù)字計算機(jī)集中式控制系統(tǒng)稱為第三代，而把 70 年代中期以來的集散式分布控制系統(tǒng) DCS 稱作第四代?，F(xiàn)場總線控制系統(tǒng) FCS 作為新一代控制系統(tǒng)， 一方面，突破了 DCS 系統(tǒng)采用通信專用網(wǎng)絡(luò)的局限，采用了基于公開化、標(biāo)準(zhǔn)化的解決方案，克服了封閉系統(tǒng)所造成的缺陷；另一方 17 面把 DCS 的集中與分散相結(jié)合的集散系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，變成了新型全分布式結(jié)構(gòu)，把控制功能徹底下放到現(xiàn)場?？梢哉f，開放性、分散性與數(shù)字通訊是現(xiàn)場總線系統(tǒng)最顯著的特征。 現(xiàn)場總線技術(shù)在歷經(jīng)了群雄并起，分散割據(jù)的初始階段后，盡管已有一定范圍的磋商合并，但至今尚未形成完整統(tǒng)一的國際標(biāo)準(zhǔn)。其中有較強(qiáng)實力和影響的有 :FoudationFieldbus（ FF）、 LonWorks、 Profibus、 HART、 CAN、 Dupline 等。它們具有各自的特色，在不同應(yīng)用領(lǐng)域形成了自己的優(yōu)勢。本文將在簡要描述現(xiàn)場總線技術(shù)特點(diǎn)的基礎(chǔ)，緊扣系統(tǒng)的可靠性、實用性等，介紹現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、體系結(jié)構(gòu)等關(guān)鍵技術(shù)及目前較為流行的幾種有實力的現(xiàn)場總線技術(shù)的現(xiàn)狀，最后闡述現(xiàn)場總線的發(fā)展趨勢與技術(shù)展望。 一、現(xiàn)場總線的技術(shù)特點(diǎn) [10] 系統(tǒng)的開放性。開放系統(tǒng)是指通信協(xié)議公開，各不同廠家的設(shè)備之間可進(jìn)行互連并實現(xiàn)信息交換，現(xiàn)場總線開發(fā)者就是要致力于建立統(tǒng)一的工廠底層網(wǎng)絡(luò)的開放系統(tǒng)。這里的開放是指對相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的一致、公開性，強(qiáng)調(diào)對標(biāo)準(zhǔn)的共識與 遵從。一個開放系統(tǒng)，它可以與任何遵守相同標(biāo)準(zhǔn)的其它設(shè)備或系統(tǒng)相連。一個具有總線功能的現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)必須是開放的，開放系統(tǒng)把系統(tǒng)集成的權(quán)利交給了用戶。用戶可按自己的需要和對象把來自不同供應(yīng)商的產(chǎn)品組成大小隨意的系統(tǒng)。 互可操作性與互用性，這里的互可操作性，是指實現(xiàn)互連設(shè)備間、系統(tǒng)間的信息傳送與溝通，可實行點(diǎn)對點(diǎn)，一點(diǎn)對多點(diǎn)的數(shù)字通信。而互用性則意味著不同生產(chǎn)廠家的性能類似的設(shè)備可進(jìn)行互換而實現(xiàn)互用。 現(xiàn)場設(shè)備的智能化與功能自治性。它將傳感測量、補(bǔ)償計算、工程量處理與控制等功能分散到現(xiàn)場設(shè)備中完成 ，僅靠現(xiàn)場設(shè)備即可完成自動控制的基本功能，并可隨時診斷設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的高度分散性。由于現(xiàn)場設(shè)備本身已可完成自動控制的基本功能，使得現(xiàn)場總線已構(gòu)成一種新的全分布式控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)。從根本上改變了現(xiàn)有 DCS 集中與分散相結(jié)合的集散控制系統(tǒng)體系，簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高了可靠性。 對現(xiàn)場環(huán)境的適應(yīng)性。工作在現(xiàn)場設(shè)備前端，作為工廠網(wǎng)絡(luò)底層的現(xiàn)場 18 總線，是專為在現(xiàn)場環(huán)境工作而設(shè)計的，它可支持雙絞線、同軸電纜、光纜、射頻、紅外線、電力線等，具有較強(qiáng)的抗干擾能力，能采用兩線制實現(xiàn)送電與通信，并可滿足本質(zhì) 安全防爆要求等。 二、現(xiàn)場總線的優(yōu)點(diǎn) 由于現(xiàn)場總線的以上特點(diǎn) [9]，特別是現(xiàn)場總線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的簡化，使控制系統(tǒng)的設(shè)計、安裝、投運(yùn)到正常生產(chǎn)運(yùn)行及其檢修維護(hù)，都體現(xiàn)出優(yōu)越性。 節(jié)省硬件數(shù)量與投資。由于現(xiàn)場總線系統(tǒng)中分散在設(shè)備前端的智能設(shè)備能直接執(zhí)行多種傳感、控制、報警和計算功能，因而可減少變送器的數(shù)量，不再需要單獨(dú)的控制器、計算單元等，也不再需要 DCS 系統(tǒng)的信號調(diào)理、轉(zhuǎn)換、隔離技術(shù)等功能單元及其復(fù)雜接線，還可以用工控 PC 機(jī)作為操作站，從而節(jié)省了一大筆硬件投資，由于控制設(shè)備的減少，還可減少控制室的占地面 積。 19 第四章 小車運(yùn)動控制系統(tǒng)的設(shè)計 硬件電路的設(shè)計 實驗器材 所需的實驗設(shè)備： Ⅰ型實物教學(xué)模型 一臺 （用戶自備） 一臺 若干 (帶編程電纜 )（用戶自備） 一套 工作原理 1．傳感器： (1)接近開關(guān)：接近開關(guān)有三根連接線（棕、蘭、黑）棕色接電源的正極、藍(lán)色接電源的 負(fù)極、黑色為輸出信號，當(dāng)與檔塊接近時輸出電平為低電平，否則為高電平。與 PLC 之間的接線圖如下，當(dāng)傳感器動作時，輸出端對地接通。 PLC內(nèi)部光耦與傳感器電源構(gòu)成回路， PLC 信號輸入有效。連接電路如下圖所示： 光隔離是一種很常用的信號隔離形式。常用光耦器件及其外圍電路組成。由于光耦電路簡單，在數(shù)字隔離電路或數(shù)據(jù)傳輸電路中常常用到，如 UART 協(xié)議的20mA 電流環(huán)。對于模擬信號，光耦因為輸入輸出的線形較差，并且隨溫度變化較大，限制了其在模擬信號隔離的