【文章內(nèi)容簡介】 聲光警告顯示器打印機(jī)故障解除開關(guān)行程開關(guān)油溫信號(hào)1油溫信號(hào)2轉(zhuǎn)速傳感器直流電機(jī)直流調(diào)速器控制柜內(nèi)各用電器對應(yīng)的繼電器離合器電磁閥油泵電機(jī)制動(dòng)盤油泵電機(jī)鼓式制動(dòng)器電磁閥圖41實(shí)驗(yàn)臺(tái)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理圖如上圖41所示，工控機(jī)（PC）和PLC事控制系統(tǒng)的核心。在突然接合離合器[8]起步工況，實(shí)驗(yàn)開始前，將被試汽車傳動(dòng)系相關(guān)信息輸入到PC中，如變速器的檔位和主減速器傳動(dòng)比、發(fā)動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩。將這些信息作為輸入的主要原因是，傳感器測量的只是離合器輸入端的扭矩——時(shí)間歷程，變速器處在不同的檔位時(shí)，輸出端扭矩峰值就不同，對變速器后面的傳動(dòng)系影響就不同，同樣，主減速器的傳動(dòng)比直接影響半軸上的扭矩峰值。實(shí)驗(yàn)過程時(shí)，控制系統(tǒng)發(fā)出指令，電動(dòng)機(jī)通電開始工作，同時(shí)，電動(dòng)上的轉(zhuǎn)速傳感器測量電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，并將轉(zhuǎn)速信號(hào)回饋給直流調(diào)速裝置。安裝在離合器輸入端的轉(zhuǎn)速傳感器將轉(zhuǎn)速信號(hào)傳遞給計(jì)算機(jī)，在計(jì)算機(jī)內(nèi)經(jīng)過換算，認(rèn)定電動(dòng)機(jī)達(dá)到目的轉(zhuǎn)速時(shí)，計(jì)算機(jī)控制程序發(fā)出對電動(dòng)機(jī)挺值得信號(hào)給控制系統(tǒng)，電動(dòng)機(jī)斷電，2秒鐘后，控制系統(tǒng)發(fā)出離合器助力器的控制開啟指令，離合器開啟電磁閥動(dòng)作時(shí)離合器突然接合，在被試汽車傳動(dòng)系中產(chǎn)生大的沖擊扭矩。串聯(lián)在被試傳動(dòng)系上的扭矩傳感器測量整個(gè)過程中的扭矩時(shí)間歷程，通過采集卡及A/D轉(zhuǎn)換處理，將信號(hào)傳遞給計(jì)算機(jī)，以曲線形式實(shí)時(shí)地輸出實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)過程中，實(shí)驗(yàn)臺(tái)的安裝控制裝置在數(shù)據(jù)超過限定值時(shí)，及時(shí)的發(fā)出信號(hào)，使實(shí)驗(yàn)停止。當(dāng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)振動(dòng)傳感器檢測到振動(dòng)超過限定值時(shí)，就發(fā)出信號(hào)，停止下一次沖擊實(shí)驗(yàn)，變速器和后橋中的油溫傳感器在監(jiān)測到油溫超過150℃時(shí)，即停止下一次的實(shí)驗(yàn)，在終止實(shí)驗(yàn)的同時(shí)，工控機(jī)發(fā)出信號(hào)給PLC，PLC控制實(shí)驗(yàn)臺(tái)的聲光報(bào)警系統(tǒng)開關(guān)閉合，發(fā)出警報(bào)，直到故障解決為止。在緊急制動(dòng)工況，控制系統(tǒng)發(fā)出指令，電動(dòng)機(jī)通電開始工作，由電動(dòng)機(jī)通過帶傳動(dòng)，將動(dòng)力傳遞到模擬發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量部分的慣性軸，慣性軸上安裝有慣性盤。實(shí)驗(yàn)開始前，已經(jīng)根據(jù)與被試傳東西相匹配的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，選擇好該次實(shí)驗(yàn)慣性盤的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。當(dāng)電動(dòng)機(jī)達(dá)到預(yù)定的轉(zhuǎn)速時(shí)，控制系統(tǒng)使電動(dòng)機(jī)斷電，2秒鐘后，控制系統(tǒng)發(fā)出指令給制動(dòng)鼓處的電磁閥，電磁閥通電接通制動(dòng)壓縮空氣，制動(dòng)鼓作用，使驅(qū)動(dòng)輪抱死，在慣性飛輪組部分、離合器主動(dòng)部分及離合器后傳動(dòng)系統(tǒng)自身轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的慣性力的作用下，在被試的汽車傳動(dòng)系中產(chǎn)生一個(gè)很大的沖擊扭矩。安裝在離合器前端得扭矩傳感器測量出整個(gè)扭矩時(shí)間過程信號(hào)，特別是捕捉到峰值轉(zhuǎn)矩信號(hào)，并將扭矩時(shí)間信號(hào)經(jīng)過處理到工業(yè)控制計(jì)算機(jī)上，以曲線形式實(shí)時(shí)地輸出實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（轉(zhuǎn)速、扭矩等）。可編程控制器[4]式為了適應(yīng)工業(yè)控制的需要，在傳統(tǒng)控制手段的基礎(chǔ)上，借助于數(shù)字技術(shù)開發(fā)出來的。（1） 可編程控制器的產(chǎn)生早期的工業(yè)控制中采用的繼電器控制系統(tǒng)屬于固定界限的邏輯控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)隨功能的不同而不同。系統(tǒng)中采用的機(jī)械電氣式期間本身的不足影響了控制系統(tǒng)的各種性能，無法適應(yīng)現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展的需要。20世紀(jì)60年代，晶體管等悟出點(diǎn)期間的應(yīng)用促進(jìn)了控制裝置的小型化和可靠性的提高。60年代中期，小型計(jì)算機(jī)被應(yīng)用到過程控制領(lǐng)域，大大提高了控制系統(tǒng)的性能，但當(dāng)時(shí)計(jì)算機(jī)價(jià)格昂貴，編程不方便，輸入/輸出信號(hào)與工業(yè)現(xiàn)場不兼容，因而沒能在工業(yè)控制中得到推廣和應(yīng)用。20世紀(jì)60年代末期，美國通用公司（Generral Motors Corporation,GM）為了在激烈的市場競爭中戰(zhàn)勝了對手，制定出多種、小批量、不斷推出新車型來吸引顧客的戰(zhàn)略。但原油的控制系統(tǒng)由繼電器和接觸器等組成，靈活性差，不能滿足生產(chǎn)工業(yè)不斷更新的需要。1968年，GM公司為了改造汽車生產(chǎn)設(shè)備的控制方式，要求采用新型的控制裝置取代傳統(tǒng)的繼電器控制裝置，提出了以下10條招標(biāo)的技術(shù)指標(biāo)：① 簡單方便，可在現(xiàn)場修改程序；② 硬件維護(hù)簡單，采用模塊化設(shè)計(jì)；③ 可靠性要高于繼電器控制系統(tǒng)；④ 體積小于繼電器控制系統(tǒng)；⑤ 可將數(shù)據(jù)直接送入管理計(jì)算機(jī)；⑥ 成本可與繼電器控制系統(tǒng)競爭；⑦ 輸入可以是交流115V；⑧ 輸出為交流115V，2A以上，能直接驅(qū)動(dòng)電磁閥和接觸器等；⑨ 在進(jìn)行擴(kuò)展中，原有的系統(tǒng)只需要很小的改動(dòng)；⑩ 用戶程序儲(chǔ)存器的容量至少可擴(kuò)展到4KB。1969年，美國的數(shù)字設(shè)備公司（Digital Equipment Corporation,DEC）開發(fā)出世界上第一臺(tái)能滿足上述要求的樣機(jī)，并在GM公司的汽車裝配線上獲得成功。這種新型的工業(yè)控制裝置以其簡單易懂、操作方便、可靠性高、使用靈活、體積小、壽命長等一系列有點(diǎn)很快就推廣應(yīng)用到食品、飲料、冶金、造紙等其他工業(yè)領(lǐng)域。隨后德國、日本等國相繼引進(jìn)這一技術(shù)，迅速在工業(yè)控制中得到了廣泛的應(yīng)用。我國從1974年開始研制，1977年開始應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域。（2） 可編程控制器的發(fā)展過程、雖然PLC的應(yīng)用時(shí)間不長，但是隨著微處理器的出現(xiàn)，大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路技術(shù)的迅速發(fā)展和數(shù)據(jù)通信技術(shù)的不斷發(fā)展，PLC的發(fā)展也極為迅速。其發(fā)展過程大致分為三個(gè)階段：① 第三代PLC（20世紀(jì)60年代末～70年代中期）早期的PLC作為繼電器控制系統(tǒng)的替代物，其主要功能只是執(zhí)行原先繼電器完成的順序控制和定時(shí)控制等任務(wù)。② 第二代PLC(2O世紀(jì)70年代中期～80年代后期)20世紀(jì)70年代，微處理器的出現(xiàn)使PLC發(fā)生了巨大的變化。各個(gè)PLC制造 商先后采用微處理器作為PLC的中央處理器（Central Processing Unit,CPU）,使PLC的功能大大增強(qiáng)。③ 可編程控制器的發(fā)展方向（20世紀(jì)80年代后期至今）20世紀(jì)80年代后期，隨著大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路技術(shù)的迅速發(fā)展，微處理器的價(jià)格大幅度下降，各種PLC采用的微處理器的性能普遍提高。（3） 可編程控制器的發(fā)展方向現(xiàn)代PLC的發(fā)展有兩個(gè)主要趨勢。其一是向體積更小、速度更快、功能更強(qiáng)和價(jià)格更低的微小型方面發(fā)展；其二是向大型網(wǎng)絡(luò)化、高可靠性、良好的兼容性和多功能方面發(fā)展，趨向于當(dāng)前工業(yè)控制計(jì)算機(jī)（Industrial Personal Computer,IPC,即工控機(jī)）的性能。① 微型、小型PLC功能明顯增強(qiáng)，很多知名的PLC制造商相繼推出了小型、特別是微型、高性能的PLC。② 集成化發(fā)展趨勢增強(qiáng)③ 由于控制對象的復(fù)雜化和高難度化，使PLC向集成化方向發(fā)展。PLC與PC集成、PLC與DCS集成、PLC與PID集成、PLC與現(xiàn)場總線集成等，并增強(qiáng)了通信和網(wǎng)絡(luò)能力，尤其是以PC為基礎(chǔ)的控制產(chǎn)品增長迅速。④ 向開放型轉(zhuǎn)變⑤ PLC存在的嚴(yán)重缺點(diǎn)主要是PLC的軟、硬體系結(jié)構(gòu)是封閉的而不是開放的，絕大多數(shù)的PLC 采用專用總線、專用通信網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。在可編程控制器的早期設(shè)計(jì)中，雖然采用了計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)思想，但只有用來代替繼電器實(shí)現(xiàn)邏輯（開關(guān)量）控制，主要用于順序控制，所以被稱為可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller）,簡稱PLC。隨著技術(shù)的發(fā)展，這種裝置的功能早已大大超過了邏輯控制的范圍。美國電氣制造商協(xié)會(huì)（National Electrical Manufacturers Association,NEMA）經(jīng)過調(diào)查，將其正式命名為Programmable Controller,簡稱PC。由于PC容易與個(gè)人計(jì)算機(jī)（Personal Computer）的縮寫相混淆，因而人們?nèi)匝赜肞LC作為可編程控制器的簡稱。國際電工委員會(huì)（International Electrorechninal Commission,IEC）頒布的PLC的定義為：可編程序控制器是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下的應(yīng)用而設(shè)計(jì)。它采用可編程的存儲(chǔ)器，用來在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并通過數(shù)字的、模擬的輸入和輸出來控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程?？删幊绦蚩刂破骷捌溆嘘P(guān)設(shè)備，都應(yīng)按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個(gè)整體、易于擴(kuò)充其功能的原則設(shè)計(jì)。PLC把微型計(jì)算機(jī)技術(shù)和繼電器控制技術(shù)融合在一起，兼具計(jì)算機(jī)的功能完備，靈活性強(qiáng)、通用性好以及繼電器接觸器控制系統(tǒng)的簡單易懂、維修方便等特點(diǎn)，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：①編程簡單易學(xué)②可靠性高③功能強(qiáng)④安裝簡單，維修方便⑤采用模塊化結(jié)構(gòu)⑥接口模塊豐富⑦系統(tǒng)設(shè)計(jì)與調(diào)試周期短經(jīng)過長期的工程時(shí)間，PLC的上述特點(diǎn)越來越為廣大技術(shù)人員所認(rèn)識(shí)和接受，已經(jīng)廣泛地應(yīng)用到石油、化工、機(jī)械、鋼鐵、交通、電力、輕工、采礦、水力、環(huán)保等各個(gè)領(lǐng)域，包括從單機(jī)自動(dòng)化到工廠自動(dòng)化，從機(jī)器人、柔性制造系統(tǒng)到工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)。從功能上看，PLC的應(yīng)用范圍大致包括以下幾個(gè)方面：⑴邏輯（開關(guān)量）控制⑵定時(shí)控制⑶計(jì)數(shù)控制⑷步進(jìn)控制⑸模擬量處理與PID控制⑹數(shù)據(jù)處理⑺通信和聯(lián)網(wǎng)功能PLC的產(chǎn)品型號(hào)很多，發(fā)展非常迅速，應(yīng)用日益廣泛，不同的產(chǎn)品在硬件結(jié)構(gòu)、資源配置和指令系統(tǒng)等方面各不相同。但從整體來看，不同廠商的PLC在硬件機(jī)構(gòu)和指令系統(tǒng)等方面大同小異。下面主要介紹三菱公司FX系列的PLC得硬件組成、工作原理和系統(tǒng)資源配置等內(nèi)容。圖42 PLC的組成PLC從組成形式上一般分為整體式和模塊式兩種，但在系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)上基本相同、整體式PLC一般由CPU板、I/O板、顯示面板、內(nèi)存和電源等組成，一般按PLC性能又分為若干型號(hào)，并按I/O點(diǎn)數(shù)分為若干規(guī)格。模塊式PLC一般由CPU模塊、I/O模塊、內(nèi)存模塊、電源模塊、底板或機(jī)架等組成。無論哪種結(jié)構(gòu)類型的PLC，都屬于總線式的開放結(jié)構(gòu)，其I/O能力多數(shù)可根據(jù)用戶需要進(jìn)行擴(kuò)展與組合。PLC組成如圖42所示。CPU224 AC/DC繼電器基本數(shù)據(jù)如表42。表41PLC現(xiàn)場控制系統(tǒng)信號(hào)總表信號(hào)信號(hào)位置信號(hào)特性備注緊急停止信號(hào)風(fēng)機(jī)每組系統(tǒng)各一共計(jì)28個(gè)數(shù)字輸入10個(gè)數(shù)字輸出2個(gè)模擬量輸入預(yù)防喘振信號(hào)防喘振信號(hào)上限信號(hào)機(jī)械運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)下限信號(hào)閥門接觸信號(hào)閥門位置信號(hào)轉(zhuǎn)速信號(hào)差壓傳感器輸入4～20mA手動(dòng)/自動(dòng)轉(zhuǎn)換信號(hào)手動(dòng)控制柜輸入24VDC自動(dòng)提升信號(hào)機(jī)組異常信號(hào)電氣控制柜電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)信號(hào)機(jī)械運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)輸出24V電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)信號(hào)維持電磁吸合信號(hào)提升電磁吸合信號(hào)RS485通信信號(hào)監(jiān)控系統(tǒng)表42 CPU224DC繼電器輸出數(shù)據(jù)電源100～230V AC數(shù)字量輸出端口14個(gè)數(shù)字量輸入電壓額定值10個(gè)數(shù)字量輸出電壓范圍24V DC～230V AC（繼電器隔離）帶屏蔽輸入輸出電纜長度500m程序存儲(chǔ)器8k字節(jié)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器位操作執(zhí)行時(shí)間計(jì)數(shù)器256個(gè)，計(jì)數(shù)范圍256，可擴(kuò)充定時(shí)器256個(gè)，定時(shí)范圍1ms到54分鐘系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖43所示圖43控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖根據(jù)實(shí)驗(yàn)臺(tái)的相關(guān)要求，調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)具有調(diào)速準(zhǔn)確和抗干擾性能。因?yàn)殡p閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)具有以上性能，所以就選取雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)作為實(shí)驗(yàn)臺(tái)的調(diào)速系統(tǒng)。全數(shù)字直流調(diào)速裝置采用Siemens6RA70全數(shù)字直流調(diào)速器。Siemens6RA70是一個(gè)以電流環(huán)為內(nèi)環(huán)，速度環(huán)為外環(huán)的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，采用邏輯無環(huán)調(diào)速方案。 PLC選取及其開關(guān)量控制在實(shí)驗(yàn)臺(tái)PLC硬件設(shè)計(jì)的過程中，充分考慮了實(shí)驗(yàn)臺(tái)的控制方案及控制過程，以使PLC硬件設(shè)計(jì)滿足實(shí)驗(yàn)臺(tái)的控制要求，由于I/O點(diǎn)數(shù)較少，所以選擇小型的整體式PLC。實(shí)驗(yàn)臺(tái)選用的是PLC是三菱FXIN60MR系列，主機(jī)為CPU224，直流輸出。它能擴(kuò)展7個(gè)模塊，同時(shí)配備數(shù)字量輸入擴(kuò)展模塊EM221和模擬量輸入擴(kuò)展模塊EM231，組成電控部分PLC控制系統(tǒng)。PLC可以和控制系統(tǒng)的RS485進(jìn)行通信，信號(hào)列表如表42所示。PLC控制系統(tǒng)組成為：CPU224AC/DC/繼電器+數(shù)字量輸入擴(kuò)展模塊EM221+模擬量輸入擴(kuò)展塊EM231。表43 實(shí)驗(yàn)臺(tái)PLC的I/O點(diǎn)分配輸入端信號(hào) 功能指示輸出端子號(hào) 功能指示X0 后橋制動(dòng)X1 后橋制動(dòng)釋放X2 直流電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)X3 直流電動(dòng)機(jī)停止X4 直流電動(dòng)機(jī)制動(dòng)X5 變速箱潤滑X6 變速箱潤滑停止X7 實(shí)驗(yàn)啟動(dòng)X10 實(shí)驗(yàn)停止X11 離合器接合X12 離合器停止X13 離合器分離X14 后橋潤滑啟動(dòng)X15 后橋潤滑停止X16 手動(dòng)/自動(dòng)X17 急停Y0 測量板啟動(dòng)Y1 實(shí)驗(yàn)啟動(dòng)（PC）Y10 后橋制動(dòng)Y11 直流電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)Y12 直流電動(dòng)機(jī)制動(dòng)Y13 電動(dòng)機(jī)鎖定 Y14 變速箱潤滑Y15 離合器接合Y16 分離Y17 后橋潤滑Y20 電源指示燈Y21 急停指示燈Y22 防護(hù)罩指示燈Y23 蜂鳴器Y24