基于PLC的城市路面温接系统饼究.pdf

基 于PL C 的 城 市 路 面 温 接 系 统 饼 究 口赵艳军 口余淑荣 口吴明亮 口万汶灵 兰州理工大学机 电工程学院兰州7 3 0 0 5 0 摘要 介绍利用 P L C实现城市路 面在 夏天的降温控制 ， 该 系统通过 内置程序把 湿度 变送 器及 温度 变送 器测定 的路 面 不 同位 置 湿 度 及 温 度 信 号 输 入 到 P L C， 与 我 们 所 实验 的 最 佳 舍 水 量 及 温 度 值 进 行 对 比 ， 从 而控 制 水 泵 电 机 和 电磁 阀的 启 闭． 实现 温、 湿度 的 自动控制。该 系统可以在一 定程度上改变城市路 面温度过 高， 且在冬季可 以实现融雪功 能。 关键词 P L C城市路面温控 中图分类号T U 9 9 8 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 0 4 9 9 8 2 0 1 0 6 - 0 0 1 9 - 0 3 在 我 国 经 济 高 速 发 展 及 人 民 文 化 生 活 水 平 不 断 提 高 的 推 动 下 ， 我 国 的 汽 车 年 增 长 量 超 过 1 0 0 0万 辆 ， 而 汽 车 的 年 报 废 量 大 约 在 2 0 0万 辆 ， 据 此 推 测 我 国 汽 车 年 保 有 量 增 长 大 约 在 8 0 0万 辆 。城 市 保 有 量 占 9 0 ％ 左 右 的 汽 车 ，大 量 尾 气 的 排 放 及 我 国 工 业 的 迅 猛 发 展 ． 造 成 城 市 环 境 污 染 和 温 室 效 应 ， 同 时 大 气 层 的 臭 氧 空 洞 造 成 照 射 到 地 面 的 紫 外 线 大 量 增 多 。 由 于 以 上 诸 多 因 素 的 影 响 。 城 市 环 境 温 度 普 遍 升 高 。 更 为 甚 者 城 市 路 面 温 度 在 夏 天 高 达 6 6 ～ 7 5 ℃ 。在 这 样 环 境 中 行 驶 的 机 动 车 辆 对 轮 胎 造 成 很 大 的损 害 ， 同 时 也 会 引 发 出 交 通 事 故 。 基 于 以 上 原 因 ， 在 城 市 路 面 设 计 基 于 P L C 的 温 控 系 统 具 有 一 定 的 研 究 意 义 和 实 用 前 景 ， 而 且 可 以 用 于 进 行 融 雪 操 作 。 湿 度 参 数 ， 以 便 灵 活 自如 地 实 现 路 面 降 温 控 制 ， 温 度 变 送 器 和 湿 度 变 送 器 可 分 别 测 量 城 市 路 面 温 度 及 湿 度 应 在 路 面 不 同位 置 放 置 变 送 器 ， 以便 取 其 不 同 位 置 测 得 的 平 均 值 。 控 制 系 统 的 结 构 如 图 1所 示 。 系 统 是 基 于 西 门 子 P L C S 7 3 0 0、 组 态 WI NC C 系 列 软 件 而 编 写 的 ， 它 由 可 编 程 控 制 器 、 上 位 机 、 电 磁 阀 、 安 全 阀 、 P r o fi b u s通 信 电 缆 、 DC2 4 V 电 源 、 温 度 变 送 器 、 湿 度 变 送 器 、 水 泵 电机 、 各 种 元 器 件 及 若 干 喷 头 组 成 。 执 行 系 统 如 图 2所 示 。 在 此 执 行 系 统 中液 体 融 雪 剂 存 储 在 容 器 中 ， 降 温 工 作 时 通 过 电 磁 阀 直 接 引 入 城 市 管 网 用 水 。 安 全 阀 可 以 保 证 融 雪 管 网 及 其 它 设 备 的 安 全 运 行 。 1 城市路面温控 系统整体设计 2 路面温控 系统硬件组成及 工作过程 利 用 农 业 喷 灌 技 术 去 实 现 城 市 路 面 的 降 温 控 制 。 整 体 思 路 如 下 正 常 情 况 下 水 泵 电 机 在 该 系 统 中 基 本 没 有 运 行 ，这 是 因 为 城 市 用 水 都 是 高 压 管 道 供 水 ， 然 而 在 融 雪 工 作 中 可 以 使 用 水 泵 电 机 抽 取 液 体 融 雪 剂 。 电 磁 阀 与 城 市 供 水 管 网相 连 接 ， 设 计 成 既 可 以 手 动 启 动 也 可 以 自动 启 动 形 式 中 央 控 制 器 可 以 调 节 温 度 及 先 介 绍 基 础 设 施 的 布 置 情 况 一 段 路 面 为 例 ， 城 市 道 路 大 多 以 双 向 8或 6车 道 设 计 为 主 ． 路 面 宽 度 大 约 在 6 0 1T I 。笔 者 计 划 在 道 路 两 边 的 绿 化 带 中 布 置 管 网 。 国 内 的 城 市 市 政 管 网水 压 在 0 ． 2 5 - 0 ． 4 MP a之 间 ， 根 据 建 设 部 最 新 制 定 的 有 关 标 准 ，城 市 供 水 管 网 干 线 是 直 径 3 0 0 mm． 在 一 般 情 况 下 地 面 水 柱 可 高 达 2 0 ～ 4 0 机 械 制 造 5 0 卷 第 5 7 4 期 2 0 1 2 ／ 6 回 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m m 左 右 ， 该 系 统 选 用 国 家 标 准 的 内 径 标 称 为 5 0 mm 或 6 5 mm 的管 网 ， 如 果 在 管 网 加 上 雾 化 喷 头 ， 其 喷 洒 距 离 可 达 4 0 ～ 8 0 r n远 。并 且 这 些 喷 头 能 够 自动 摆 动 一 定 角 度 ． 其 横 向 喷 洒 距 离 也 在 5 0 m 左 右 ， 因 此 可 以在 绿 化 带 中 布 置 高 2 ． 5 m 的 市 政 管 网 安 装 雾 化 喷 头 后 ， 间 隔 5 0 m 安 装 一 个 ， 而 且 道 路 绿 化 带 两 边 交 叉 安 装 。 2． 1城 市 路 面 温 控 过 程 将 电磁 阀 一 端 安 装 在 城 市 供 水 系 统 管 网 上 ．另 一 端 连 接 所 选 用 的 内径 标 称 为 5 0 mm 或 6 0 mm 的 管 网 。 为 了 提 高 测 得 数 据 的 准 确 性 ．将 温 度 变 送 器 和 湿 度 变 送 器 的 触 头 布 置 在 路 面 的 不 同 位 置 ，取 其 多 个 数 据 的 平 均 值 ， 在 中 央 控 制 器 上 面 可 以 修 改 参 数 ， 并 显 示 操 作 面 板 。电 源 正 常 则 指 示 灯 HL 1亮 。如 果 由 于 某 种 因 素 未 达 到 喷 洒 要 求 ． 可 以 启 动 手 动 按 钮 S B3进 行 人 工 降 温 操 作 ， 当 按 下 S B 3时 接 触 器 KM2线 圈 得 电 ， 其 常 开 触 点 闭 合 ， 常 闭 触 点 断 开 。在 进 行 手 动 操 作 时 ， 不 会 出 现 自动 喷 洒 ， 即 使 达 到 自动 降 温 条 件 。在 自动 降 温 时 ， 设 定 温 度 值 和 湿 度 值 单 位 为 ％RH ， 当 温 度 值 和 湿 度 值 其 中之 一 未 达 到 时 ， 系 统 将 不 会 有 任 何 动 作 。 动 作 时 两 个 中 间 继 电 器 KA1和 KA2线 圈 得 电 ． 它 们 的 常 闭 触 点 KA1和 常 开 触 点 KA2同 时 控 制 电磁 阀 YV1的 启 闭 ． 控 制 管 网 的 运 行 。正 常 工 作 时 指 示 灯 HL 2亮 ， 由 于 电 磁 阀 YVl反 复 地 起 停 动 作 ， 会 出 现 各 种 故 障 ， 报 警 器 将 会 起 到 提 醒 作 用 。 按 下 S B1 。 停 止 工 作 。 2 ． 2城 市 路 面 融 雪 过 程 冬 天 路 面 有 大 量 积 雪 和 结 冰 时 ， 应 启 用 融 雪 系 统 。 在 某 地 方 设 置 一 个 体 积 适 当 的 容 器 ．上 面 安 装 3 8 0 V 水 泵 电 机 ， 电 机 功 率 及 选 型 应 根 据 管 网 布 置 情 况 而 定 。 电 源 正 常 则 指 示 灯 HL 1亮 ， 同 时 在 泵 上 面 安 装 电 磁 阀 YV2， 当 按 下 启 动 开 关 S B 2后 ， 接 触 器 KM 线 圈 得 电 ， 其 常 开 触 点 KM 闭 合 。水 泵 电 机 M 和 电 磁 阀 YV2同 时 得 电启 动 ， 通 过 建 设 好 的管 网喷 洒 液 体 融 雪 剂 。 正 常 工 作 时 指 示 灯 HL 2亮 ， 按 下 S B1 ， 停 止 工 作 。 主 电路 控 制 图 如 图 3所 示 。 3 P L C控 制程序设计 3 ． 1硬 件 连 接 及 参 数 设 置 界 面 编 辑 软 件 是 西 门 子 的 S i me n s wi n c c ， 中 央 控 制 器 与 P L C采 用 RS 4 8 5 串 行 通 信 接 口 ． 波 特 率 是 9 6 0 0 k b p s ， 网络 连 接 是 P P I 。 S e t P G ／ P C I n t e r f a c e设 置 中 波 特 率 是 9 ． 6 k b p s ， 再 有 两 个 设 定 模 拟 量 范 围 的 量 程 卡 ， 中 央 控 制 器 与 现 场 电 磁 阀连 接 的 现 场 总 线 采 用 西 门 子 公 司 的 P r o fi b u s 。 为 了 实 现 上 述 控 制 ， 系 统 共 需 要 开 关 量 输 入 点 5 个 。 开 关 输 出 量1 0个 ． 选 择 西 门 子 公 司 3 1 3 C一 2 DP的 P L C 1 6点 输 入 ／ 1 6点 输 出 ， 其 I ／ O 端 口 接 线 图 如 图 4 所 示 。 3 ． 2控 制 系 统 的 程 序 设 计 该 段 程 序 主要 分 为 两 部 分 ， 在 执 行 路 面 温 控 时 ， 自 动 切 断 融 雪 操 作 系 统 。 而 且 路 面 温 控 部 分 程 序 段 在 进 行 手 动 操 作 时 ， 按 钮 S B 2 自锁 。 接 触 器 KM2也 会 产 生 自锁 ， 形 成 双 重 保 护 控 制 原 理 图 如 图 5所 示 。 3 ． 3控 制 系 统 工 作 界 面 控 制 系 统 工 作 界 面 如 图 6所 示 ， 当 主 电 路 电 源 接 通 以 后 ， 系 统 就 会 自动 进 入 路 面 温 控 程 序 段 ， 如 果 进 行 手 动 操 作 时 ， 就 按 下 手 动 ／ 自动 温 控 按 钮 ， 手 动 和 自 动 进 行 互 换 。 融 雪 只 有 手 动 操 作 ， 而 且 按 下 停 止 操 作 时 ， 可 强 制 停 止 运 行 。 在 控 制 系 统 工 作 界 面 上 有 指 示 灯 ， 提 醒 各 元 件 的 运 行 状 态 ， 还 可 以 监 控 温 度 和 湿 度 的 实 时 数 据 。 假 如 设 定 值 不 是 太 理 想 ， 可 以 在 工 作 界 面 上 修 改 温 度 值 和 湿 度 值 参 数 ， 以 便 更 好 地 进 行 路 面 温 控 2 0 1 2 ／ 6 机械制造5 0卷 第5 7 4 期 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 最接近人体 自然运动的膝关节机构优化设计 口孙柏杨 武汉理工大学 机电工程学 院武汉4 3 0 0 7 0 摘要 以四连杆假肢膝 关节机构 为研 究对 象。 建立 了该机构的运动学模型， 并利 用三心定理导 出了连杆瞬心轨迹 。 围绕假肢膝关节运动必须接近人体 自然运动的要 求． 提 出了在满足假肢膝关节机 构仿 生学约束、 双摇杆机构尺寸 、 连杆实 际瞬心与理想瞬心轨迹相似 等约束的前提 下。 充分考虑 了瞬心 变化的敏感性 ， 使运动过程 中连杆 实际瞬 心与理 想瞬心最 大偏差最小化的假肢膝 关节机构优化设计方法。 关键词 膝关节三心定理瞬心轨迹敏 感性优化 中图分类号 T H1 1 2 ． 1 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 0 4 9 9 8 2 0 1 2 0 6 0 0 2 1 0 4 假 肢 作 为 肢 残 人 运 动 功 能 的 替 代 装 置 ， 对 补 偿 肢 残 人 缺 失 的 运 动 功 能 ， 提 高 其 生 活 自理 能 力 起 着 不 可 或 缺 的 作 用 。 当 前 ． 国 内外 许 多 研 究 机 构 对 假 肢 开 展 了 大 量 的 研 究 工 作 。 J a me s W 等 研 究 人 体 膝 关 节 水 平 转 动 轴 曲 率 中 心 ， 其 移 动 轨 迹 为 J型 曲 线 。Ra d c l i f f e则 建 立 了 四 连 杆 膝 关 节 瞬 心 轨 迹 与 稳 定 性 能 的 数 学 模 型 。研 究 了 瞬 心 轨 迹 对 稳 定 性 能 的影 响 。 帅 玉 妹 等 运 用 复 合 形 法 对 多 中 心 膝 关 节 四 连 杆 机 构 进 行 了 优 化 设 计 ， 该 方 法 简 便 易 行 ， 得 到 的 实 际 瞬 心 与 理 想 瞬 心 较 为 相 符 。吴 希 瑶 等 以 实 际 瞬 心 与 理 想 瞬 心 偏 差 最 小 为 最 优 化 目标 ． 基 于 MAT L AB优 化 工 具 箱 设 计 了 假 肢 膝 关 节 的 四 连 杆 机 构 ， 该 机 构 的 运 动 与 人 体 正 常 膝 关 节 的 运 动 较 为 接 近 。但 依 据 这 些 方 法 设 计 的 假 肢 并 不 能 完 全 保 证 假 肢 的 运 动 与 人 体 的 自然 运 动 接 近 。 无 疑 ， 假 肢 设 计 的 好 坏 。 直 接 影 响 穿 戴 者 的 舒 适 性 和使 用 的 安 全 性 。 本 文 选 取 四 连 杆 机 构 作 为 研 究 对 象 ， 建 立 该 机 构 的运 动 学 模 型 ， 并 利 用 三 心 定 理 导 出 了 连 杆 瞬 心 轨 迹 。 围 绕假 肢 膝 关 节 运 动 必 须 接 近 人 体 自然 运 动 的要 求 。 考 虑 人 在 膝 盖 弯 曲 过 程 中对 膝 关 节 转 动 瞬 心 愈 加 敏 感 。 建 立 了运 动 过 程 中 连 杆 实 际 瞬 心 与 理 想 瞬 心 最 大偏 差 最 小 化 的 优 化 目标 ， 充 分 考 虑 了假 肢 膝 关 节 机 构 仿 生 学 约 束 、双 摇 杆 机 构 尺 寸 等 约 束 条 件 。最 后 运 用 MAT L AB进 行 编 程 与 求 解 ．得 到 了最 接 近 人 体 自然 运 收稿 日期 2 0 1 1年 l 2月 动 的 膝 关 节 机 构 的参 数 与 实 际 瞬 心 运 动 轨 迹 。 1 机构选型及运动分析 1 ． 1机 构 的 选 型 理 论 上 讲 ，假 肢 膝 关 节 机 构 可 采 用 多 种 机 构 形 式 实 现 。 但 从 制 造 的 低 成 本 、 长 期 使 用 的 高 可 靠 性 角 度 考 虑 ， 连 杆 机 构 成 为 假 肢 膝 关 节 机 构 的 主 流 机 构 。 又 因 为 四 杆 机 构 的 瞬 心 轨 迹 可 以 较 好 地 符 合 J a me s W 等 提 出 的 J型 曲 线 ，本 文 以 四连 杆 假 肢 膝 关 节 机 构 为 研 究 对 象 进 行 机 构 的 设 计 。 1 ． 2机 构 的 运 动 分 析 根 据 膝 关 节 四连 杆 机 构 的 运 动 特 点 ，建 立 四杆 机 构 瞬 心 轨 迹 的 数 学 模 型 是 十 分 必 要 的 。 首 先 明确 设 计 变 量 ． 在 本 模 型 中 ， 设 计 变 量 为 机 构 的 各 杆 杆 长 Z 。 、 1 2 Z ， 、 厶 以 及 机 构 的 结 构 角 ， 如 图 l所 示 。 图 中 的 、 、 、 与 机 构 的 运 动 情 况 有 关 ，属 于 设 计 的 中 间 量 。 瞬 心 P点 的 位 置 可 以 根 据 三 心 定 理 确 定 。 1 ． 2 ． 1位 置 角 与 0 的关 系 如 图 1所 示 。 四 杆 机 构 在 坐 标 系 中 可 以 看 成 由 4 [ 2 ] [ 3 ] 参 考 文 献 汪晓光． 可编程控制器原理及应用 [ M] ． 北京 机械 工业 出 版社 ． 1 9 9 7 ． 常斗南． 可编程序控制器原理应用 实验[ M] ． 北京 机械工 业 出版 社 ． 2 o 0 lo ． 官 平 ， 谢 守勇 ， 戴 星 ， 等． 基于 P L C的灌溉 控制 系统设 计 [ J ] ． 节水灌溉 ， 2 0 o 6 6 6 8 6 9 ， 7 1 ． 机械制造5 0 卷 第5 7 4期 [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] 夏洪 。 林刚勇 ， 朱兆优 ， 等． 一种 P L C控制 的 自动灌 溉系统 [ J ] ． 机床与液压 ， 2 0 0 7 ， 3 5 7 6 4 6 5 ， 2 8 ． 张兵 ， 袁寿其 ， 成立 ， 等． 基 于 P L C的全 自动灌溉 控制系统 的设计 [ J ] ． 广西水利水电 ， 2 O o 4 3 l 5 1 7 ． 朱雪林 ， 徐 志斌 ． 节水 灌溉远程 控制 系统的研 制 [ J ] ． 水利 水 电技术 ， 2 0 0 4 ． 3 5 9 1 7 7 1 l 9 ． △ 编 辑 凌 云 2 0 1 2 ／ 6 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m