机场消防车训练模拟器仪表系统的实现

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根据国际民航组织(ICAO)统计，在机场事故中，有71%的失事飞机因失火而烧毁。因此 ，只有以最快的速度控制火情并将之消灭，才可将损失降到最校消防训练模拟器作为-种模拟装置 1 j，通过真实地模拟火灾现场 ，使消防人员增加实战经验，熟练掌握消防技术，从而更好地完成救援任务。

在消防系统中，仪表被称为消防员的眼睛，对消防员灭火起着关键作用；而现有的步进 电机组合仪表存在抗干扰能力差、仪表指针运动不连续、相应信号变化速度较慢的缺点，所以本文采用 PLC和步进电机相结合的控制方式。为了增加可靠性和实用性，系统采用了分布式控制系统。这种控制方式将控制功能旧能分散。而管理功能相对集中。这种分散化的控制方式能改善控制的可靠性，使整个系统不会由于计算机的故障而失去控制。

第-作者王立文(1962-)，男，1996年毕业于哈尔滨工业大学流体传动与控制专业.博-kg；，教授；主要从事飞行模拟机、机场设备自动化的研究。

1 硬件设计1.1 步进电机及其驱动电路步进电机是-种将脉冲信号转化为机械角位移的执行机构，电机绕组固定在端子上 。而转子则由硬磁或软磁材料组成。当控制系统将-个电脉冲经功率装置加到定子绕组上时，步进电机会沿-定的方向旋转-步。脉冲的频率决定电机的转速。电机的转动角度与输入脉冲数成正比，因此，只要改变脉冲数就能控制转子运行角度 ，从而达到位置控制的 目的3 J。此外，步进电机还具有很多其他优点，如便于开环控制、定位精度高、无累积误差、无电刷、高可靠性 ，具有锁定转矩和良好的启动、停止 、反转响应等功能。由于步进电机是依靠脉冲来实现机械运动的执行单位 ，所以普通的高低电平无法实现对步进电机的驱动 ，这就需要特殊的驱动装置，即步进电机驱动器 ]。本文所采用的驱动芯片是 M.S Quad Driver X12.017.它是-种 CMOS型器件.用作接口电路，简化了对 X15.XXX型步进电机的使用。

步进电机采用的是麦克络微电机有限公司的车用仪表步进电机。它直接由数字信号驱动来实现参数的1 8 PROCESS AUTOMATION INSTRUMENTATION Vo1.34 No.4 April 2013机场消防车训练模拟器仪表系统的实现 王立文 ，等显示 ，不需要模数转换，并配有 1：180的减速齿轮。该步进电机还具有如下特点：① (1/12)。的步进分辨率 ；② 功耗<20 mA；③ 体积：'fix15×15x9.6(mm。)；④ 直接 MCU驱动：⑤ 工作温度范围为-40～105℃；⑥ 高速 ：600。/s。

1.2 PLC作为工业现池制器 ，PLC以其高性价 比在工业控制系统中获得了广泛的应用，由 PLC构成的集散控制是现代工业控制的-个重要组成部分。本文采用松下 AFPX.C30T型号 PLC6]。它除性能稳定、处理速度快 、通信方便外 ，还具有强大的脉冲输出功能。以往应用 PLC输出脉冲序列大部分是依靠定时器的互锁来完成 ，这种方法虽然可以输出-定频率的脉冲序列，但是只适用于低速情况 ，当频率要求较高时，将难以达到要求。C30T具有 5种高速脉冲输 出模式，可以输 出1.5～100 kHz之间的任意频率，且精度高、误差校1.3 系统电路及接线方式仪表系统硬件电路结构如图 1所示。

5V- . . . . . - Yz 6：m .4 l2knX 1kQ-5V图 1 系统 硬 件 电路 结 构 图Fig.1 Structure diagram of system hardware circuitryPLC端子采用 网络标号的形式表示 ，如 Y Y (通道 1)等，由 YnY 控制 的电机 的网络标 号为 ，～Y ，其中 1～4为电机对应的 4个 引脚 (顺序不可接错 )，其他控制端以此类推。电路 中，2个 100 nF的电容对电路起保护作用。

通过 PLC通信插卡 AFPX.COM3的 RS-422接 口，实现了上位机与 PLC的物理连接。RS.422采用高输入阻抗和发送驱动器，所以较 RS-232有更强的驱动能力和抗干扰能力；允许在相同传输线上连接多个接收点，最多可接 l0个。即1个主设备，其余为从设备，从设备之间不能通信.所以RS.422支持点对多点的双向通信∮收器输入阻抗为4 kfl，则发端最大负载能力为 104 kn100 Q(终接电阻)。由于 RS.422四线接《自动化仪表》第34卷第 4期 2013年 4月口采用单独的发送和接收通道 ，因此不必控制数据方向，且传输距离最远可达到 1.2 km。RS-422接线方式如表 1所示 。

表 1 RS.422接线方式Tab.1 RS-422 wiring2 软件设计及上位机与PLC的通信2.1 PLC软件设计由于应用了步进电机驱动器，因此电路结构大大简化.整体可操作性大大提高。但是由于步进电机 自身的-些特点。我们需要在对步进电机进行控制时注意启动频率(步进电机在起步时，在不失步的情况下可以达到的最高频率)和停止频率(步进电机在信号关断后 .由于惯性不冲过 目标位置的最高频率)，所以本文采用梯形控制指令(F171)。使用这种方法可以避免电机出现失步的现象。脉冲输出指令(F171)中各代码意义说明如下。

① 控制代码 1003：以占空比 1/4，脉冲频率范围1.5～9.8 kHz，相对 PLSSIGN输出脉冲。

② K200为初始速度(200 Hz)、K360为最高速度(360 Hz)、K30为加减速时间(30 ms)、K500为移动量(500 Hz)。

除脉冲输出外，还有 3个定时器：定时器 1为电机转动时间。上位机也是通过它来控制电机旋转角度 ；定时器2为启动时间：定时器 3为读写串口时间，可以根据需要设定。此外 PLC还具有 4个高速脉冲输 出端子，可以节收间.便于操作。

2.2 上位机与 PLC的通信PLC有 4种通信方法 .本文采用的是通用串行通信。其指令发送格式如图2所示。

%或< l 站号 I l命令代码 l文本数据 l BBC l c图2 发送命令格式Fig.2 Formats of send commands① %或<”为始端代码标志，以%”开头的帧单帧最大长度为 118 B：以<”为扩展头，单帧最大长度可达 2 048 B。

1 9YP- - - - Y机场消防车训练模拟器仪表系统的实现 王立文。等② 站号为所要发送的PLC的站号，由高低两位组成，高位在前 ，低位在后。

④ 命令代码通常包括 RCS(单点读取)、WCS(单点写入)、WD(数据区写入)等 26个常用的指令种类。

⑥ BCC为块验证码，两个字节，具体算法为从帧的第-位到 BCC的前-位所有字节的 l6进制表示的异或运算。

响应代码格式和错误代码格式与发送代码格式不同的地方在于#”的部分：响应格式中$”代替#”，而在错误格式中由!'代替。

在VC6.0环境下编写串口通信程序 ]，采用Microsoft Visual Studio提供 的 串 口类 SerialPort。与MSComm控件相比。SerialPort更加灵活 ，稳定性更高。

在串口操作方面，同步操作方式下 API函数会阻塞 ，直到操作完成后才能返回(在多线程 中，虽然不会阻塞主线程，但是会阻塞监听线程)。因此 ，本文采用异步串口操作，操作在后台进行，避免线程阻塞。串口通信程序如下。

m-hCommCreateFile(s-port， //端口名GENERIC-READ I GENERIC- WRITE， //允许读和写0， //独占方式NULL。

OPEN-EXISTING， //打开而不是创建r，A 、： I 扎l-- - 式中：A 为发动机特性函数拟合 中的直线斜率；C 为直线在纵轴的截距 ；B.为变速箱特性曲线拟合中的直线斜率； 为变速箱减速比；i。为主减速 比；叼 为传动效率；r为车轮半径 ；c 为空气阻力系数； 为迎风面积；i为道路坡度；厂为滚动阻力系数；6为汽车旋转质量换算系数 ；m为车辆质量Il ]。

2.3.2 油门和离合器上述模型建立完毕后还要考虑油门和离合器对驱动力的影响。油门开度越大，发动机扭矩也越大，车辆驱动力也越大。引入修正系数 A (与油门开度有关 )，利用-个位移传感器来测量油门踏板的量程，以行程来标志油门开度 ，修正系数的大小根据油门踏板的实际行程 △ 和最大行程 的比值来确定 ，用 f表示最小开度值 ，则修正系数 A (ALL)/(L1)。

当离合器踏板未踩时，离合器能将发动机的转矩FILE- -ATTRIBUTE- -NORMAL I FILE- -FLAG- -OVERLAPPED，//重叠方式NULL)；待上述工作完成后，便可以进行上位机与 PLC之间的通信。在 VC中按照与松下 PLC的通信协议 ～要控制的数据通过串口发送给 PLC，PLC在接到命令后会做出反应并返回应答，从而实现两者之间的通信。

2.3 车辆动力学模型汽车在不同的驱动力下产生加速度 ，从而引起速度的不断变化。通过分析汽车发动机的扭矩特性和变速箱的变速特性可知。在不同的速度下，发动机的转矩也随之变化。影响驱动力的因素比较多，如变速箱及主减速器的减速比、离合器的工作状态以及油门的工作状态l9 。

2.3.1 变速箱和主减速器首先假设油门开度最大且离合器始终啮合 .在此前提下分析变速箱及主减速器对车速的影响。变速箱变速特性反映了车速与发动机转速之间的关系，发动机转速和车速都与发动机转矩有关，那么发动机转矩和车速之间也存在某种关系，所以对发动机特性和变速箱变速特性进行函数曲线拟合。同时，车辆的主减速比是-定的.对应不同档位变速箱的减速比也是-定的.所以发动机的转速和车速之间应该是线性的关系，即不同档位下的车速和发动机的转速关系曲线是通过原点的直线。

根据拟合结果得出速度仿真模型为：- -扣 ㈩全部传递给驱动轮，而完全踩到底时，发动机的转矩没有传递给驱动轮。因此，可以引入修正系数 A，(与离合器踏板行程有关)，同样利用位移传感器测量离合器踏板行程 ，以行程来表示离合器传递转矩的能力。

根据离合器踏板实际行程 △ 与最大行程 的比值来确定修正系数，即A，：1-△L /L 。

2.3.3 汽车制动力汽车在行驶过程中-旦进行脚刹或手刹动作 .汽车将受到与行驶方向相反的地面制动力影响，且汽车车轮相对于地面的运动形式是滚动和滑动的混合过程 ，很难确定摩擦系数。本文以制动力与垂直载荷之比作为制动力系数 ，以滑动率 来说明汽车在制动过程中车轮滑动成分的多少 ：采用位移传感器测量刹车踏板的行程。以踏板实际行程与总行程的比粗略表示滑动率 s；对制动力与滑动系数的关系曲线进行拟合。

经过拟合分析，得出修正后的驾驶模拟器动力学仿真20 PROCESS AUTOMATION INSTRUMENTATION Vo1.34 No.4 April 2013机场消防车训练模拟器仪表系统的实现 王立文，等模型为：VtAt- 高 (2)式中：F 为驱动力 ；F 为空气阻力 ；F 为坡度阻力(上坡时为阻力、下坡时为动力)； 为滚动阻力； 、F 为在不同情况下的制动力 ” 。

3 系统工作过程与精度测试以车速表速度：40 km/h为例介绍系统工作过程。

当驾驶人员对油门开度和制动踏板行程进行操作时，行程传感器采集数据，并把数据传递给车辆动力学模型。计算机根据模型以及其他-些传感器传递的数据进行综合分析 ，计算 出车速，并将 车速转化成脉冲数；再根据 PLC中设定的脉 冲数，将其转化成时间写到数据寄存器 DT108(与车速相对应 )中。这里根据协议将脉冲数转换成十六进制数，即为 6009，写入数据寄存器指令为 WD。再加上 BCC拈添加的验证码，就得到了完整的指令，本文验证码采用 .所以完整的发送指令为%Ol#WDD00108001086009 C 。当上位机将指令发出后，PLC会立即响应并作出反应 ，同时控制仪表转动达到 目标值。

开始模型解算二二[解算结果转换二二二 二 生成命令帧二二二[二 向PLC发送指令帧二二 [返回响应帧---] -- (苎墨 )图 3 软件工作流程 图Fig.3 Working flowchart of the software精度测试是在脉冲频率180 Hz的情况下对转速表进行测试的。根据公式 JBN/12。和 Tflx12/N可知，转速表每秒转动 15。。其中：卢为仪表旋转角度 ；N为脉冲数；T为仪表转动时间。为了增加可靠性和有效性 ，本文采用的方法是测试电机旋转-周 (315。)的时间，按时间求出角度，从而计算误差率 ，重复 30次。

精度测试结果如图4所示。由图 4可以看出.电机旋转-周的时间在21.3～21.6 s之间，经计算得到平均值为21.46 S。从而进-步得到试验误差率为 2.2%，《自动化仪表》第 34卷第 4期 2013年 4月排除人为因素的反应时间0.3 S(启停 )，得到真实误差率为0.53%。满足汽车行业普遍遵循的规定。即低速误差 10% 、高速误差 5%。此外 ，CW/CCW(脉冲输出方向)和 Fscx(脉冲输出频率)启动时间分别为 20 s和320 Ixs(由 PLC提供 )，可 以忽略，所以系统在精确度和实时性方面满足要求。

4 结束语图4 精度测试结果Fig.4 Accuracy test result本系统在硬件搭建上采用 PLC和步进电机，在软件上使用 vc6.0。并通过上位机和 PLC.设计 了可靠、稳定、友好的人机界面。上述软硬件设计已应用到机场消防车模拟器中，并取得了良好的效果。