摘要：給出了一種利用微機與可編程控制器聯合作用的測控系統。該系統既充分發揮微機數據采集和處理能力強的優勢，又發揮了可編程控制器可靠性高、適用于開關控制的優勢，達到最佳的測試效果，該系統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據處理比較困難的缺陷。使用證明這一系統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注的焦點。而離合器的質量直接影響車輛的質量以及駕駛的平順性，離合器的臺架試驗是檢驗離合器質量的重要手段，而離合器試驗臺測控系統的性能直接關系到離合器的測試結果。本文介紹的是我們開發的一種新的車輛離合器試驗臺，它按照中國行業標準QC／T66-93的要求，充分利用計算機和現代測控技術的發展為離合器綜合性能參數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試驗系統采用先進合理的臺位型式——慣性驅動式； ②系統有良好的人機互換性，對多產品、多標準有很好的適應性； ③系統有較強的抗振動、抗電磁干擾能力； ④系統的測試與控制嚴格遵守試驗標準的規定，對于不合理、違反規定的操作將不予響應，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）聯合控制的方案，使得系統的測試精度、可靠性和使用方便性有很大的提高。系統軟件采用VC編寫，人機交互界面友好。具有自動測試、自動控制、數據自動處理、自動打印與繪圖等功能。試驗表明，這一系統反應靈敏、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。這一系統的使用提高了離合器實驗的水平。 2、微機和PLC聯合控制系統 常見的采用計算機控制的測控系統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據處理能力強，采用PLC器件可靠性高、適用于開關控制。考慮到本系統的要求，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時在數據處理的靈活性方面有不足。這樣決定系統的測控采用微機和PLC聯合的方案，可以提高測控系統測量的精度、靈活性和可靠性。整個測控系統的構成如圖1所示。 其中模擬量的采集和數據處理由PC機來完成，開關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發命令，讀取開關量的狀態，或者發出控制指令。所有的開關量的執行由PLC驅動。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，同時進行各種數據的采集和處理；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合測控，既充分發揮計算機數據采集和處理能力強的優勢，又發揮了可編程控制器可靠性高、適用于開關控制的優勢，達到最佳的測試效果，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聯合控制的離合器試驗臺架系統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、數據采集系統等幾部分組成。 1）慣性試驗臺架。臺架構成如圖2所示，提供系統所需驅動力和轉速。臺架的動力選用30kW交流調速電機，轉速能夠達到8000r／min，最大轉矩可達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、模擬離合器從動軸轉動慣量的慣量塊。加載系統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。 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速的變化來模擬摩托車在全工況下轉速變化的裝置。 4）PLC控制模塊。提供主機、風機等各電機的控制，通過RS232向PLC的控制口發送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、液壓站電機產生相應動作。 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量I／O通道及面板指示器、報警器的驅動電路，還有定時器可編程轉速測量電路及模擬量輸入通道。 6）數據采集系統。包括溫度、轉矩和轉速信號的調理電路，信號經采集后送人微機數據通道。 4 PLC控制模塊 本系統的一大特點是采用微機和可編程控制器（PLC）聯合使用的測控方案，PLC電路在本系統中主要起邏輯開關控制的作用，選用可編程控制器MK-120S作開關量控制，結構示意圖如圖3所示。本系統具有以下3個方面的應用。 1）控制試驗設備的通斷。它主要通過RS-232向PLC各端口發送0／1來控制包括離心風機、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）試驗設備的保護。當液壓站出現異常和過載、離心風機出現異常和過載、滑臺電機滑動超出范圍以及試驗中出現緊急情況時，試驗和試驗設備將自動關閉。 3）自診斷功能。軟件定期檢查試驗外界環境，一旦發生異常情況，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。其它端口設置如圖3所示。 除了通過PLC進行控制外，系統還通過RS-232串口通信的監控跟蹤程序，現場實時監控各硬件設備的連接狀態。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，使得本系統的結構得到簡化，性能得到優化。 5 其它硬件電路板卡 其它硬件電路板卡包括：定時／計數板，用于對轉速和轉矩的測量；數據采集板，用于數據采集、波形分析和處理；D／A板，用來構成模擬電壓／電流輸出及數字量輸入／輸出。 5.1 定時／計數板 定時／計數板是與AT總線兼容的隔離型可編程多功能定時／計數器模板。可提供8路16位計數器／定時器，8路數字量輸入／輸出，同時還為8路定時計數器提供了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位計數器／定時器，其中的一個用做板內時鐘分頻電路，其余8路供使用者使用。每路輸入／輸出通道均與現場信號或設備之間用光耦合器件隔離開，有效地阻斷了現場地域計算機系統之間的地環流通路。技術指標如下： 1）數字I／O通道數：8路（隔離）輸入／8路（隔離）輸出； 2）數字信號輸入頻率：10kHz（方波）； 3）定時／計數器通道數：8路獨立的計數器／定時器（隔離）； 4）計數器長度：16位； 5）輸入頻率范圍：0～10kHz（方波）； 6）內部時鐘范圍：40Hz～2MHz； 7）占空比：0～100％。 5.2 數據采集板 數據采集板是AT總線兼容的多功能數據采集板，集A／D、D／A、數字量I／O和定時／計數器為一體。程控增益可選擇1，2，4，8或1，10，100，1000。A／D轉換器支持軟件觸發、定時觸發和外觸發3種A／D電路啟動轉換工作方式。支持8位DMA、軟件查詢和中斷申請數據傳送工作方式。A／D轉換電路的觸發方式分為軟件觸發、定時觸發和外觸發3種觸發方式。 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路數字量輸入和16路數字量輸出通道，它可作為數字信號狀態監視及數字量輸出控制執行機構通斷。 6 軟件 本系統采用VC語言工具開發，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、數據自動處理、自動打印與繪圖等功能。試驗控制的執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。 由于工作的電磁環境不好，存在比較強的干擾，除了在硬件結構方面采取了一系列電磁兼容的防護手段以外，為了保證測量數據的可靠性，在數據處理中采用了格拉布斯準則，該準則為 若某測量值Xi對應的殘差Ei滿足式（1）時，應該將數據舍去。 在軟件中設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據中的異常數據，這樣使得試驗所測參數更準確可靠。 7 結論 本文介紹了一種利用計算機與可編程控制器聯合控制的離合器測試系統，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，從而實現實驗過程無人看守。而PLC可編程控制器工作可靠，結構緊湊，使用靈活，節約能源。本試驗系統已調試完畢并實際運行，各項參數測試結果可靠、實時、精度高。 本文所述的微機與PLC聯合控制系統雖然在應用中取得了很好的結果，但以下研究工作的進一步深入，將對提高系統性能有很大推進。 1）根據控制對象的特性，結合PLC的控制特點，對系統進行優化設計，充分利用系統的資源。從而可以進一步實現系統的以下功能：對實驗過程實現中短距離的測量、監控和報警，對數字信號和模擬信號狀態實現實時監視和報警。 2）控制策略和參數測量方面深入研究，尋找更好的控制策略和參數測量方法，而使得所測參數更穩定和更精確。