步进式项目设计（共7篇）
步进式项目设计 篇1
PLC是可编程序控制器的简称, 以微处理器为基础, 综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术, 具有体积小、功能强、程序设计简单、通用灵活、维护方便等一系列的优点, 它凭借高可靠性和较强的适应恶劣工业环境的能力, 在各领域中得到了越来越广泛的应用, 成为现代工业控制的三大支柱 (PLC、机器人和CAD/CAM) 之首。
最近几年国家重视职业教育, 每年都举办全国性的技能大赛。电工电子大类中职组机电一体化比赛项目更是以PLC编程为重要考核手段, 所以对中等职业学校学生来说, 掌握PLC程序设计是至关重要的。很多中职学校现在都开设了PLC程序设计课程, 职校学生学习PLC是适应电工电子新技术发展的需要。
目前很多教材对于PLC实训的项目没有很好的规划, 相互之间没有很好的联系, 各项目相互之间存在脱节, 而且现在中职学生的基础普遍较差。那么在这种情况下要学好PLC这门课程, 如何寻找到PLC教学的突破口, 提高教学质量和效果呢?在PLC实训过程中, 笔者采用步进式项目设计, 结合模拟实际生产过程的实践化操作, 用结果来验证程序设计的正确性、可行性, 根据实际情况进行评价总结, 这样的教学收到了很好的效果, 学生对于学习PLC的热情和兴趣都有很大提高。
一、PLC实训步进式项目设计
PLC实训步进式项目设计, 就是在PLC实训中对项目的设计要求采用步进台阶式的方法, 逐步增加设计难度, 循序渐进, 以达到设计和控制要求, 最终实现教学目的。本文以FX2N-48MR类型的PLC实训课为例, 介绍如何进行步进式项目设计。
(一) 制作PLC模拟控制电路板
在实训过程中, 我们首先制作了一块模拟控制板, 如图1所示。我们根据PLC项目的设计要求, 将一些常用的按钮、开关、行程开关、接触器、继电器、指示灯、蜂鸣器等与三菱PLC统一安装在一块控制板上。通过PLC外接线图将模拟控制板上的各元器件连接起来, 组成一个PLC控制系统, 用电动机、指示灯等来模拟运行, 这样就能直观地反映和验证所设计程序是否正确、合理、最优, 从而有效激发学生学习PLC的积极性。
模拟控制板有效地拉近了实训与实际工作的距离, 创设了动手这个平台, 学生在掌握了基本的技能之后, 毕业后就能与企业进行无缝对接。
(二) 步进式项目设计
在教学过程中, 笔者根据职业学校学生的认知规律和特点, 在设置程序设计的要求时, 由浅入深, 由简到难, 不但具有针对性, 而且具有延续性, 使学生在程序设计过程中有步步深入、逐个攻破的成就感。针对PLC的实训, 笔者设计了如下步进式项目:
1. 项目1的设计要求 (I/O点一入一出) :
控制电动机点动运行。本项目是PLC编程中最简单的。所谓一入一出就是需要1个输入点X0和1个输出点Y0。设计的目的是要让学生理解继电控制与PLC控制的区别与联系, 从而让学生产生学习新技术、新知识的兴趣。
PLC程序如下所示:
程序只有简单2步, 这是学习PLC的入门。
2. 项目2的设计要求 (I/O点二入一出) :
在项目1的基础上, 要求电动机单方向运行。本项目是项目1的延伸, 将自锁控制应用到了程序设计中, 程序稍增加了难度, 符合学生的认知规律。程序的步数也只有4步。
3. 项目3的设计要求 (I/O点三入二出) :
在项目2的基础上, 要求电动机正、反两个方向运行。设计要求如图2所示。设电动机正转, 使小车向前运行;电动机反转, 使小车向后运行。本项目将正、反转控制应用到了程序设计中, 程序难度稍微有所增加, 同样也给了学生挑战和征服的欲望。
4.项目4的设计要求 (I/O点五入二出) :
在项目3的基础上, 小车向前运行到达B地之后能够自行停车, 小车向后运行到达A地之后也能够自行停车, 在A、B两地有限位保护, 设计要求如图3所示。本项目将正、反转控制与位置控制应用到了程序设计中, 输入点增加了反映A、B两点位置的行程开关。
5.项目5的设计要求 (I/O点五入二出) :
在项目4的基础上, 小车能够在A、B两地之间自动往返。设计要求如图4所示。本项目将自动往返控制应用到了程序设计中, 利用常开触点的功能形成了自动往返功能。
6. 项目6的设计要求 (I/O点五入二出) :
在项目5的基础上, 小车到达B地, 停留30秒后自动往A地运行;小车到达A地, 停留40秒后自动往B地运行;在A、B之间自动往返运行。设计要求如图4所示。本项目在程序的设计过程中, 增加了对时间的控制要求。
7. 项目7的设计要求 (I/O点五入四出) :
在项目6的基础上, 小车到达B地, 打开料斗开始装料, 停留30秒装料完成后, 同时料斗翻门关闭, 自动往A地运行;小车到达A地, 打开小车底门卸料, 停留40秒卸料完成后, 同时小车底门关闭, 自动往B地运行;在A、B之间自动往返运行, 设计要求如图4所示。本项目程序难度较前面的项目有所增加, 这正是对学生在学习了PLC程序设计一段时间之后的检验。
8.项目8的设计要求 (I/O点五入七出) :
在项目7的基础上, 小车由A地运行到B地后, 翻门1打开, 小车开始装料, 1秒后传送带1启动 (由M1驱动) , 1秒后传送带2启动 (由M2驱动) , 1秒后翻门2打开, 开始送料;小车在B地停留30秒后, 翻门1和翻门2同时关闭, 1秒后传送带2停止, 1秒后传送带1停止, 送料结束;小车自动返回A地;到达A地后, 底门打开, 小车开始卸料, 小车在A地停留40秒后, 底门关闭, 自动返回B地;如此往复运行, 设计要求如图5所示。当学生对PLC程序设计有了一定的了解和熟悉之后, 在项目的设置上要增加设计的难度, 培养学生在编程过程中的思维逻辑性和严谨的作风。
9.项目9的设计要求 (I/O点五入八出) :
在项目8的基础上, 小车由A地运行到B地后, 翻门1打开, 小车开始装料, 1秒后传送带1启动 (由M1驱动) , 1秒后传送带2启动 (由M2驱动) , 1秒后翻门2打开, 1秒后控制阀打开灌入物料, 开始送料;小车在B地停留30秒后, 翻门1关闭, 同时控制阀停止灌入物料, 1秒后翻门2关闭, 1秒后传送带2停止, 1秒后传送带1停止, 停止送料;小车自动返回A地;到达A地后, 底门打开, 小车开始卸料, 小车在A地停留40秒后, 底门关闭, 自动返回B地;如此往复运行, 设计要求如图6所示。本项目编程的难度在渐渐增加, 让学生产生更强烈的挑战和征服难题的欲望。
10.项目10的设计要求 (I/O点五入十出) :
在设计9的基础上, 小车由A地运行到B地后, 翻门1打开, 小车开始装料, 同时控制阀1打开灌入物料A, 10秒后控制阀1关闭, 同时开启灌入物料B和搅拌电动机M3, 将物料A和物料B搅拌均匀, 10秒后关闭控制阀门2和搅拌电动机M3, 同时启动传送带1 (由M1驱动) , 1秒后传送带2启动 (由M2驱动) , 1秒后翻门2打开, 小车在B地停留30秒后, 翻门1关闭;8秒后翻门2关闭, 1秒后传送带2停止, 1秒后传送带1停止;小车自动返回A地;到达A地后, 底门打开, 小车开始卸料, 小车在A地停留40秒后, 底门关闭, 自动返回B地;如此往复运行, 设计要求如图7所示。
11.项目11的设计要求 (I/O点九入十出) :
小车由A地运行到B地后, 当物料检测S2接通则翻门1打开, 小车开始装料;当漏斗1物料低于S1物料检测位置, 翻门1关闭, 传送带1启动 (由M1驱动) , 1秒后传送带2启动 (由M2驱动) ;当物料检测要S4传感器接通则翻门2打开, 开始送料, 当漏斗2物料低于S3位置, 则翻门2关闭, 控制阀1、2打开, 同时灌入物料, 5秒后搅拌电动机M3运行, 开始搅拌, 当漏斗2物料高于S4位置, 控制阀1、2停止灌入物料, 搅拌电动机M3停止, 翻门2打开;而当漏斗1物料高于S2位置时, 翻门2关闭, 1秒后传送带2停止, 1秒后传送带1停止, 小车在B地停留30秒后, 翻门1关闭, 小车自动返回A地;小车在A地停留40秒后, 底门关闭, 自动返回B地;如此往复, 设计要求如图8所示。本项目程序上100步, 并将传感器控制技术应用到了编程当中, 与实际生产生活接轨。程序设计的难度大大增加, 对学生的要求也增加了。
以上这些设计项目将时间控制、顺序控制、位置控制、自动往返控制、混合控制、传感器控制等多种控制方法融合在一起。在项目设置过程中采用步进式, 通过I/O的逐步增加, 从简到难, 一步一步来引导学生进行程序的设计。经过上述项目的PLC编程练习, 在学期后, 学生基本上能够掌握PLC的基本指令及梯形图编程方法, 能够熟练地应用编程软件编写、下载、调试程序, 并且通过实际的接线来验证所编写的程序, 这样就基本上掌握了PLC这门新技术。但是要真正掌握和熟练应用, 还需要在今后的实际生产生活中不断探索。
(三) 步进式程序设计拓展训练
在PLC程序设计实训过程中, 可以根据学生的完成情况、掌握情况、动手操作情况, 灵活地增设拓展训练和设计要求, 而不是一味地根据设置的项目进行教学, 让学生充分感受到学习的实用性、挑战性、创新性, 学有所用。可以增设的拓展训练内容有:
(1) 增加驱动电动机过载保护功能;
(2) 增加小车运行的次数统计;
(3) 增加指示功能, 如前进指示、后退指示、装料指示、卸料指示、报警指示等功能;
(4) 增加急停保护, 如遇突发事件, 按下按钮保护系统正常运行, 排除故障后, 继续运行, 使控制系统更安全、可靠;
(5) 增加断电保护功能;
(6) 拓展步进控制与SFC编程方法等等。
增设了以上内容后, PLC的I/O口也会逐步地增加。
另外, 当学生对PLC编程有了一定的基础和浓厚的兴趣之后, 教师可以在PLC实训教学中引入一些实际的生活事例, 如PLC控制红绿灯、PLC控制自动售货机、PLC控制常用的车铣磨镗床、PLC多种液体混合控制等等, 这样既丰富了课堂教学, 又让学生明白学有所用, 更好地适应电工电子新技术发展的需要。
通过PLC程序设计的拓展训练, 可以让学生在编程的过程当中, 渐渐地熟悉PLC的内部继电器 (如辅助继电器、定时器、计数器、数据寄存器等等) , 何时用通用型, 何时用断电保持型, 循序渐进地掌握PLC各种继电器的用法。对于能力强的学生, 教师可以适当地讲授相关应用指令的用法, 以丰富学生的知识体系, 使他们真正对PLC有较全面的理解和掌握。
二、步进式项目设计注意事项
1.PLC的教学过程切忌纯理论化, 更多的是要让学生动手动脑和动嘴。每次实训都要用控制板来模拟实际运行, 检验所编写程序的正确性, 用结果来验证程序的正确性, 用事实说话, 真正体现“做中学、做中教”的理实一体化教学思想。
2.PLC实训步进台阶式教学, 切忌操之过急。若在学生没有完全掌握的情况下, 为了赶教学进度, 旧项目未完成就布置新项目, 就会使学生不懂的知识越积越多, 渐渐地产生厌学的情绪。我们应该逐渐地让学生体会学习的乐趣。一学期的实训教学, 教师可以根据学生的掌握情况, 增加或删减项目的设计要求。
3.在实训教学过程中, 可以根据学生的实训情况, 以师傅带徒弟, 徒弟再带学生的模式, 发挥动手能力较强学生的能动性, 带动其他学生的积极性, 一来增进了同学之间的友谊和感情, 二来也是对学生能力的一种锻炼, 让学生来带动学生, 这样的效果更积极也更有意义。
步进式项目设计是本人在PLC实训过程中的初探。这种教学手段, 激发了学生钻研的兴趣, 增强了学生的自信心。学生对学习PLC有了很大的兴趣, 同时教学效果也得到了很大的提高。
参考文献
[1]张万忠, 孙晋编著.可编程控制器入门与应用实例 (三菱FX2N系列) [M].中国电力出版社, 2005.
[2]史国生主编.电气控制与可编程控制器技术[M].化学工业出版社, 2003.
步进式项目设计 篇2
在电气自动化和机电一体化相关专业中, PLC是核心课程之一。在编写PLC程序指令时, 状态流程图是常用编程语言, 用于解决步进顺序控制类问题, 这种设计法直观的表示了工艺流程, 可以简化编制程序, 用于解决较为复杂的编程问题。而这类设计一般贴近于实际生产, 程序步骤较多, 需要学生知识掌握全面, 在纯理论课堂的学习中根本无法独立完成较复杂程序流程的设计。笔者经过对不同学习阶段、不同层次学生的教学实践, 发现项目教学法可以更好的解决学习步进顺序控制难的问题。
1 使用项目教学法的意义
项目教学法是指学生在教师的指导下亲自处理一个项目的全过程, 在这一过程中学习掌握教学计划内的教学内容。学生全部或部分独立组织、安排学习行为, 解决在处理项目中遇到的困难, 提高了学生的兴趣, 自然能调动学习的积极性。因此“项目教学法”是一种典型的以学生为中心的教学方法。
教学实施过程中, 先由教师演示每个项目的结果, 然后讲授完成项目需要的理论知识, 项目需要到的理论知识讲透、讲深, 其他内容少讲或不讲。最后, 由学生动手操作。通过项目驱动, 学生在做的过程中, 学会思考、看书、查询资料、讨论、询问, 促使学生从“要我学习”向“我要学习”转变。与传统教学模式相比, 项目教学法的教学过程是体验真实、发现需要、提升能力、运用知识的过程。采用项目教学形式支持学生的学习活动, 可以充分利用各种现代化教学手段与教学资源, 调动学生探索和解决问题的积极性, 调动学生探索与解决问题的积极性, 提高教学效率和质量。
2 项目教学法的实施过程
2.1 选定项目定项目
直接决定项目的成败和学生的学习效果。首先要根据学生的学习能力和掌握程度来选题, 太难使学生容易有挫败感, 太易起不到提高作用。其次根据课题的实用程度选题, 选定的课题要贴近实际生产, 应用性强。最后参考学生的学习兴趣, 制定合适的课题。在教学中笔者曾经采用十字路口交通灯控制系统, 实施项目教学法。
2.2 实施过程
任务实施阶段, 学生是活动主体, 教师只辅助指导。先按照项目大小, 复杂程度将学生分成若干小组, 本项目定3~6人为一小组。第一步进行任务分析, 十字路口交通灯具有时间段控制功能, 在上午6:00到晚上11:00为交通控制阶段, 我们理解为白天。其余时间段为黄灯, 空闲阶段, 理解为夜晚。在遇到紧急情况时, 可以手动强制南北或东西方向通行。本阶段教师可以进行适当讲解, 帮助学生更清楚理解项目的内容, 在设计过程中少走弯路。第二步由教师布置任务, 学生在讨论过程中确定输入输出元件、进行I/O点分配、设计外部接线。本项目控制功能要求较多、程序较复杂, 可在设计之前设计程序框图。框图一级子项目可分为自动和手动程序, 自动程序下二级子项目可分为白天和黑天交通灯运行程序, 手动程序下二级子项目可分为东西方向强制通行和南北方向强制通行。程序框图不是必须设计项目, 作为学生在遇到困难时, 教师提供的的提示帮助。第三步让学生开始状态流程图的编写。学生编写的程序, 可能会不完整、有明显错误, 但是作为老师, 应当给予学生鼓励和帮助。本阶段的目的并不是让学生编写出完美的程序, 而是要通过学生间的协作互相启发, 巩固因理论课堂的局限性而掌握不牢固的知识。第四步为程序的完善工作。本项目的部分功能需要梯形图的辅助设计。比如:白天和晚上时间的判断, 需要利用PLC内部的特殊数据寄存器D8015与K6和K23进行比较, D8015存储为当前PLC内置时钟的时针值, 当D8015小于K6或大于等于K23时, 工作在夜晚。类似这样的问题, 是学生容易疏忽的地方, 这将直接影响到程序调试结果的正确与否。第五步为程序输入与调试。编写出来的程序需要写入设备进行最后的检验, 教师可以进行设备调试的指导与检查。在调试程序的过程中, 是学生能够发现问题、调整修改, 教师可进行巡回指导, 对调试错误进行分析。
在项目实施过程中, 教师不应该告诉学生应该先做什么、后做什么, 而是通过项目的功能介绍, 疑难部分的提示, 生僻知识点的补充等, 引导学生找到路径。学生通过上述步骤充分掌握状态流程图的设计, 在编写程序的过程中查找需要的资料, 并且归纳整理。在实施过程中, 学生可能有很多地方不懂, 比如白天和晚上时间判断, 需要学生使用特殊寄存器进行辅助设计, 这个部分学生很可能第一时间想到使用定时器和计数器, 但是在实际操作中, 效果不是很好, 此时学生会向教师寻求帮助指导。在学生产生疑问后, 是补充知识的最佳时机, 此时学生的兴趣、好奇心和求知欲最高, 教学效果最好。
2.3 总结评价
项目完成后, 需要测试检查评估目标任务完成情况。此时教师可以对任务目标增加一些功能, 作为课后作业, 由各组学生思考完成, 根据设计方案是否完整、实现功能是否最优、I/O接线是否正确、联机调试是否按时完成、技术报告是否规范五项指标进行评定。
综上所述, 每个任务教学过程分为任务的选择、实施和评价三个阶段, 根据不同的阶段教学活动内容, 师生所处的地位与作用也不同。在实施项目过程中, 要注意选择技能体现项目教学理念, 又适合学校实验实训条件的教材, 最好使用适合本校学生的校本教材。
3 项目教学法的效果分析
在传统教学活动中, 理论与实践分离, 教师在理论课堂上先将任务目标、设计思路和设计方案灌输给学生, 然后由学生将结果在实验中进行验证。这种教学模式的主体是教师, 学生则处于被动地位, 讨论交流的学习氛围无法形成, 学习热情被抹杀。项目教学法这种以学生为主体、教师为主导, 教师在教学过程中起到组织协调、咨询引导及示范作用, 把理论教学与实践教学有机的结合起来。学生在实践中“学会”和“会学”, 锻炼了学生的动手、分析和应变能力和解决问题的能力等, 培养了团队合作精神。实现了三个“中心”转变:由教师为中心转变为以学生为中心;由教材为中心转变为工程项目为中心;由学生课堂接受为中心转变为实际工作为中心。
4 结语
步进式项目设计 篇3
转向架是南车南京浦镇车辆有限公司重要产品, 原有的生产方式是构架和各种挂件组装按工序分散进行生产, 各工序完成后用天车调运至下一工序, 由于工序较多、布局分散, 天车使用率非常高, 每道工序操作时间不平衡, 经常出现一道工序完成后等待天车和其它工序的情况, 劳动效率很低。经过与工艺人员、江苏中辆科技有限公司设计人员的交流, 引入精益生产节拍化流水线的理念, 结合公司厂房和设备的情况, 设计一种柔性节拍化步进式组装流水线, 使其能够适应铁路客车多品种大批量转向架组装的生产需要, 同时优化各工序作业时间, 减少等待时间, 提高生产效率, 符合精益生产的原则。
与现场操作人员反复沟通, 从可靠性、安全性、准确性、快捷性、合理性方面考虑, 设计出节凑明确、分工合作、步进式分装组合流水线, 单台位的操作时间为40min一节拍。正常状态一班制8h可总成12台转向架。
控制方面, 采用总体联控、单个台位可独立自控的方式实现自动化运转, 独立操控时总控联锁, 可以防止误操作将设备损坏或造成人身伤害。
1 流水线布置及运行步骤
柔性转向架装配生产线工艺平面布置在一个新建的厂房内, 首端设置转向架进线位 (70部件) ;末端设置转向架出线位 (11部件) 。两位置中段设置7个装配工作台位、1个翻转台位和1个待转台位。流水线三维示意图如图1所示。
流水线运行步骤:
(1) 总控台操作每个台位升降机 (40部件) 升起, 将转向架举升至安全高度。
(2) 操作运输小车 (20部件) 运行至各台位下定位。
(3) 操作升降机下落, 直至转向架落到小车支撑座后, 升降机继续下落到最低位。
(4) 操作运输小车托住转向架向前运行, 直至运行到下一台位后定位。
(5) 操作升降机升起, 直至顶起转向架到达最高位, 此时转向架与小车脱离至安全高度。
(6) 操作运输小车向后运行, 各台位开始作业。
(7) 前3个台位作业完成后小车托住转向架进入翻转台位定位, 变位器从两侧向中间移动, 专用夹爪夹持住转向架, 升起到安全高度后翻转180° (此时小车向后运行至台位内定位) , 翻转完成后下降, 直至转向架落到下一辆小车支撑座后, 变位器松开转向架并向两侧退出, 小车向前运行至台位内定位。
(8) 各台位作业均完成后, 给总控台信号, 总控台操作小车向前运行至台位内定位, 开始下一个循环。
按照以上步骤, 采用同时作业、运转小车往复步进的方式不断将每台位装配完毕的转向架沿纵向向前推进, 直至完成在装配线所有的配置任务。
各装配台位装配作业时采用线内行吊执行取件作业, 物料件存放在存放区, 均置于行吊作业区内。各作业区域的区分明显, 流程清晰, 各区域之间的分隔方式协调一致。每台位间的装配作业时间不超过40min。料件的存放位置合理, 保证操作者的上料时间最短, 各装配台位均有单独的控制系统。采用信息化技术, 包括配送区的信息化, 可监控产品实现过程中的产品质量和物流过程, 实现物流管理信息化和生产
2 流水线配置
流水线配置8台转运小车, 其中入线端4台反位转运小车 (见图3) ;变位出线端4台正位转运小车 (见图4) 。8车刚性联排, 每台车间距6.8m。小车为无动力驱动的支撑转向架装置, 设计承载能力为10t, 每节拍行程6.8m, 往复直线运行速度12m/min。运动的速度可以调整, 接近极限位置时, 转动减慢, 在中间运行时设为快速。小车部件设计成快速更换和可调整结构, 以适应不同车型转向架结构和尺寸差异, 实现多品种柔性生产, 目前已实现十几种车型转向架均能够在该流水线上柔性化生产。
升降台位为井字形整体式钢结构, 反位升降台、正位升降台分别如图5、图6所示。4个空心支柱底部装有4台蜗牛式升降机, 每2台升降机配有1台伺服电机驱动并对称分置轨道两侧。反位四伸缩柱上端部配有铰链式顶块 (正位为平口式顶块) , 每对顶块横向间隔;纵向距离一致, 可跟踪不同型号转向架反V型架体, 升降台位支撑同小车支撑一样设计成柔性化, 适应不同车型。每台位配手持式独立控制器, 可随意调节本台位的工作状态。
变位翻转台位如图7所示, 设置一台双立柱可升降翻转变位机, 其上装有液压夹持专用工装, 可将转向架反位状态牢固夹持、提升、翻转、下降至正位台位运转小车。松开夹爪, 打开后退让出小车运行通道, 变位机完成这一整套的复杂动作是通过PID程序来完成的。
总操作台的操作界面如图8所示, 可以通过下方的按钮, 实现欢迎界面、升降机操作界面、翻转机操作界面、参数界面、监控界面、设置界面的切换。
3 结语
使用该流水线组装客车转向架能够显著提高生产效率, 降低劳动强度, 节省人力资源。目前该公司已经建成并投用两条流水线。
摘要：介绍应用于客车转向架的一种柔性节拍化步进式组装流水线的设计。
步进式项目设计 篇4
热轧加热炉是整个热轧生产中的一个重要生产工序[1],加热炉对板坯的加热质量直接影响到之后各道工序的生产质量。随着现代技术的发展,产品品种不断增多,用户对产品质量的要求日益提高,因此,加热炉过程控制系统的控制策略和数学模型一直是人们关心的重要研究课题,对其进行不断的改进已成为提高热轧产品质量和产量的重要途径之一。
但是长期以来对加热炉过程控制模型的仿真基本上是建立在静态模拟的基础上,而加热炉是一个动态系统,静态模拟不能够反映板坯在加热炉中动态的加热过程,现场技术人员往往通过在线修改模型、在线测试的方法来分析模型存在的问题,调整模型的精度。这样做存在着比较大的风险,特别是对于新模型的投入风险不能够完全控制,容易造成系统瘫痪。为了减少模型的投入风险和实现动态仿真,我们开发出一套步进式加热炉动态过程仿真系统,其目的是为工艺人员提供一个离线的动态加热炉模型开发、测试、仿真试验平台;为科研人员提供研究加热炉新模型的动态模拟研发平台;减少模型参数调整以及新模型投入风险。
1 热轧加热炉生产过程
加热炉仿真系统基于4座步进式加热炉,生产的原料为板坯,如图1所示。
整个加热炉区主要包括上料辊道、装钢机、4座步进式加热炉、抽钢机和出炉辊道。来料由上料辊道运送到加热炉装入侧[2],通过装钢机装入加热炉开始加热,之后由步进梁移动板坯到加热炉出口完成加热过程,抽钢机抽出板坯放到出炉辊道上送往轧线。
加热炉生产过程仿真系统就是要模拟加热炉的生产过程,将加热炉模型加载到仿真系统中,为模型的调试、研发提供一个动态的仿真平台。
2 仿真系统构成
2.1 开发与运行环境
整个加热炉生产过程仿真系统采用Microsoft Windows开发平台,其中前台人机交互界面采用Visual Basic开发,后台采用Visual C++开发,中间件采用Plature99,此系统可以运行在Windows 2000 Server,Windows NT与Windows XP平台上,在开发过程中采用了面向对象的开发技术,代码复用率高,核心部分代码可以直接移植到工业应用环境中。
2.2 结构与功能
仿真系统结构如图2所示。
整个仿真系统由应用系统、模型系统、画面系统、数据库系统、中间件系统五个部分组成。各个部分都封装成独立的模块,每个模块相互之间通过标准的中间件接口函数访问,采用这种方式可以最大程度地隔离各功能模块,使各模块功能单一,接口清晰,相互之间不会影响,最大限度地提高了系统的鲁棒性。
2.2.1 应用系统
应用系统中包括系统总控模块、装入模块、步进梁移动模块和抽出模块共四个模块,其中系统总控模块是应用系统的主体,负责监控整个系统的状态,管理、调度加热炉动态装钢、步进梁移动和抽钢三个进程的执行;装入模块主要实现装入位置的确定,启动装入模型计算等功能;步进梁移动模块负责对板坯位置的跟踪和计算;抽出模块主要启动抽出模型计算板坯的出炉温度,以及出炉后的数据清理。
如果想要模拟加热炉的生产过程,必须要了解实际生产中步进梁动作与装钢、抽钢动作之间存在的连锁关系,如表1所示,这种关系在某种程度上影响了加热炉的生产节奏,仿真系统必须要模拟这种实际生产的节奏才能够达到比较理想的动态模拟效果。
×不可动作;√可以动作
在仿真系统中连锁关系表现为状态的变化,每个动作是否可以执行首先要判定其它两个动作的状态,在满足连锁关系的前提下才可以执行,否则必须等待。连锁关系只是判定是否可以动作的一个基本前提,在满足这个基本前提的情况下还要根据实际的仿真情况判定是否可以动作,以装入为例,除了要满足连锁关系中步进梁不能移动之外,还要判断画面中装钢标志是否可装、加热炉炉尾段是否有足够的位置可以装入等限制条件。除了要满足动作条件之外,在动作判定的先后顺序上也要满足一定的原则,在这三个动作中装钢、抽钢的优先级比较高应该首先判定,步进梁移动的优先级较低,只有在不能装入和抽出的时候才判定步进梁是否可以移动。仿真系统只有在合理地调度、监控这三者之间关系的基础上才能够比较真实地模拟加热炉的生产过程。
系统总控功能是工作频率最为频繁的服务程序,设定每1 s启动一次,并且在仿真程序启动后自动运行,开始对系统状态进行监控。之所以如此频繁地启动系统总控程序是因为系统的状态随时都有可能发生变化,要在尽量早的时间内启动相应处理过程,更加逼真地模拟加热炉生产情况。
2.2.2 模型系统
模型系统包括装入模型处理进程,周期处理进程和抽钢模型处理进程。
周期处理进程是模型系统的核心同时也是一个模型集合,如图3所示,包括板坯温度计算模型,剩余在炉时间计算模型,必要炉温计算模型和炉温设定模型等,每种模型都可以采用不同的计算方法或者控制策略。其中板坯温度计算,不仅可以采用指数模型,还可以采用一维差分模型,甚至是二维差分模型[3]。对于炉气温度预报可以采用按段末目标温度预报,也可以按出炉目标温度预报。这些控制策略和模型算法都可以做成不同的模块,通过参数配置决定执行哪种方法。
在加热炉仿真系统中,由于板坯在动态地装入、移动和抽出,所以模型的测试不再是对单个模型的静态测试,而是对整个模型控制系统的动态测试,不仅可以测试单个模型的计算效果,同时还可以测试模型间的相互影响。
为了模拟实际生产中的炉气温度、抽出目标温度修正等情况,仿真系统中也提供了类似的方法,如图4所示,通过修改这些参数以及抽出节奏的方式,测试模型的计算效果。
2.2.3 画面系统
画面系统提供了人机交互界面,用来监控系统状态、设定系统参数、控制仿真的运行方式。图5是系统的配置画面,用户可以在此画面中设定仿真的运行速率,装入、抽出和步进梁动作周期等参数,同时还可以动态监控每个加热炉当前的状态。
在人机界面设计中,采用了C/S模式,人机界面可以作为一个单独客户程序装在任何一台和仿真主机在网络上连通的PC机上,通过TCP/IP与主机的仿真管理单元的界面数据接收单元交换数据,这样可以做到多个用户(包括远程用户)同时使用仿真系统。
2.2.4 数据库系统
数据库系统采用实时数据文件系统,其原理是使用了内存文件存取的数据技术。实时数据文件与关系型数据库相比具有以下优点:
首先实时数据文件非常小巧,适合内嵌到过程机系统,不像关系型数据库比较庞大,需要独立的数据库管理系统;其次,实时数据文件存取速度很快,其采用的是内存文件形式,直接在内存中存取[4],这是关系型数据库所不能比拟的,对于实时性要求比较高的系统来说是一个比较好的选择,而且实时数据文件操作方便,只要学会使用中间件提供的API函数和一些简单的原理就可以自如地操作数据。
其缺点是记录数固定,不支持SQL语言,数据维护完全由人工控制。
2.2.5 中间件系统
中间件系统为整个系统提供了进程管理、数据文件管理、消息管理、画面管理等系统功能,屏蔽了应用程序与操作系统之间的细节问题,使开发者可以将精力放在软件需求功能上,而不必过多地考虑如何与操作系统打交道,开发者将主要精力放在实现系统所要求的功能上,可以大大提高软件开发的效率。
3 仿真效果
仿真系统针对表2中同钢种不同目标温度的板坯进行了动态仿真,板坯从装入开始,按照仿真设定的生产节奏(120 s抽出一块板坯),从入炉侧向出炉侧移动,整个过程经历炉尾段、预热段、加热段和均热段,最终从抽出侧抽出。板坯温度跟踪采用厚度方向上的一维中心差分模型,根据模拟的炉气温度计算出辐射传导流入板坯的热量,从而计算出板坯各层的温度,然后根据板坯当前温度和生产节奏预测的剩余在炉时间,计算出板坯达到目标温度所需的各段必要炉温。由于仿真过程中加热炉每个加热段都有好几块板坯,每块板坯的温度是不同的,因此预测的必要炉温也不相同,而模型下发到L1的设定值只能是一个,对此炉温设定模型采用加权平均的方法计算设定温度。
图6给出表2中两种不同目标温度的仿真结果,不难看出为了保证1 250 ℃的出炉温度,图6(b)中各段炉气温度都有所提高,从而保证目标温度控制在15 ℃之内。仿真结果表明加热炉模型是切实可行的,模型人员可以通过仿真系统确定初始模型系数,定性地分析模型的可用性、可靠性、计算速率以及模型间的相互影响,同时也可以作为新模型上线前的测试平台,发现模型存在的问题,减少上线后的风险。
1—上表面炉气温度;2—下表面炉气温度;3—非水印点平均温度;4—水印点平均温度
但是仿真系统也有不足之处,主要反映在系统对炉气温度这个环节进行了简化,每次仿真计算的炉气温度是根据前一个计算周期的设定炉气温度加上一个扰动值作为本周期计算时的炉气温度,这与实际生产中加热炉大滞后,大惯性的情况是有所区别的,这也是以后有待改进的地方。
参考文献
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步进式项目设计 篇5
水泥熟料篦式冷却机是水泥厂熟料烧成系统中的重要主机设备, 随着新型干法水泥生产技术尤其是预分解煅烧技术的迅速发展, 以及水泥熟料篦冷机技术的不断提高, 水泥熟料篦冷机的使用越来越广泛。它不仅可以满足各种规模回转窑产量的要求, 还便于向窑提供二、三次热空气及提供烘干热源, 回收热能、降低热耗。但由于篦冷机是在高温环境下工作, 且设备结构复杂, 操作难度较大, 因而故障率也较高, 成为直接影响窑运转率的关键因素。为此, 世界各国针对篦冷机的设计改进与发展从未停滞, 如丹麦F.L.SMIDTH公司的ACROSS BAR冷却机、德国KHD公司的PYROFLOOR冷却机、CLAUDIUS PETERS公司的ETA冷却机等, 都是在第三代篦冷机技术之后进行的发展与创新。
合肥水泥研究设计院从20世纪80年代初开始进行篦冷机的研究与开发, 90年代末完成第三代控制流篦冷机的研制并通过技术鉴定。在此基础上, 又汲取国内外的先进技术, 于2005年开始进行高效节能冷却机的研制与开发, 历经3年多的时间, WHEC-5500型步进式高效冷却机的研制获得成功, 经验收达到国际先进水平。
1 主要技术参数及结构配置
基于多年来的研制和实践经验, 在充分吸收国内外新一代冷却机先进技术的基础上, 对热交换原理、关键技术等进行了大量的综合调查和对比分析, 并对关键部件计算模拟, 经过半工业性试验、大规模工业试验等过程, 最终完成WHEC-5500型步进式高效冷却机的研制与应用, 经在陕西众喜金陵河水泥有限公司的成功运行, 获得了良好的使用效果。WHEC-5500型步进式高效冷却机的主要技术参数见表1。
2 设备结构配置及特点
WHEC-5500型步进式高效冷却机配置有6个平行布置的输送道组成的篦床和前端进料KID系统, 由12个风室组成, 共配置风机13台。其中, 前端进料KID系统的斜度为14°, 采用斜平面小块细缝篦板布置, 设1个中心区独立脉冲供风, 环形区流量阀调节进风量的供风方式。篦床由6道平行的、可通风的移动底板构成, 称为“输送道”, 每个风室单独供风, 通过输送道下的流量阀调节进风量。熟料在篦床中, 输送道按如下顺序进行工作:①准备;②1～6道同时按熟料输送方向向前运动;③1道、4道返回;④2道、5道返回;⑤3道、6道返回, 完成1个冲程循环 (见图1) 。然后重复②～⑤, 6个道一起按熟料输送方向向前运动, 进行下一个冲程循环。
熟料在运动中不断冷却、平稳前行, 冷却后的熟料细料经出料装置的篦条漏下, 大块熟料经破碎机破碎后进入链斗输送机。
WHEC-5500型步进式高效冷却机的前端进料KID系统, 采用斜平面小块细缝篦板布置, 设1个中心区独立脉冲供风, 环形区流量阀调节进风量的供风方式。熟料在斜平面上形成斜坡, 在重力的作用下完成横向的扩散和纵向的输送。KID系统的长度与篦床的宽度和冷却机的生产能力有关, 长度过大, 易引起进料口“堆雪人”和结大块。斜度过大, 不能形成料垫, 易使固定篦床受到从窑内卸下的温度约1 400 ℃高热的大块料冲击而损坏;斜度过小, 熟料的输送能力不够, 易引起“堆雪人”和“雪崩”滑动。经综合考虑, 其前端进料KID系统斜度设计为14°。使用表明, KID系统具有以下优点:①易于安装, 可用于各种形式的篦冷机技术改造;②“马蹄形”冷却面有利于防止冷风泄漏, 供风较均匀;③采用中心区脉冲供风, 提高了熟料冷却质量和易碎性;④环形区采用流量阀调节进风量的供风方式, 减少了冷风量, 增强了供风均匀性, 提高了二次风温;⑤采用细缝篦板和斜平面布置, 促进了熟料布料及均匀运动。
WHEC-5500型步进式高效冷却机是通过各道的水平运动来输送熟料, 输送产生的摩擦极少, 输送平稳, 不会出现传统的往复式篦冷机产生的垂直方向混合、往复或翻滚运动。所以, 其热交换好, 冷却效率高。
熟料在每个输送道上的停留时间可以单独进行调整。由于篦床侧部总是有发亮的高温熟料流, 对于传统的冷却机来讲, 这个区域是很难冷却下来的。而WHEC-5500型步进式高效冷却机则能够对这些侧部区域进行高效充气冷却, 并调整降温速度。同样, 每个输送道的冲程长度, 也可视篦床宽度上的输送工况作单独调整, 这对优化篦床的热平衡、提高冷却效率更为有利。
采用单独风室供风, 每个输送道都设置有若干充气单元, 在每个充气单元配备1个空气流量自动调节阀, 自动调节各充气单元所需的冷却风量, 减少冷空气的需要量, 并通过优化篦床设计, 减少熟料冷却时的热量损失, 提高了热回收效率。
每个充气单元上配置有熟料填充盒, 通过填充盒填充的熟料几乎可以完全保护充气单元避免磨损。
熟料破碎机采用360°旋转式锤头, 可减少因大料堵塞而造成的停窑事故, 出料粒度可通过调节衬板来控制。破碎机前出料口采用特殊的截面形状和篦条材质, 耐磨性能好, 使用寿命长。篦条安装定位采用单根可抽换式结构, 使得更换更为方便。
各个输送道的运动次序和不同冲程长度组合而成的工作模式完全自动控制, 当选择工作模式后, 由IMCC (INT Motion Control Center) 智能控制中心进行控制。系统自控、检测、报警功能完备, 如三元控制系统、篦板温度检测控制、报警等系统, 以确保设备正常工作。
3 结语
新型干法水泥生产技术的现代化, 大大促进了窑系统设备向大型化、高效率、低能耗方向发展。WHEC-5500型步进式高效冷却机的研制和成功应用, 为熟料的高效、低耗、大型化冷却提供了一种有效方式和新的选择。长期的实际运行表明, 其效果与ACROSS BAR、PYROFLOOR冷却机、ETA等国际先进的冷却机相一致, 且结构更简捷, 设计更合理, 性价比更高, 值得推广应用。
摘要：结合工程设计实践, 论述了WHEC-5500型步进式高效冷却机的开发设计, 介绍了其主要技术参数及结构配置特点。
步进式项目设计 篇6
1 循环、递进、项目教学法的界定
在影视节目制作课程以及电视节目策划课程教学中,何谓循环、何谓递进、何谓项目教学法呢?项目教学法是在实施一体化教学的过程中,借鉴和探索出的课堂教学方法,主张在教学中把实际生产中的一些相应技术项目引入到课堂教学中,通过对项目的讲解、分析、制作完成相关理论知识和技能训练的内容。项目教学法的思路是先用后懂,边用边学,旨在引导学生先感兴趣后主动学习,先发现问题后解决问题。按照教学大纲,除学习教材之外,还引导和训练学生主动查找和运用其他资料。通过学习一门课程,引导学生综合运用其他课程的知识和技能,最终教会学生自己查阅资料、自己分析问题、解决问题。不仅注重操作技能训练,更重要的是切实提高学生的心智技能。
项目教学法的一般目标,不是把教师掌握的现成知识和技能传递给学生作为追求的目标;或者说,不是简单让学生按照教师的安排和讲授去得到一个结果,而是在教师的指导下学生自主去寻找得到结果的途径,并最终得到这个结果,进而进行展示和自我评价。学习的重点在于学习过程而非学习结果,学生在这个过程中锻炼各种能力。例如:岗位能力、实践能力、自主学习的能力、综合应用能力以及团结协作能力等。
目前,项目教学法是师生通过共同实施一个完整的项目工作而进行的教学活动,突出的特征是“以项目为主线、教师为主导、学生为主体”,改变了以往“教师讲,学生听”的被动教学模式,创造了学生主动参与、自主协作、探索创新的新型教学模式。项目教学法的一般实施环节主要有:项目课题、确定目标和计划、准备工作、项目执行、项目汇总以及项目评估。
笔者认为,“循环”是指专业课程学习将围绕电视作品制作项目展开,每一个电视作品的制作,都要经历电视制作流程中策划、拍摄、编辑3个阶段。也就是说,在3年的学习实践中,学生将通过一次次电视作品制作项目训练,不断重复制作流程3个阶段的学习实践,谓之为“流程循环”。“递进”是指在每一个学期的课程学习、实践和作品制作中,逐步学习节目制作流程的3个阶段所需要的知识、能力和技巧,安排学生制作的作品按照学生职业能力的形成规律,由易到难,谓之“难易递进”。每一阶段既有相应的学习重点,又是对前阶段学习的复习与提高。在“流程循环”的实践中,电视作品制作能力不断提升,谓之“能力提升”。“流程循环、难易递进、能力提升”使学生的电视作品的制作能力在反复演练中不断提升。
2 循环、递进、项目教学法在影视节目制作课程中的应用
从影视节目制作专业人才培养总的特点来看,以“基地+制片人+项目”为基础的“三位一体”的人才培养模式,即在教学与生产实训中,依托实验实训基地,以完成电视作品(项目)为培养岗位能力的主要方式。并在作品制作中,实施与电视台栏目制作相一致的制片人负责制。教师作为项目负责人(制片人),学生以团队的形式共同完成一个项目(作品)。为了实现“三位一体”人才培养模式的良好效果,还实施了专业课程“分段教学”为主的教学组织形式改革,即在2个学期内几门专业课程分段逐个递进开设,各门课程在各自的教学时间段完成所有的课堂教学和实践以及考试等内容。制定专业课程“分段教学”实施计划,每学期根据课程内容选择不同的分段方式组织教学。比如,第二学期的《电视摄像》《电视节目策划》两门专业课程采取交替分段的方式进行,即将整个学期分为4个时段,每个时段集中学习一门,每门分两个时段学习,交替进行;第五学期将分为3个时段,每个时段学生完成一门项目课程,在老师带领下制作一部电视作品。在作品完成过程中,严格按照电视台的管理模式来管理学生,加强对学生职业道德和职业精神的培养,以培养“能把关、富创意、擅操作、长沟通”的高技能人才。为此,建立了以电视作品制作项目为载体的“循环递进式”的“岗位专业能力”培养体系,即专业课程学习将围绕电视作品制作项目展开,在3年的学习实践中,学生将通过一次次的电视作品制作项目训练,不断重复电视制作流程中策划、拍摄、编辑制作三个阶段的学习实践;在课程安排上,逐步学习节目制作流程的3个阶段所需要的知识、能力和技巧,安排学生制作的作品按照学生职业能力的形成规律,由易到难;每一阶段既有相应的学习重点,又是对前阶段学习的复习与提高。只有这样,学生的电视作品的制作能力才能在这种循环递进的反复演练中不断提升。
3 循环、递进、项目教学法在影视课程中的应用
在具体涉及到每门课程的教学改革中,《电视节目策划》课程根据这个特点,大胆地尝试了教学改革。针对传媒类专业和电视节目制作专业的专业特点,实行循环递进项目式教学方法。而我们采用的循环递进项目式教学主要是“从做中学”。在具体电视节目策划课程教学中,把节目策划典型工作任务汇总为4大项目—电视作品策划、电视节目定位、电视节目策划文案写作、电视节目策划制作实施方案;把节目策划职业能力汇总为电视节目策划创意能力。因此,这门课程的课程定位,即本课程是电视节目制作专业的专业核心课程,是具有工作过程特征的理实一体化课程。该课程在电视节目制作专业以及高端技能型人才培养中,承担了学生电视节目策划岗位能力培养的作用,并对其他电视节目制作岗位的电视宏观思维能力和电视感觉能力培养起到提升作用。学生通过本课程的学习,能达到电视节目策划职业资格相应的知识与技能水平。
在教学中,教师设置虚拟情景或任务项目,并指导学生实际操作训练,使学生在发现同题、解决问题的过程中获得经验。实行循环递进式的训练,能使学生的能力不断提升。通过对该课程的这种教学模式的学习,使学生掌握了电视栏目策划的基本理论和技能,较为熟练地进行不同类型电视栏(节)目创意和策划方案的撰写。在项目完成过程中,培养学生作为策划人的知识、能力与素质。该课程安排在第二学期并且一直延续至后面的几个学期。在学生刚开始接触电视策划时,只懂一些基本的理论和基本的策划方法,也只能完成一些简单的、基本的节目、栏目策划。比如,对校园风光宣传片以及简单的新闻专题的策划,且策划方案缺乏完整性、系统性和创新性。在后续几个学期中,学生学了摄像课、视听语言课和电视画面编辑课、影视作品分析等课程后,再让学生回到电视策划课程上来。这样,学生对电视节目策划整体上进行了宏观的认识和把握,能进行较高难度节目的策划。
在教学中,还使电视策划课程的各个项目,延伸到本学期的综合实训、分阶段上课、DV大赛、岗位实践及第六学期的毕业创作和毕业实习中去,使学生可以参与并完成电视栏目策划工作的完整过程。既可灵活地延伸项目教学的时间,也可拓展课程的空间,以真实的行业环境实训实现课堂与岗位的有机对接。甚至将这门课贯穿大学3年的各个学期,使学生的电视策划能力在大学期间不断循环学习、实践、训练,最终实现递进式的进步。这样使学生从最初开始,就能够初步完成一期节目或者栏目策划,到能够较好的在规定的时间内完成一期完整节目或者栏目策划训练,到最后能够在规定的时间内顺利完成一期完整节目或者栏目策划训练,并且对较难的电视节目和栏目也能进行策划并能制作成视频,策划方案不仅完整、系统也具有一定的创新性。
在教学内容的设计上,突破了传统的学科界限,是以项目为核心、按照循环递进工作过程逻辑建构教学内容。如教学内容为电视谈话节目的策划,让学生上报选题、分组进行谈话节目的模拟,从中选取两组优秀的话题进行节目的录制,把文字的策划变成实际的电视作品,从中体会前期策划在电视节目制作中的重要性和必要性。比如,最近全国真人秀电视节目比较火,就要求学生策划制作一期真人秀节目。作业总要求是:“大家都知道,现在电视屏幕上最多的是选秀类的真人秀节目,尤其是湖南台的《爸爸去哪里》最为观众关注。你们认为在当今电视节目里,关于什么方面的真人秀节目有新意和有前景性,请你们策划一期真人秀节目。题材可以是各方面的,要写出其基本策划文本和方案,并进行视频录播制作。每个班分成4组,每组10个人左右。时长:20分钟以上。字数1200字以上,且要注意真人秀节目策划文案写作所包含的基本元素及“真人秀”的7个关键元素——自愿参与者、竞争行为、真实记录、规定情境、给定的目的、特定的规则、艺术加工(强调节目“秀”的成分)。”
“循环递进式项目式教学”的教学过程的五个步骤:任务、计划,实施、检查、评价全部在教学中得到完美体现。在节目策划过程中循环,在循环中使学生的电视策划能力逐步提升。通过这5个步骤,在第一学期开始学这门课程时,学生还只能掌握、领会一些简单的节目策划技巧和技能,只能写出一些简单的节目策划方案。但在第三学期学完这门课程之后,学生的电视节目策划能力得到了明显的提升,能策划撰写出一定水平的电视节目策划方案,并能根据方案制作出完整的视频作品。尤其到了学生毕业时,电视策划能力得到了较大的提升,基本上每个学生都能高质量的完成毕业作品的策划和制作。
摘要：“岗位专业能力”是以电视节目作品制作项目为载体的“循环递进项目教学法”的培养体系。在3年的学习实践中,学生将通过一次次的电视作品制作项目训练,不断重复电视制作流程中策划、拍摄、编辑制作三个阶段的学习实践;在课程安排上,逐步学习节目制作流程的3个阶段所需要的知识、能力和技巧。安排学生制作的作品按照学生职业能力的形成规律,由易到难。每一阶段既有相应的学习重点,又是对前阶段学习的复习与提高。学生的电视作品的策划制作能力,就在这种循环递进的反复演练中不断提升的。
关键词：循环递进式,项目教学法,影视制作,电视节目策划,效果对比
步进电机细分驱动软件设计 篇7
步进电机是一种将电脉冲信号转换为角位移的执行机构,其在数控领域得到了广泛的应用。但是,步进电机在低速运行时振动、噪声大,在其自然振荡频率附近运行时易产生共振,且输出转矩随着步进电机的转速升高而下降,这些缺点限制了步进电机的应用范围。步进电机的性能在很大程度上取决于所用的驱动器,改善驱动器的性能,就可以显著地提高步进电机的性能,因此研制高性能的步进电机驱动器是一项受到普遍关注的课题。本文在选择了合理的电流波形的基础上,提出了基于AT89C51单片机[1]的斩波恒流细分驱动方案。
1 步进电机概述
1.1 步进电机工作原理
以三相反应式步进电机为例,其典型结构见图1。当A相控制绕组接通脉冲电流时,在磁拉力作用下使A相的定、转子对齐,相邻的B相和C相的定、转子小齿错开。若换成B相通电,则磁拉力使B相定、转子小齿转过而对齐,而与B相相邻的C相和A相的定、转子小齿又错开,即步进电机转过一个步距角。若按A→B→C→A循环顺序通电,则步进电机按一定方向转动;若改变通电顺序为A→C→B→A,则电机反向转动,这种控制方式称为三相单三拍。按AB→BC→CA→AB或A→AB→B→BC→C→CA→A顺序通电则称为三相双拍或三相单、双六拍。无论采用哪种控制方式,在一个通电循环内,步进电机转角恒定为一步距角,可以通过改变步进电机通电循环次序来改变转动方向,通过改变通电频率来改变其角频率。
1.2 细分驱动原理
步进电机的细分控制是由驱动器精确控制其相电流来实现的。以四相电机为例,假如电机的相电流为2 A,使用常规驱动方式(如常用的恒六载波方式)驱动电机的话,电机每运行一步,其绕组内的电流将从0突然变为2 A或由2 A突然变为0,相电流的巨大变化必然会引起电机运行的振荡和噪声。如果使用细分驱动器,在10细分相状态下进行驱动,电机每走一微步,其绕组内的电流变化只有0.2 A而不是2 A,这样就大大减少了电机的振荡和噪声,而提高步进电机的性能才是细分的真正优点。步进电机细分器是将驱动电流设计成可变的恒流源,通过控制绕组中的电流数值可以调整步进电机步距的大小,从而把原步距角细分成若干步来完成。即原来对应于一个电压脉冲,转子转动一步为1.8o,经10细分后则每走一步为0.18o。
一般情况下,电机的定子若为m相绕组,如每次仅一相通电,那么一个循环电机转子转过一个齿距角αr,因此,步进电机的步距角αf为:
αf=αr/m=360/mZ 。 (1)
其中:m为定子的绕组数;Z为转子齿牙数。对同一台步进电机通过改变通电方式可以减小步距角αf,实现步进电机步距角的细分,这有利于实现控制系统的精确控制。但这种方法作用有限,不能满足更高的精度要求。根据式(1)进一步减小步距αf的途径是增加定子相数和转子的齿数,相应的电机成本和难度都会增加。为了达到较大的细分,就要在控制电路上采取措施。典型的方法是控制步进电机各相绕组的电流,使其按阶梯上升、下降。这样,电机绕组中的电流不是由0跃升到额定值,而是经过若干小步的变化达到额定值,所以绕组中的电流变化比较均匀。图2为四相电机8细分时的各相电流状态图。
通过图2(a)、图2(b)四相电机各相电流细分前后对比图可知,8细分时各相电流1/4的步距是上升下降的。原来一步转过的αf将由8步完成,即实现了步距角的8细分。
2 细分驱动软件设计
步进电机细分驱动系统[2]的软件主要由主控程序、细分驱动程序、键处理程序、显示数据处理及显示驱动程序、通信监控程序等部分组成。其结构框图见图3。
细分驱动主控制程序控制整个程序的流程,主要完成程序的初始化、中断方式的设置、计数器工作方式的设置及相关子程序的调用等。初始化包括8279各寄存器、8279的显示RAM、AT89C51的中断系统及内部RAM等[3]。在AT89C51的各中断中,使用了INT1、T0和T1这3个中断,其中,INT1为高优先级,在运行状态下,当有停止键按下时,则INT1中断服务程序将T0关闭,从而使步进电机停止,T0控制每一步的步进周期,该服务程序基本上只作重置定时器和置标志位的操作,而其他操作均在主程序中完成。细分驱动整体流程图见图4。
细分驱动程序中,细分电流控制信号的输出采用单片机片内EEPROM软件查表法,用地址选择来实现不同通电方式下的可变步距细分,从而实时控制步进电机的转角位置,其流程图见图5。相关函数如下:
Void InitMemory()/*用来初始化存储单元*/
Void SetInt()/*设置中断方式*/
Void SetTimeCount()/*设置计数器*/
Void ReadDocument()/*读取细分文档*/
Void SubDivision()/*细分驱动*/
Void LedDisplay(int *);/*显示*/
步进电机的正反转控制是通过改变电机通电相序来实现的。为达到对步进电机启/停过程的快速和精确控制,从其动力学特性出发,推导出符合步进电机矩频特性的曲线即指数型运行曲线,并将这一曲线量化后,存入EEPROM。步进电机在运行过程中,每个通电状态保持时间的长短由当前速度对应的延时时间值决定。
3 结束语
本文提出并实现的步进电机均匀细分驱动器,最高细分达到256,能适应大多数中小微型步进电机的可变细分控制、较高细分步距角精度及平滑运行等要求。细分驱动器的系统功能完善和大量新型元器件的采用,使所设计的驱动器具有体积小、细分精度高、运行功耗低、可靠性高、可维护性强等特点。系统软件功能丰富,通用性强,从而使控制系统更加灵活。
参考文献
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