機場消防車訓練模擬器儀表系統的實現

王立文 陳 曦 賈立山

(中國民航大學航空特種設備研究基地，天津 300300)

0 引言

根據國際民航組織(ICAO)統計，在機場事故中，有71%的失事飛機因失火而燒毀。因此，只有以最快的速度控制火情并將之消滅，才可將損失降到最小。消防訓練模擬器作為一種模擬裝置［1－2］，通過真實地模擬火災現場，使消防人員增加實戰經驗，熟練掌握消防技術，從而更好地完成救援任務。

在消防系統中，儀表被稱為消防員的眼睛，對消防員滅火起著關鍵作用;而現有的步進電機組合儀表存在抗干擾能力差、儀表指針運動不連續、相應信號變化速度較慢的缺點，所以本文采用PLC和步進電機相結合的控制方式。為了增加可靠性和實用性，系統采用了分布式控制系統。這種控制方式將控制功能盡可能分散，而管理功能相對集中。這種分散化的控制方式能改善控制的可靠性，使整個系統不會由于計算機的故障而失去控制。

1 硬件設計

1.1 步進電機及其驅動電路

步進電機是一種將脈沖信號轉化為機械角位移的執行機構，電機繞組固定在端子上，而轉子則由硬磁或軟磁材料組成。當控制系統將一個電脈沖經功率裝置加到定子繞組上時，步進電機會沿一定的方向旋轉一步。脈沖的頻率決定電機的轉速。電機的轉動角度與輸入脈沖數成正比，因此，只要改變脈沖數就能控制轉子運行角度，從而達到位置控制的目的［3－4］。此外，步進電機還具有很多其他優點，如便于開環控制、定位精度高、無累積誤差、無電刷、高可靠性，具有鎖定轉矩和良好的啟動、停止、反轉響應等功能。由于步進電機是依靠脈沖來實現機械運動的執行單位，所以普通的高低電平無法實現對步進電機的驅動，這就需要特殊的驅動裝置，即步進電機驅動器［5］。本文所采用的驅動芯片是 M-S Quad Driver X12.017，它是一種 CMOS型器件，用作接口電路，簡化了對X15.xxx型步進電機的使用。

步進電機采用的是麥克絡微電機有限公司的車用儀表步進電機。它直接由數字信號驅動來實現參數的顯示，不需要模數轉換，并配有1∶180的減速齒輪。該步進電機還具有如下特點:①(1/12)°的步進分辨率;② 功耗＜20 mA;③ 體積:π ×15×15×9.6(mm3);④直接MCU驅動;⑤工作溫度范圍為－40～105℃;⑥高速:600°/s。

1.2 PLC

作為工業現場控制器，PLC以其高性價比在工業控制系統中獲得了廣泛的應用，由PLC構成的集散控制是現代工業控制的一個重要組成部分。本文采用松下AFPX-C30T型號PLC［6］。它除性能穩定、處理速度快、通信方便外，還具有強大的脈沖輸出功能。以往應用PLC輸出脈沖序列大部分是依靠定時器的互鎖來完成，這種方法雖然可以輸出一定頻率的脈沖序列，但是只適用于低速情況，當頻率要求較高時，將難以達到要求。C30T具有5種高速脈沖輸出模式，可以輸出1.5～100 kHz之間的任意頻率，且精度高、誤差小。

1.3 系統電路及接線方式

儀表系統硬件電路結構如圖1所示。

圖1 系統硬件電路結構圖Fig.1 Structure diagram of system hardware circuitry

PLC端子采用網絡標號的形式表示，如Y0Y1(通道1)等，由 Y0Y1控制的電機的網絡標號為 Y0.1～Y0.4，其中1～4為電機對應的4個引腳(順序不可接錯)，其他控制端以此類推。電路中，2個100 nF的電容對電路起保護作用。

通過PLC通信插卡AFPX-COM3的RS-422接口，實現了上位機與PLC的物理連接。RS-422采用高輸入阻抗和發送驅動器，所以較RS-232有更強的驅動能力和抗干擾能力;允許在相同傳輸線上連接多個接收點，最多可接10個。即1個主設備，其余為從設備，從設備之間不能通信，所以RS-422支持點對多點的雙向通信。接收器輸入阻抗為4 kΩ，則發端最大負載能力為10×4 kΩ+100 Ω(終接電阻)。由于RS-422四線接口采用單獨的發送和接收通道，因此不必控制數據方向，且傳輸距離最遠可達到1.2 km。RS-422接線方式如表 1 所示［7－8］。

表1 RS-422接線方式Tab.1 RS-422 wiring

2 軟件設計及上位機與PLC的通信

2.1 PLC 軟件設計

由于應用了步進電機驅動器，因此電路結構大大簡化，整體可操作性大大提高。但是由于步進電機自身的一些特點，我們需要在對步進電機進行控制時注意啟動頻率(步進電機在起步時，在不失步的情況下可以達到的最高頻率)和停止頻率(步進電機在信號關斷后，由于慣性不沖過目標位置的最高頻率)，所以本文采用梯形控制指令(F171)。使用這種方法可以避免電機出現失步的現象。脈沖輸出指令(F171)中各代碼意義說明如下。

① 控制代碼1003:以占空比1/4，脈沖頻率范圍1.5 ～9.8 kHz，相對 PLS+SIGN 輸出脈沖。

②K200為初始速度(200 Hz)、K360為最高速度(360 Hz)、K30為加減速時間(30 ms)、K500為移動量(500 Hz)。

③K2表示由通道2輸出脈沖。

除脈沖輸出外，還有3個定時器:定時器1為電機轉動時間，上位機也是通過它來控制電機旋轉角度;定時器2為啟動時間;定時器3為讀寫串口時間，可以根據需要設定。此外PLC還具有4個高速脈沖輸出端子，可以節省空間，便于操作。

2.2 上位機與PLC的通信

PLC有4種通信方法，本文采用的是通用串行通信。其指令發送格式如圖2所示。

圖2 發送命令格式Fig.2 Formats of send commands

①“%或＜”為始端代碼標志，以“%”開頭的幀單幀最大長度為118 B;以“＜”為擴展頭，單幀最大長度可達2 048 B。

②站號為所要發送的PLC的站號，由高低兩位組成，高位在前，低位在后。

③#為指令代碼。

④命令代碼通常包括RCS(單點讀取)、WCS(單點寫入)、WD(數據區寫入)等26個常用的指令種類。

⑤ 文本數據為要寫入的內容，如閉合為1，斷開為0。

⑥BCC為塊驗證碼，兩個字節，具體算法為從幀的第一位到BCC的前一位所有字節的16進制表示的異或運算。

⑦CR為回車，是幀結束符。

響應代碼格式和錯誤代碼格式與發送代碼格式不同的地方在于“#”的部分:響應格式中“$”代替“#”，而在錯誤格式中由“!”代替。

在 VC++6.0 環境下編寫串口通信程序［7－9］，采用Microsoft Visual Studio提供的串口類SerialPort。與MSComm控件相比，SerialPort更加靈活，穩定性更高。在串口操作方面，同步操作方式下API函數會阻塞，直到操作完成后才能返回(在多線程中，雖然不會阻塞主線程，但是會阻塞監聽線程)。因此，本文采用異步串口操作，操作在后臺進行，避免線程阻塞。串口通信程序如下。

待上述工作完成后，便可以進行上位機與PLC之間的通信。在VC中按照與松下PLC的通信協議，將要控制的數據通過串口發送給PLC，PLC在接到命令后會做出反應并返回應答，從而實現兩者之間的通信。

2.3 車輛動力學模型

汽車在不同的驅動力下產生加速度，從而引起速度的不斷變化。通過分析汽車發動機的扭矩特性和變速箱的變速特性可知，在不同的速度下，發動機的轉矩也隨之變化。影響驅動力的因素比較多，如變速箱及主減速器的減速比、離合器的工作狀態以及油門的工作狀態［9－10］。

2.3.1 變速箱和主減速器

首先假設油門開度最大且離合器始終嚙合，在此前提下分析變速箱及主減速器對車速的影響。變速箱變速特性反映了車速與發動機轉速之間的關系，發動機轉速和車速都與發動機轉矩有關，那么發動機轉矩和車速之間也存在某種關系，所以對發動機特性和變速箱變速特性進行函數曲線擬合。同時，車輛的主減速比是一定的，對應不同檔位變速箱的減速比也是一定的，所以發動機的轉速和車速之間應該是線性的關系，即不同檔位下的車速和發動機的轉速關系曲線是通過原點的直線。根據擬合結果得出速度仿真模型為:

式中:Ai為發動機特性函數擬合中的直線斜率;Ci為直線在縱軸的截距;Bj為變速箱特性曲線擬合中的直線斜率;ig為變速箱減速比;io為主減速比;ηT為傳動效率;r為車輪半徑;CD為空氣阻力系數;A為迎風面積;i為道路坡度;f為滾動阻力系數;δ為汽車旋轉質量換算系數;m 為車輛質量［11－12］。

2.3.2 油門和離合器

上述模型建立完畢后還要考慮油門和離合器對驅動力的影響。油門開度越大，發動機扭矩也越大，車輛驅動力也越大。引入修正系數λ1(與油門開度有關)，利用一個位移傳感器來測量油門踏板的量程，以行程來標志油門開度，修正系數的大小根據油門踏板的實際行程ΔL和最大行程L的比值來確定，用l表示最小開度值，則修正系數λ1=(ΔL+L)/(L+l)。

當離合器踏板未踩時，離合器能將發動機的轉矩全部傳遞給驅動輪，而完全踩到底時，發動機的轉矩沒有傳遞給驅動輪。因此，可以引入修正系數λ2(與離合器踏板行程有關)，同樣利用位移傳感器測量離合器踏板行程，以行程來表示離合器傳遞轉矩的能力。根據離合器踏板實際行程ΔLc與最大行程Lc的比值來確定修正系數，即λ2=1－ΔLc/Lc。

2.3.3 汽車制動力

汽車在行駛過程中一旦進行腳剎或手剎動作，汽車將受到與行駛方向相反的地面制動力影響，且汽車車輪相對于地面的運動形式是滾動和滑動的混合過程，很難確定摩擦系數。本文以制動力與垂直載荷之比作為制動力系數，以滑動率s來說明汽車在制動過程中車輪滑動成分的多少;采用位移傳感器測量剎車踏板的行程，以踏板實際行程與總行程的比粗略表示滑動率s;對制動力與滑動系數的關系曲線進行擬合。經過擬合分析，得出修正后的駕駛模擬器動力學仿真模型為:

式中:Ft為驅動力;Fw為空氣阻力;Fi為坡度阻力(上坡時為阻力、下坡時為動力);Ff為滾動阻力;Fb、Fh為在不同情況下的制動力［13］。

3 系統工作過程與精度測試

以車速表速度=40 km/h為例介紹系統工作過程。

當駕駛人員對油門開度和制動踏板行程進行操作時，行程傳感器采集數據，并把數據傳遞給車輛動力學模型。計算機根據模型以及其他一些傳感器傳遞的數據進行綜合分析，計算出車速，并將車速轉化成脈沖數;再根據PLC中設定的脈沖數，將其轉化成時間寫到數據寄存器DT108(與車速相對應)中。這里根據協議將脈沖數轉換成十六進制數，即為6009，寫入數據寄存器指令為WD，再加上BCC模塊添加的驗證碼，就得到了完整的指令，本文驗證碼采用＊＊，所以完整的發送指令為%01#WDD00108001086009＊＊CR。當上位機將指令發出后，PLC會立即響應并作出反應，同時控制儀表轉動達到目標值。

系統軟件工作流程圖如圖3所示。

圖3 軟件工作流程圖Fig.3 Working flowchart of the software

精度測試是在脈沖頻率=180 Hz的情況下對轉速表進行測試的。根據公式β=N/12°和T=β×12/N可知，轉速表每秒轉動15°。其中:β為儀表旋轉角度;N為脈沖數;T為儀表轉動時間。為了增加可靠性和有效性，本文采用的方法是測試電機旋轉一周(315°)的時間，按時間求出角度，從而計算誤差率，重復30次。精度測試結果如圖4所示。由圖4可以看出，電機旋轉一周的時間在21.3～21.6 s之間，經計算得到平均值為21.46 s。從而進一步得到試驗誤差率為2.2%，排除人為因素的反應時間0.3 s(啟停)，得到真實誤差率為0.53%，滿足汽車行業普遍遵循的規定，即低速誤差10%、高速誤差5%。此外，CW/CCW(脈沖輸出方向)和Fscx(脈沖輸出頻率)啟動時間分別為20 μs和320 μs(由PLC提供)，可以忽略，所以系統在精確度和實時性方面滿足要求。

圖4 精度測試結果Fig.4 Accuracy test result

4 結束語

本系統在硬件搭建上采用PLC和步進電機，在軟件上使用VC++6.0，并通過上位機和PLC，設計了可靠、穩定、友好的人機界面。上述軟硬件設計已應用到機場消防車模擬器中，并取得了良好的效果。

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