摘要：給出了一種利用微機與可編程控制器聯(lián)合作用的測控系統(tǒng)。該系統(tǒng)既充分發(fā)揮微機數(shù)據(jù)采集和處理能力強的優(yōu)勢，又發(fā)揮了可編程控制器可靠性高、適用于開關(guān)控制的優(yōu)勢，達(dá)到最佳的測試效果，該系統(tǒng)克服了單獨采用工控機作耐久性實驗時不便的缺點，也克服了單獨采用可編程控制器數(shù)據(jù)處理比較困難的缺陷。使用證明這一系統(tǒng)能很好地完成離合器的性能試驗和耐久試驗。 1、引言 隨著人們對車輛的需求越來越大，其安全性成了人們關(guān)注的焦點。而離合器的質(zhì)量直接影響車輛的質(zhì)量以及駕駛的平順性，離合器的臺架試驗是檢驗離合器質(zhì)量的重要手段，而離合器試驗臺測控系統(tǒng)的性能直接關(guān)系到離合器的測試結(jié)果。本文介紹的是我們開發(fā)的一種新的車輛離合器試驗臺，它按照中國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)QC／T66-93的要求，充分利用計算機和現(xiàn)代測控技術(shù)的發(fā)展為離合器綜合性能參數(shù)的測試提供的先進手段，借助微機化試驗臺，具有如下特點： ①試驗系統(tǒng)采用先進合理的臺位型式——慣性驅(qū)動式； ②系統(tǒng)有良好的人機互換性，對多產(chǎn)品、多標(biāo)準(zhǔn)有很好的適應(yīng)性； ③系統(tǒng)有較強的抗振動、抗電磁干擾能力； ④系統(tǒng)的測試與控制嚴(yán)格遵守試驗標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，對于不合理、違反規(guī)定的操作將不予響應(yīng)，并給出警告信號； ⑤有一定的冗余措施，以防在計算機突然燒壞情況及其它緊急情況下，可手動操作。 由于采用了微機和可編程控制器（PLC）聯(lián)合控制的方案，使得系統(tǒng)的測試精度、可靠性和使用方便性有很大的提高。系統(tǒng)軟件采用VC編寫，人機交互界面友好。具有自動測試、自動控制、數(shù)據(jù)自動處理、自動打印與繪圖等功能。試驗表明，這一系統(tǒng)反應(yīng)靈敏、測量精度高、檢測與控制效果良好，同時具有成本低、易于使用操作和可靠性高的特點。這一系統(tǒng)的使用提高了離合器實驗的水平。 2、微機和PLC聯(lián)合控制系統(tǒng) 常見的采用計算機控制的測控系統(tǒng)有采用微機和采用可編程控制器兩類，采用微機的靈活性和數(shù)據(jù)處理能力強，采用PLC器件可靠性高、適用于開關(guān)控制。考慮到本系統(tǒng)的要求，不僅要做高精度的測試、測試項目較多，還要進行耐久性試驗，單獨采用微機測控進行耐久性實驗時，可靠性方面有欠缺；而單獨采用PLC時在數(shù)據(jù)處理的靈活性方面有不足。這樣決定系統(tǒng)的測控采用微機和PLC聯(lián)合的方案，可以提高測控系統(tǒng)測量的精度、靈活性和可靠性。整個測控系統(tǒng)的構(gòu)成如圖1所示。 其中模擬量的采集和數(shù)據(jù)處理由PC機來完成，開關(guān)量的輸入和電磁閥的控制既可由可編程控制器來完成，也可由PC機通過RS232總線給PLC發(fā)命令，讀取開關(guān)量的狀態(tài)，或者發(fā)出控制指令。所有的開關(guān)量的執(zhí)行由PLC驅(qū)動。做性能試驗時，PC機起到總控制作用，它通過PLC控制電磁閥的動作，同時進行各種數(shù)據(jù)的采集和處理；而在做耐久試驗時，PC機可以脫機不用，由PLC單獨控制做一些簡單的動作。這樣采用計算機與可編程控制器聯(lián)合測控，既充分發(fā)揮計算機數(shù)據(jù)采集和處理能力強的優(yōu)勢，又發(fā)揮了可編程控制器可靠性高、適用于開關(guān)控制的優(yōu)勢，達(dá)到最佳的測試效果，能很好地完成離合器的性能試驗和耐久試驗。 3、離合器試驗臺架的組成 采用微機和PLC聯(lián)合控制的離合器試驗臺架系統(tǒng)主要由慣性試驗臺架、液壓缸、變頻器、PLC控制模塊、微機控制臺、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等幾部分組成。 1）慣性試驗臺架。臺架構(gòu)成如圖2所示，提供系統(tǒng)所需驅(qū)動力和轉(zhuǎn)速。臺架的動力選用30kW交流調(diào)速電機，轉(zhuǎn)速能夠達(dá)到8000r／min，最大轉(zhuǎn)矩可達(dá)60N•m。慣性飛輪用以貯存能量，模擬機組在起步過程中，機組總質(zhì)量換算到離合器軸上的慣性值；機油加熱裝置主要用于模擬摩托車在工況下的機油溫度的變化。另外還包括離合器安裝機構(gòu)、模擬離合器從動軸轉(zhuǎn)動慣量的慣量塊。加載系統(tǒng)采用液壓加載的方法，由加載制動器、停止制動器、被測試離合器操縱系統(tǒng)組成，加載制動器用來提供從動軸上的阻力矩，停止制動器用于從動軸的停止制動，被測試離合器的操縱裝置采用一個雙作用油缸、阻力矩施加裝置、制動器、離合器分離和接合機構(gòu)。 2）液壓缸。提供離合器分離、接合、制動及加載的動力。 3）變頻器（VVVF）。主要是用來引起主動電機轉(zhuǎn)速的變化來模擬摩托車在全工況下轉(zhuǎn)速變化的裝置。 4）PLC控制模塊。提供主機、風(fēng)機等各電機的控制，通過RS232向PLC的控制口發(fā)送0／1來控制主動電機、電渦流測功機、軸向液壓缸、低速電機、制動液壓缸、電磁離合器、機油加熱器、液壓站電機產(chǎn)生相應(yīng)動作。 5）微機控制臺。工控機作為主機，底板插槽及過渡板上有多路開關(guān)量I／O通道及面板指示器、報警器的驅(qū)動電路，還有定時器可編程轉(zhuǎn)速測量電路及模擬量輸入通道。 6）數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。包括溫度、轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速信號的調(diào)理電路，信號經(jīng)采集后送人微機數(shù)據(jù)通道。 4 PLC控制模塊 本系統(tǒng)的一大特點是采用微機和可編程控制器（PLC）聯(lián)合使用的測控方案，PLC電路在本系統(tǒng)中主要起邏輯開關(guān)控制的作用，選用可編程控制器MK-120S作開關(guān)量控制，結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。本系統(tǒng)具有以下3個方面的應(yīng)用。 1）控制試驗設(shè)備的通斷。它主要通過RS-232向PLC各端口發(fā)送0／1來控制包括離心風(fēng)機、機油泵繼電器、變頻器、液壓缸、液壓站、低速電機、機油加熱器、電磁離合器的通斷。 2）試驗設(shè)備的保護。當(dāng)液壓站出現(xiàn)異常和過載、離心風(fēng)機出現(xiàn)異常和過載、滑臺電機滑動超出范圍以及試驗中出現(xiàn)緊急情況時，試驗和試驗設(shè)備將自動關(guān)閉。 3）自診斷功能。軟件定期檢查試驗外界環(huán)境，一旦發(fā)生異常情況，CPU立即采取措施以防止故障擴大，并將故障情況存儲在存儲器中。 PLC的端口設(shè)置如下： ①COM2連接RS-232； ②P40～P47口分別與接觸器KM2，電磁閥，繼電器相連，用來控制電機、液壓缸、加熱器和離合器等。其它端口設(shè)置如圖3所示。 除了通過PLC進行控制外，系統(tǒng)還通過RS-232串口通信的監(jiān)控跟蹤程序，現(xiàn)場實時監(jiān)控各硬件設(shè)備的連接狀態(tài)。由于PLC具有可靠性高、抗干擾能力強、豐富的I／O接口模塊、編程簡單、安裝簡單、維修方便等特點，使得本系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)得到簡化，性能得到優(yōu)化。 5 其它硬件電路板卡 其它硬件電路板卡包括：定時／計數(shù)板，用于對轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的測量；數(shù)據(jù)采集板，用于數(shù)據(jù)采集、波形分析和處理；D／A板，用來構(gòu)成模擬電壓／電流輸出及數(shù)字量輸入／輸出。 5.1 定時／計數(shù)板 定時／計數(shù)板是與AT總線兼容的隔離型可編程多功能定時／計數(shù)器模板。可提供8路16位計數(shù)器／定時器，8路數(shù)字量輸入／輸出，同時還為8路定時計數(shù)器提供了8級中斷管理功能。板上的3片8253可編程定時器芯片可提供9個獨立的16位計數(shù)器／定時器，其中的一個用做板內(nèi)時鐘分頻電路，其余8路供使用者使用。每路輸入／輸出通道均與現(xiàn)場信號或設(shè)備之間用光耦合器件隔離開，有效地阻斷了現(xiàn)場地域計算機系統(tǒng)之間的地環(huán)流通路。技術(shù)指標(biāo)如下： 1）數(shù)字I／O通道數(shù)：8路（隔離）輸入／8路（隔離）輸出； 2）數(shù)字信號輸入頻率：10kHz（方波）； 3）定時／計數(shù)器通道數(shù)：8路獨立的計數(shù)器／定時器（隔離）； 4）計數(shù)器長度：16位； 5）輸入頻率范圍：0～10kHz（方波）； 6）內(nèi)部時鐘范圍：40Hz～2MHz； 7）占空比：0～100％。 5.2 數(shù)據(jù)采集板 數(shù)據(jù)采集板是AT總線兼容的多功能數(shù)據(jù)采集板，集A／D、D／A、數(shù)字量I／O和定時／計數(shù)器為一體。程控增益可選擇1，2，4，8或1，10，100，1000。A／D轉(zhuǎn)換器支持軟件觸發(fā)、定時觸發(fā)和外觸發(fā)3種A／D電路啟動轉(zhuǎn)換工作方式。支持8位DMA、軟件查詢和中斷申請數(shù)據(jù)傳送工作方式。A／D轉(zhuǎn)換電路的觸發(fā)方式分為軟件觸發(fā)、定時觸發(fā)和外觸發(fā)3種觸發(fā)方式。 5.3 D／A板 D／A板是AT總線兼容的8通道D／A板。采用了12bit分辨率的高速D／A轉(zhuǎn)換器，提供了8路D／A模擬輸出通道，各路D／A輸出通道之間相互獨立，電壓輸出精度±1LSB。通過跳線選擇，可設(shè)置模擬輸出電壓范圍為±5V，0～5V，±10V，0～10V，1～5V，輸出模擬電流范圍為0～10mA，4～20mA。還提供了16路數(shù)字量輸入和16路數(shù)字量輸出通道，它可作為數(shù)字信號狀態(tài)監(jiān)視及數(shù)字量輸出控制執(zhí)行機構(gòu)通斷。 6 軟件 本系統(tǒng)采用VC語言工具開發(fā)，具有良好的人機交互界面。該試驗臺具有自動測試、自動控制、數(shù)據(jù)自動處理、自動打印與繪圖等功能。試驗控制的執(zhí)行不僅可以通過菜單和界面來進行，而且可以通過命令行來完成。軟件總體框圖如圖4所示。 由于工作的電磁環(huán)境不好，存在比較強的干擾，除了在硬件結(jié)構(gòu)方面采取了一系列電磁兼容的防護手段以外，為了保證測量數(shù)據(jù)的可靠性，在數(shù)據(jù)處理中采用了格拉布斯準(zhǔn)則，該準(zhǔn)則為 若某測量值Xi對應(yīng)的殘差Ei滿足式（1）時，應(yīng)該將數(shù)據(jù)舍去。 在軟件中設(shè)n為固定值15，取顯著水平a＝0.05，這樣有 通過該算法可剔出一組數(shù)據(jù)中的異常數(shù)據(jù)，這樣使得試驗所測參數(shù)更準(zhǔn)確可靠。 7 結(jié)論 本文介紹了一種利用計算機與可編程控制器聯(lián)合控制的離合器測試系統(tǒng)，它適用于車輛各種形式的離合器各項性能及耐久性試驗。由于采用計算機與可編程控制器聯(lián)合控制，提高了實驗臺的測控水平，可進行故障判斷、自動停機報警，從而實現(xiàn)實驗過程無人看守。而PLC可編程控制器工作可靠，結(jié)構(gòu)緊湊，使用靈活，節(jié)約能源。本試驗系統(tǒng)已調(diào)試完畢并實際運行，各項參數(shù)測試結(jié)果可靠、實時、精度高。 本文所述的微機與PLC聯(lián)合控制系統(tǒng)雖然在應(yīng)用中取得了很好的結(jié)果，但以下研究工作的進一步深入，將對提高系統(tǒng)性能有很大推進。 1）根據(jù)控制對象的特性，結(jié)合PLC的控制特點，對系統(tǒng)進行優(yōu)化設(shè)計，充分利用系統(tǒng)的資源。從而可以進一步實現(xiàn)系統(tǒng)的以下功能：對實驗過程實現(xiàn)中短距離的測量、監(jiān)控和報警，對數(shù)字信號和模擬信號狀態(tài)實現(xiàn)實時監(jiān)視和報警。 2）控制策略和參數(shù)測量方面深入研究，尋找更好的控制策略和參數(shù)測量方法，而使得所測參數(shù)更穩(wěn)定和更精確。