西门子模块6ES511-1TK01-0AB0型号介绍

工程项目中常用的的信号采集及其实现功能：

●信号测量、监视和控制
●智能楼宇控制、安防工程等应用系统
●RS-232/485总线工业自动化控制系统
●工业现场信号隔离及长线传输
●设备运行监视
●传感器信号的测量
●工业现场数据的获取与记
●医疗、工控产品开发
●4-20mA信号采集

术语及其功能说明

1，输入通道均相互隔离：通道间相互隔离，系统抗干扰能力强，可以省去隔离变送器，可采集0-2Adc,0-500Vdc的非标准直流电流电压信号
2，高**度：22位元A/D高速采样，16位输出，精度达：0.04%FS
3，高采样速度：采样次数（累计）达到60次/秒）多级滤波，输出抗干扰能力强。
(注释：各通道实际采样速率 = 总采样速率/采样通道数)
4，现场校正：次功能可以直观简洁的作输出修正，只需要以当前的输入信号作为标准。直接设置对应的显示值，模块会自动运算并修正为当前值；你也可以清除你的设定。
5，软件规划能力强：输出零点及大值、输出偏移、低值遮蔽等可软件规划。
标准ModBus协议：标准ModBus 协议、CRC校验、通信稳定度高。
6、通讯速度高（波特率）：波特率4800、9600、、115200可选
7、通讯软件支持度高：公司免费提供“数据采集系统（免费版）”。也可购买带数据存储及分析功能的全功能版。
8、系统状态/故障指示详细：通讯状态指示、输入信号超范围或量程超范围等均有指示。
9、数据格式可表示为工程单位(Engineering Units),满刻度的百分比(%of FSR)
10、配电灵活：10-30VDC宽电压工作电源，配电灵活可靠。

数据采集系统及功能说明
1、设置简单：软件自动巡检每个终端配套参数。
2、群组显示：支持群组A、群组B、每个群组支持多个采集终端。
3、逻辑控制输出：支持二组逻辑控制输出功能。可实现实时
控制（非共享版）
4、数据记录功能：终端的每次采集数据、均可自动存入数据库（（非共享版）
5、数据分析功能：已采集数据可分时分段分析及多端对比分析（非共享版）
6、数据输出功能：已采集数据可按Excel或Txt等多种格式输出（非共享版）

实用缘由：
UPS系统，高低压配电柜，安全防护系统已经有RS-232串口可直接连接电脑，中央空调，专用空调，蓄电池组，温湿度监控设备，水浸监控，开关电源及其逆变电源一般是开关量输出，与电脑不能直接通信，而且监控设备分散在机房不同位置

逻辑分析图

关键字命名：
机房环境动力监控数据采集器：
蓄电池组监控数据采集器
机房环境温度监控数据采集器
机房环境湿度监控数据采集器
太阳能监控数据采集器
电梯远程监控数据采集器
通信电源监控系统数据采集器
中央空调系统数据采集器
高低压配电监控系统数据采集器
安全防护系统数据采集器
环境监控系统数据采集器
专用空调监控系统数据采集器
变电站远程监控数据采集器
自来水管网数据采集器
河道水位监测数据采集器
路灯远程测控数据采集器
油井GPRS远程监控系统
开关量信号采集器
数据采集控制器
KT系列多通道模拟量信号数据采集器
称重信号数据采集器，压力信号数据采集器，电流电压信号数据采集器，张力信号数据采集器，液位信号数据采集器

1 引言

　　公路划线机是用来在高等级公路及城市道路上划各种路面标线的专用机械。在道路的养护过程中也用于在旧标线上划新标线[1]。目前划线机种类很多，它们分别应用于不同的场合，但其共同的特点都是先通过人工标线，然后进行机械喷涂。人工标线工作量大，且工作进度较慢，精度较差。针对这种现象本文介绍了公路划线机划线导向机器人，专门用于提供划线机较准确的路线，减轻了人工标线的工作量，提高了划线的准确度。

2 划线导向机器人概述

　　划线导向机器人的系统基本组成：导向控制系统、电机驱动履带行走系统和涂料喷涂系统。本文划线导向机器人主要用于公路中线的划线导向，机器人两端安装有超声波测距模块，分别测量公路两边的公路沿到机器人的距离，通过西门子S7-200PLC软件程序的处理后得出的信号来驱动直流电机的运动，使机器人快速地往中线上靠近，进而在中线上行进。当行进稳定后，涂料喷涂系统中的喷枪开始对地面喷洒涂料，给划线机提供较准确的标线。机器人控制示意图如图1所示。

图1 机器人控制示意图
Fig.1 The diagram of control

3 导向控制系统

　　导向控制系统基本组成：超声波测距模块和PLC控制单元。

　　超声波测距模块一般包括硬件部分和软件部分，硬件部分包括控制单元、超声波传感器、发射和接收电路等;软件部分即是固定在控制单元中的程序。目前市场上出现的超声波测距仪，可以稍加以改进，也可以满足本文要求。目前的超声波测距仪检测距离可达到10m左右，远远满足本文的要求。

　　本机器人左右两端分别对称安装一个超声波测距模块，左右两个传感器同时向两边发射超声波，通过比较左右传感器发射接收的时间差值来判断机器人是右偏还是左偏，进而控制驱动轮直流电机的运动，从而是机器人在公路的中线上行进。PLC控制单元在接收到两边超声波测距模块传送的数据后，将两组数据进行比较。如果右边的数据较小，发出的超声波在右边返回的用时较短，则机器人偏向中线的右边，那么右驱动轮比左驱动轮转速快，如此不断的调整，后机器人位于公路中线上。稳定后，控制单元将此时的超声波传回的数据储存在存储区中，以后机器人的驱动轮速度就以此时的速度匀速行进，靠传感器实时传回的数据进行调整。调整范围限制在一定的值域内，超过该值域时，电机才转动开始调整机器人与中线的距离，使其尽快在中线上行进。

　　PLC控制单元软件包括：主程序、读超声波测距模块数据子程序和电机调整子程序。其程序流程图如图2所示。

图2 程序流程图
Fig.2 The chart of program flow

4 电机驱动履带行走系统

　　机器人的移动方式有轮式、步行式和履带式。步行式结构设计复杂且移动缓慢，但步行机器人可以适应条件较差的路面。轮式结构机动性强，但却只适用于平坦的地形。而履带式结构具有运动平稳、爬坡能力强、不易倾倒等特点;克服了轮式移动机构越障能力、跨沟能力差及打滑等缺点[2-3]。

　　本文提出的划线导向机器人应用于路况较好的公路，但考虑到本机器人是找寻公路的中线行走，轮式结构虽然机动性较好，但其在路面适应能力上远不如履带式移动方式。结合各种情况本机器人采用两节并行履带连接方式，其移动方式类似坦克的行走机构。两边的履带安装在前后轮上，后轮由直流电机驱动，通过履带带动前轮一起转动。其结构示意图如图3所示。用履带式结构机器人不仅可以直行，而且可以利用履带的差动实现原地转向。该结构简单，不需要差动器，转向机构等。控制方便，转弯半径小，电机既可以提供前进动力，也可以提供转向动力[3]。

　　驱动轮直流电机选择带减速器的直流电机，电压为24V。蓄电池的电压为24V，包括工作蓄电池和备用蓄电池。工作蓄电池不仅给直流电机供电，还给控制单元供电。备用电池用于工作蓄电池损坏或突然无电的情况下。

图3 履带式移动方式结构示意图
Fig.3 The structure of moving way

5 涂料喷涂系统

　　划线机按标线所使用的材料分为：冷漆划线机和热塑划线机。冷漆划线机即在常温下进行喷漆，它有两种类型，即气喷涂式和无气喷涂式。气喷涂是靠压缩空气将漆雾化，然后通过喷枪嘴喷涂于地面。无气喷式划线机是利用专用高压泵对漆施加10～15Mpa的压力，然后通过喷枪喷涂于地面。热塑划线机是将热熔油漆或热熔塑料（有颗粒状和块状两种）在热熔罐中加热至使用温度后，再通过划线装置划于地面的。其划线装置的划线方式分为：刮涂式、挤压式和喷涂式[4]。结合本文划线机划线导向机器人的应用重点是导向机器人给划线机提供标线，所以导向机器人的涂料喷涂系统不会像划线机上的喷涂系统那么复杂，只需要满足能够给划线机提供可以识别的标线即可。

　　本文涂料喷涂系统采用冷塑无气喷式，即在常温下利用专用高压泵和喷枪进行喷漆的方法。其基本组成有：高压泵、涂料箱、喷枪及其控制喷枪的电机。涂料喷涂工作过程：高压泵向涂料箱中进行加压，当控制喷枪的电机得到控制单元的指令时，电机开始工作并使喷枪喷出涂料。本系统安装在履带式底盘后部，喷枪安在中线上，机器人行走时，喷枪对准地面进行喷漆。

6 总结

　　与目前传统的公路划线机划线过程相比，本机器人有以下几个特点：，本机器人实行自主寻找中线方向，不需要人为操作。第二，本机器人给公路划线机提供较**的中线标线，不需要人工标线，大大地减轻了工人的工作量。第三，本机器人结构简单，PLC控制系统稳定性较强，能适应于恶劣的野外环境。

　　本文创新点：将PLC用于控制系统，适用于环境恶劣的野外作业，稳定性强。应用了履带式的移动结构，可应用于复杂的路况，机器人移动性能稳定。

化纤行业纤维牵伸和玻璃制造行业成品传输都要求非常高的转速控制精度，一般采用永磁同步电机驱动，并用变频器作开环调速驱动，丹佛斯变频器由于性能稳定、可靠性高，在这两个行业有很久的应用历史。为了进一步提高设备运行的可靠性和改善永磁同步电机低速时的输出性能，我们就永磁同步电机的基本特性进行分析，提出了一些有益的办法。

一、 永磁同步电机的结构特点：

普通的永磁同步电机机构如图一，定子为普通的硅钢片，导磁性能良好；转子表面覆盖永磁体，转子内部依然为导磁性能良好的铁。转子与定子之间的气隙约0.2毫米，与普通异步电机相仿。

现代主流永磁同步电机多采用稀土永磁材料做永磁体，由于稀土永磁材料具有非常大的内禀矫顽力，其磁化特性曲线接近矩形，在矫顽点以下，磁化率几乎与空气相同。因此在进行磁路分析时，稀土永磁体可以被视作气隙处理。所以永磁同步电机的内部等效气隙要比异步电机大得多。

从d轴电感Xd和q轴电感Xq的电参数的差异来分类，稀土永磁同步电机可以分为隐极同步电机和凸极同步电机两种。

隐极永磁同步电机的主要特点为永磁体贴于均匀转子上，通过修正永磁体的表面形状，确保气隙磁势为正弦波。磁路上d轴与q轴气隙是相同的，因此：Xd = Xq
凸极永磁同步电机的主要特点为电机实际气隙是均匀的，但d轴磁路气隙等于电机气隙加永磁体的厚度，而q轴磁路气隙等于电机气隙，因此通常有：Xd < Xq

二、 变频器开环驱动永磁同步电机的注意事项：

1. 电机纹波电流的影响
由于永磁同步电机的内部等效气隙要比异步电机大得多，因此永磁同步电机有比异步电机小得多的主电感和电气时间常数，这在控制上有电流响应快的好处，但是变频器通常是被设计为驱动大电感量的异步电机的，如被用于驱动永磁同步电机，变频器的输出电流纹波将比驱动异步电机时的电流纹波大得多。

在这种工况下，许多未经特别设计的变频器会发生故障或令使用寿命大大缩短。丹佛斯的FC302变频器是专门针对驱动永磁同步和异步伺服电机而设计的一款驱动器，变频器设计时已经对较高的载波纹波电流对变频器的硬件和控制软件的影响有所考虑；同时还令变频器输出PWM方波的 电压突变率受到特殊限制。经过工厂内部的充分测试和大量用户现场长时间的实际应用考验，证明了FC302驱动器驱动永磁同步电机的长期可靠性。

2. 变频器的电机控制模式

变频器开环控制时一般有VVCplus控制、无转速反馈磁通矢量控制和V/F控制（标量控制）等几种控制模式，其中VVCplus控制和无转速反馈磁通矢量控制都是针对异步电机的控制模式，不能用在同步电机控制上，因此只能使用V/F控制。
丹佛斯FC302驱动器的V/F控制模式，允许用户自定义6点（频率，电压）点，应用上有较大灵活性，特别适用于永磁同步电机开环控制。

3. 驱动器功率选择

选择永磁同步电机的适配驱动器功率时，主要看永磁同步电机的起动电流，此电流一般较额定电流高，驱动器的额定电流应该大于或等于永磁同步电机的起动电流。永磁同步电机过载时可能产生10倍额定电流以上的失步电流，远远超过异步电机5-7倍的堵转电流，而且开环控制时，驱动器无法作有效的转矩限制保护，因此必须由用户自己负责保证负载不会过载，在不允许跳闸的场合驱动器功率选型要有足够大的裕量；通用变频器的开环自动转矩限制和过压限制功能都是针对异步电机的，很不适应于永磁同步电机，在开环驱动永磁同步电机时要求将这些智能保护功能全部关闭。

三、 永磁同步电动机的运行特性：

永磁同步电机的矢量图
忽略定子电阻和漏抗以后，可以得到永磁同步电机简化的矢量图如图六。
其中：
0为转子永磁体产生的感应电势，角度与转子位置保持严格一致。
E0 =  W•KW•Ф0•ω [ 1 ]

W，绕组匝数；
KW，绕组系数；
Ф0，永磁体产生的磁通。
θ， 为外加空间电压矢量与永磁转子之间的夹角。

永磁同步电机的功角特性：
◆ 功角特性指的是电磁功率PM随功角θ变化的关系曲线 PM = f (θ) 。

　　◆ 隐极永磁同步电机的功角特性
[ 2 ]

m，相数
将公式[1]带入E0，可得

 [ 3 ]

TM ∝ U•sinθ [ 4 ]

 [ 5 ]

空载时，θ为0，即空间电压矢量与转子角度一致；空间电压矢量角度超前转子90°时，永磁同步电动机的输出转矩达到大值。负载转矩在任何时候都不能超过TMmax，否则会造成失步。

　　◆ 隐极永磁同步电机的功角特性

 [ 6 ]

由于凸极反应转矩的影响，隐极永磁同步电机的功角特性变差。

四、 开环驱动永磁同步电机时，提高输出性能的办法：

1. 由于凸极永磁同步电机的攻角特性比隐极永磁同步电机的要差，所以对于性能要求较高的应用推荐使用隐极永磁同步电机。
2. 对于隐极永磁同步电机，根据公式[4]，TM ∝ U•sinθ，可知隐极永磁同步电机的负载能力与输入电压成正比，因此提高变频器的开环输出电压，能够提高永磁同步电机的负载能力，防止失步。不过变频器的开环输出电压如果提得太高，会使输出电流功率因数降低，甚至导致励磁电流过流，这就要求根据现场实际负载情况进行调试。
3. 开环控制时，转矩波动引起的转速波动。
从公式[5]可得到比整步转矩：
 ∝ U•cosθ [ 7 ]
因此可知，U较大时，永磁同步电机的机械特性也较硬，同样的转矩波动引起的角度（转速）波动就比较小。
　　
4. V/F特性曲线的调整办法。
低频时，提高起动电压，主要考虑对定子和导线的电阻和漏感的电压补偿；
中低频时，还有考虑人为增持以提高同步电机的开环运行性能；
高频时，由于负责惯性的平抑作用，调整就比较简单了，只要设置50Hz对应380V就可以了。