【文章內容簡介】 聲光警告顯示器打印機故障解除開關行程開關油溫信號1油溫信號2轉速傳感器直流電機直流調速器控制柜內各用電器對應的繼電器離合器電磁閥油泵電機制動盤油泵電機鼓式制動器電磁閥圖41實驗臺控制系統(tǒng)的結構原理圖如上圖41所示，工控機（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，實驗開始前，將被試汽車傳動系相關信息輸入到PC中，如變速器的檔位和主減速器傳動比、發(fā)動機的最大轉矩。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——時間歷程，變速器處在不同的檔位時，輸出端扭矩峰值就不同，對變速器后面的傳動系影響就不同，同樣，主減速器的傳動比直接影響半軸上的扭矩峰值。實驗過程時，控制系統(tǒng)發(fā)出指令，電動機通電開始工作，同時，電動上的轉速傳感器測量電動機的轉速，并將轉速信號回饋給直流調速裝置。安裝在離合器輸入端的轉速傳感器將轉速信號傳遞給計算機，在計算機內經過換算，認定電動機達到目的轉速時，計算機控制程序發(fā)出對電動機挺值得信號給控制系統(tǒng)，電動機斷電，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作時離合器突然接合，在被試汽車傳動系中產生大的沖擊扭矩。串聯(lián)在被試傳動系上的扭矩傳感器測量整個過程中的扭矩時間歷程，通過采集卡及A/D轉換處理，將信號傳遞給計算機，以曲線形式實時地輸出實驗數據。實驗過程中，實驗臺的安裝控制裝置在數據超過限定值時，及時的發(fā)出信號，使實驗停止。當實驗臺振動傳感器檢測到振動超過限定值時，就發(fā)出信號，停止下一次沖擊實驗，變速器和后橋中的油溫傳感器在監(jiān)測到油溫超過150℃時，即停止下一次的實驗，在終止實驗的同時，工控機發(fā)出信號給PLC，PLC控制實驗臺的聲光報警系統(tǒng)開關閉合，發(fā)出警報，直到故障解決為止。在緊急制動工況，控制系統(tǒng)發(fā)出指令，電動機通電開始工作，由電動機通過帶傳動，將動力傳遞到模擬發(fā)動機轉動慣量和轉速的轉動慣量部分的慣性軸，慣性軸上安裝有慣性盤。實驗開始前，已經根據與被試傳東西相匹配的發(fā)動機轉動慣量，選擇好該次實驗慣性盤的轉動慣量。當電動機達到預定的轉速時，控制系統(tǒng)使電動機斷電，2秒鐘后，控制系統(tǒng)發(fā)出指令給制動鼓處的電磁閥，電磁閥通電接通制動壓縮空氣，制動鼓作用，使驅動輪抱死，在慣性飛輪組部分、離合器主動部分及離合器后傳動系統(tǒng)自身轉動慣量的慣性力的作用下，在被試的汽車傳動系中產生一個很大的沖擊扭矩。安裝在離合器前端得扭矩傳感器測量出整個扭矩時間過程信號，特別是捕捉到峰值轉矩信號，并將扭矩時間信號經過處理到工業(yè)控制計算機上，以曲線形式實時地輸出實驗數據（轉速、扭矩等）?？删幊炭刂破鱗4]式為了適應工業(yè)控制的需要，在傳統(tǒng)控制手段的基礎上，借助于數字技術開發(fā)出來的。（1） 可編程控制器的產生早期的工業(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)的結構隨功能的不同而不同。系統(tǒng)中采用的機械電氣式期間本身的不足影響了控制系統(tǒng)的各種性能，無法適應現代工業(yè)發(fā)展的需要。20世紀60年代，晶體管等悟出點期間的應用促進了控制裝置的小型化和可靠性的提高。60年代中期，小型計算機被應用到過程控制領域，大大提高了控制系統(tǒng)的性能，但當時計算機價格昂貴，編程不方便，輸入/輸出信號與工業(yè)現場不兼容，因而沒能在工業(yè)控制中得到推廣和應用。20世紀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，不能滿足生產工業(yè)不斷更新的需要。1968年，GM公司為了改造汽車生產設備的控制方式，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條招標的技術指標：① 簡單方便，可在現場修改程序；② 硬件維護簡單，采用模塊化設計；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 可將數據直接送入管理計算機；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，能直接驅動電磁閥和接觸器等；⑨ 在進行擴展中，原有的系統(tǒng)只需要很小的改動；⑩ 用戶程序儲存器的容量至少可擴展到4KB。1969年，美國的數字設備公司（Digital Equipment Corporation,DEC）開發(fā)出世界上第一臺能滿足上述要求的樣機，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很快就推廣應用到食品、飲料、冶金、造紙等其他工業(yè)領域。隨后德國、日本等國相繼引進這一技術，迅速在工業(yè)控制中得到了廣泛的應用。我國從1974年開始研制，1977年開始應用于工業(yè)領域。（2） 可編程控制器的發(fā)展過程、雖然PLC的應用時間不長，但是隨著微處理器的出現，大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路技術的迅速發(fā)展和數據通信技術的不斷發(fā)展，PLC的發(fā)展也極為迅速。其發(fā)展過程大致分為三個階段：① 第三代PLC（20世紀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控制等任務。② 第二代PLC(2O世紀70年代中期～80年代后期)20世紀70年代，微處理器的出現使PLC發(fā)生了巨大的變化。各個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。③ 可編程控制器的發(fā)展方向（20世紀80年代后期至今）20世紀80年代后期，隨著大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路技術的迅速發(fā)展，微處理器的價格大幅度下降，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)展方向現代PLC的發(fā)展有兩個主要趨勢。其一是向體積更小、速度更快、功能更強和價格更低的微小型方面發(fā)展；其二是向大型網絡化、高可靠性、良好的兼容性和多功能方面發(fā)展，趨向于當前工業(yè)控制計算機（Industrial Personal Computer,IPC,即工控機）的性能。① 微型、小型PLC功能明顯增強，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③ 由于控制對象的復雜化和高難度化，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與現場總線集成等，并增強了通信和網絡能力，尤其是以PC為基礎的控制產品增長迅速。④ 向開放型轉變⑤ PLC存在的嚴重缺點主要是PLC的軟、硬體系結構是封閉的而不是開放的，絕大多數的PLC 采用專用總線、專用通信網絡協(xié)議。在可編程控制器的早期設計中，雖然采用了計算機的設計思想，但只有用來代替繼電器實現邏輯（開關量）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（National Electrical Manufacturers Association,NEMA）經過調查，將其正式命名為Programmable Controller,簡稱PC。由于PC容易與個人計算機（Personal Computer）的縮寫相混淆，因而人們仍沿用PLC作為可編程控制器的簡稱。國際電工委員會（International Electrorechninal Commission,IEC）頒布的PLC的定義為：可編程序控制器是一種數字運算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下的應用而設計。它采用可編程的存儲器，用來在其內部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數和算術運算等操作的指令，并通過數字的、模擬的輸入和輸出來控制各種類型的機械或生產過程?？删幊绦蚩刂破骷捌溆嘘P設備，都應按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體、易于擴充其功能的原則設計。PLC把微型計算機技術和繼電器控制技術融合在一起，兼具計算機的功能完備，靈活性強、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，主要體現在以下幾個方面：①編程簡單易學②可靠性高③功能強④安裝簡單，維修方便⑤采用模塊化結構⑥接口模塊豐富⑦系統(tǒng)設計與調試周期短經過長期的工程時間，PLC的上述特點越來越為廣大技術人員所認識和接受，已經廣泛地應用到石油、化工、機械、鋼鐵、交通、電力、輕工、采礦、水力、環(huán)保等各個領域，包括從單機自動化到工廠自動化，從機器人、柔性制造系統(tǒng)到工業(yè)控制網絡。從功能上看，PLC的應用范圍大致包括以下幾個方面：⑴邏輯（開關量）控制⑵定時控制⑶計數控制⑷步進控制⑸模擬量處理與PID控制⑹數據處理⑺通信和聯(lián)網功能PLC的產品型號很多，發(fā)展非常迅速，應用日益廣泛，不同的產品在硬件結構、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在硬件機構和指令系統(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)硬件結構上基本相同、整體式PLC一般由CPU板、I/O板、顯示面板、內存和電源等組成，一般按PLC性能又分為若干型號，并按I/O點數分為若干規(guī)格。模塊式PLC一般由CPU模塊、I/O模塊、內存模塊、電源模塊、底板或機架等組成。無論哪種結構類型的PLC，都屬于總線式的開放結構，其I/O能力多數可根據用戶需要進行擴展與組合。PLC組成如圖42所示。CPU224 AC/DC繼電器基本數據如表42。表41PLC現場控制系統(tǒng)信號總表信號信號位置信號特性備注緊急停止信號風機每組系統(tǒng)各一共計28個數字輸入10個數字輸出2個模擬量輸入預防喘振信號防喘振信號上限信號機械運動機構下限信號閥門接觸信號閥門位置信號轉速信號差壓傳感器輸入4～20mA手動/自動轉換信號手動控制柜輸入24VDC自動提升信號機組異常信號電氣控制柜電動機正轉信號機械運動機構輸出24V電動機反轉信號維持電磁吸合信號提升電磁吸合信號RS485通信信號監(jiān)控系統(tǒng)表42 CPU224DC繼電器輸出數據電源100～230V AC數字量輸出端口14個數字量輸入電壓額定值10個數字量輸出電壓范圍24V DC～230V AC（繼電器隔離）帶屏蔽輸入輸出電纜長度500m程序存儲器8k字節(jié)數據存儲器位操作執(zhí)行時間計數器256個，計數范圍256，可擴充定時器256個，定時范圍1ms到54分鐘系統(tǒng)硬件結構如圖43所示圖43控制系統(tǒng)硬件結構圖根據實驗臺的相關要求，調速系統(tǒng)應具有調速準確和抗干擾性能。因為雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)具有以上性能，所以就選取雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)作為實驗臺的調速系統(tǒng)。全數字直流調速裝置采用Siemens6RA70全數字直流調速器。Siemens6RA70是一個以電流環(huán)為內環(huán)，速度環(huán)為外環(huán)的雙閉環(huán)調速系統(tǒng)，采用邏輯無環(huán)調速方案。 PLC選取及其開關量控制在實驗臺PLC硬件設計的過程中，充分考慮了實驗臺的控制方案及控制過程，以使PLC硬件設計滿足實驗臺的控制要求，由于I/O點數較少，所以選擇小型的整體式PLC。實驗臺選用的是PLC是三菱FXIN60MR系列，主機為CPU224，直流輸出。它能擴展7個模塊，同時配備數字量輸入擴展模塊EM221和模擬量輸入擴展模塊EM231，組成電控部分PLC控制系統(tǒng)。PLC可以和控制系統(tǒng)的RS485進行通信，信號列表如表42所示。PLC控制系統(tǒng)組成為：CPU224AC/DC/繼電器+數字量輸入擴展模塊EM221+模擬量輸入擴展塊EM231。表43 實驗臺PLC的I/O點分配輸入端信號 功能指示輸出端子號 功能指示X0 后橋制動X1 后橋制動釋放X2 直流電動機啟動X3 直流電動機停止X4 直流電動機制動X5 變速箱潤滑X6 變速箱潤滑停止X7 實驗啟動X10 實驗停止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X15 后橋潤滑停止X16 手動/自動X17 急停Y0 測量板啟動Y1 實驗啟動（PC）Y10 后橋制動Y11 直流電動機啟動Y12 直流電動機制動Y13 電動機鎖定 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 防護罩指示燈Y23 蜂鳴器Y24