原有的电控方式和结构布置，提出采用PLC控制的技术方案对电控系统实施技术改造。用
PLC来控制起重机的起升、变幅、旋转三大运行机构，从而提高门座起重机运行的可靠性
，同时降低故障率。
关键词：门座起重机；电控改造；PLC
【中图分类号】U260.352
1台5t仿真固定门座起重机，2004年投入使用，主要用来培训学生的电气控制系统及
实训操作同时用来进行学员上岗前的认识操作。该机由起升、变幅和旋转3大机构组成。
原机电气系统为常规继电器控制，使用主令控制器、控制继电器、时间继电器、热继电
器、断路器和限位等多种元器件对接触器进行控制。各机构电动机转子回路采用串接电
阻方法启动和调速。各机构均采用3档速度，利用时间继电器自动延时切除电阻。
1改造目的与预期目标
1.1改造目的
该机原电控配置落后，经过多年连续运行，电器元件老化明显，故障频繁，已经影
响到学习和培训的正常进行，决定结合电气系统大修实施技术改造。
1.2预期目标
根据起重机作业工况和电控系统技术状况，结合起重机结构特点，本着技术进步、
安全可靠的PLC控制技术对整机电气操纵控原则，确定采用PLC控制技术对整机电气操纵
控制系统进行改造。通过改造，预期实现以下目标：
1）改造后的系统必须保持起重机原有功能、速度和工作等级不变；载重量、速度工作等级
不变；
2）电气系统改造后实现PLC控制，使起升、变幅和旋转3大机构保持既可单独又能复合操
作，其操作的灵敏可靠性要优于原系统，使起重机装卸作业效率有所提高；
3）通过整机PLC控制改造，相对于原机常规继电器控制，减少所有的时间继电器和中间继
电器触点，利用PLC内部无触点继电器特点，降低故障率，提高运行可靠性和可开动率。
2改造方案
2.1起重机结构与改造方案确定
2.1.1起重机基本结构
起重机1层平台为机房，布置有操作室、起升和回转工作机构、电源和3大工作机构
及起重电磁铁控制柜。2层露天平台装有变幅机构、吊机门架、起重电磁铁变压器和停电
保磁装置。2层平台的结构布置十分紧凑，无多余空间。
2.1.2总体改造方案
在PLC控制中，一般都以变频器实现调速控制。受该机结构所限，改造方案放弃使用
变频器而保留切电阻调速，仅对各接触器及其相关部分PLC控制。涉及范围包括起升、变
幅和旋转采用3大工作机构，联动操作台以及各工作机构的安全联锁和联动控制。由变幅
旋转及电源控制柜、起升及PLC控制柜、联动操作台、电阻箱等结构单元组成。
2.2控制功能的实现
1）起升机构的4级全常规切电阻加速与能耗制动和变幅、旋转机构的4级全常规切电阻加
速控制，实现3大工作机构的启动和调速。
2）起升、变幅和旋转机构的限位开关线、主令控制线均汇集到PLC设备。PLC得到限位和
主令信号后对各机构的接触器等元件实施控制，使系统实现运行功能。
3）中文故障监控系统对各机构工作状况进行实时监控记录，实现故障监控功能，包括各
个限位、热继电器、断路器和各接触器的状态反馈，故障点位置，历史故障记录，都通
过触摸屏显示。
3改造后电气系统控制原理
3.1电源控制
电源电缆由接线箱通过起重机中心受电器引至总电源总断路器，再引至变幅/旋转控
制柜、起升PLC控制柜，向各工作机构及其它用电系统供电。总电源断路器设置在电源/
起升柜中，整机工作电源由总电源断路器出线端引出，向机上各机构的主回路供电。联
动台上设有紧停按钮，紧急情况下可用来分断总电源断路器，切断整机工作电源。总电
源部分设置了电流表、电压表和电压表换相开关，检测电源各相电压是否平衡或缺相以
及工作电流。设置的相序检测功能在进线电源相序相反的情况下，系统将会无法启动并
报故障。电源柜中设置AC380V/AC220V的控制变压器和照明变压器各1个，为紧停回路、
各工作机构控制回路、PLC电路、系统信号和照明提供电源。
3.2起升机构
起升机构2台YZR280S-8型10KW电动机采用常规转子串电阻调速，能耗制动控制方式
。通过联动台主令控制器给PLC信号，相应切除各级电阻实现电动机调速。抓斗开闭通过
联动台脚踏开关控制。PLC根据程序输出各信号，控制上升或下降速度。力矩限制器设定
为100%额定负载（或力矩）时自动报警，10%额定负载则安全装置起作用，货物只能下降不
能上升且旋转变幅。起升机构设有起升（下降）减速机构不能动作
和终点2道独立限位。
3.3变幅机构
变幅机构1台YZR225M-6型8kW电动机采用常规转子串电阻调速。通过联动台主令控制器
给PLC信号来相应切除各级电阻实现电动机调速。变幅机构设有减幅（增幅）减速和终点2
道独立限位。
3.4旋转机构
旋转机构1台YZR225-8型6KW电动机，采用转子回路串电阻调速。旋转机构的静压缸制动
器通过脚踏制动联锁开关，保证切断电动机电源，避免电动机在通电情况下抱闸引起过
载通过动台主令控制器给PLC信号，相应切除各级电阻实现旋转转速的改变。
4.主要元件选型
1）柜内低压元器件（断路器、接触器、中间继电器、热继电器、选择开关、信号指示灯、
按钮等）采用西门子产品，其它电器件选用合资或国产优质产品；
2）PLC选用OMRONC200HE系列产品；
3）端子排采用AZ1系列产品，端子排上接线端子采用O型冷压头；
4）触摸屏采用GP2301S彩色中文触摸屏。
5.使用效果
1）该机于2012-4月底改造调试完成，经现场安全检验合格，正式投入教学中。PLC控制的
可靠性使电控系统原先频发的故障得到了消除，至目前为止，改造后的电控系统已连续
无故障运行1年时间。较改造前相比，吊机可开动率提高5%左右。
2）PLC控制使起重机起升、变幅和旋转3种工况的复合操作更为灵敏可靠，装卸作业效率
得到提高。
1基于GA算法改进的BP神经网络
1.1BP神经网络
BP神经网络是一种基于误差反向传播算法的前馈型网络，通常由输入层、隐层和输出层组成，各层具有若干个神经元。网络训练包含信号正向传播和误差反向传播2种过程，通过输出层的输出结果与期望输出的误差来间接调整网络各层的权值，直至获取最优结果。BP神经网络模型如图1所示神经元节点的激活函数定义了对神经元输出的映射关系。作为激活函数求解神经网络中神经元的总数、目标值以及误差值，此处采用S型函数（1）在保证计算精度的前提下，应尽可能减少隐层的节点数量，使网络具备良好的性能和泛化能力，避免发生训练过拟合现象。
1.2遗传算法优化的BP神经网络
为了提升BP神经网络性能，采用遗传算法来优化BP神经网络的初始权阈值，以加快学习收敛速度，优化后网络的结构如图2所示。流程关键节点描述：（1）编码方式GA算法多采用二进制编码方式，存在着连续函数离散化时的映射误差。个体长度较短则达不到精度要求；较长时则会提升解码难度，算法搜索空间变大，搜索效率得不到保证。因而采用浮点编码法来降低计算的复杂性，提升算法在较大空间的遗传搜索能力，以较小的个体长度来满足高精度要求。并随机产生初始种群。（2）适应度函数的求解该函数用于评估种群中的个体，个体的适应度越高，被选中的概率越大。利用适应度函数能够缩小初始权阈值的最优解分布范围，避免网络陷入局部极小，从而降低训练次数，加速网络收敛。适应度函数最后，得出最优个体，并将其作为BP网络的初始权值阈值进行学习训练。
2试验过程
减速器的众多故障中，齿轮与轴承故障率占比较高。常见的齿轮故障类型主要有：齿轮崩齿、中轴窜动、轴承内圈划伤以及齿面点蚀、磨损、胶合等。部分故障模型分别如图3所示。为了获取减速器的实际振动数据，以ZQ-650型减速器为研究对象，利用转矩转速传感器和加速度传感器获取测试点的振动信号。试验过程中，利用传感器采集正常工况下齿轮箱的振动信号，并通过在试验对象相关部位人为设置故障以模拟故障工况。故障检测模型如图4所示。为了确保所获取信号具备全面性和真实性，3处测试分别为箱体上表面、右侧面以及轴承座的受力方向侧。采样参数：采样点数4096，频率分别为850、1100、1400、2700Hz。依据实际作业情况，通过对振动信号的时域和频域分析，得出减速器的故障特征参数，并从特征参数集中提取较为敏感的7个特征值作为故障特征向量，分别为频谱重心、波形指标、裕度指标、峭度指标、偏态指标、频域方差以及相关因子，并将其作为检测模型的输入。模型的输出为5位的故障编码。本文中减速器正常与故障类型样本各取53个，共计315个。故障样本如表1所示。
3试验分析
为了使试验结果具备可比性，分别建立传统BP与GA-BP网络的减速器故障诊断模型，并采用同样的数据进行测试。其中，BP神经网络拓扑结构为7-13-5，学习算法采用梯度下降法，学习率为0.01，最大迭代次数为4000，网络训练目标为0.01。GA-BP神经网络初始种群规模设置为20，交叉和变异概率分别为0.61、0.02，拓扑结构及其他参数设置与BP神经网络相同。图5为2种网络的训练样本误差变化曲线。3200次迭代后，训练精度为0.3101，相较于传统BP网络的0.6092，提高了96.45%。并且传统BP网络经过1150迭代后收敛速度变缓，训练精度提升不显著，易导致网络陷入局部最优。可以表明，GA-BP网络具备良好的容错能力，学习训练的速度较快，故障分类效果更为优秀。运用2种网络故障诊断模型，分别对测试样本进行故障检测与分类试验，针对不同故障识别结果对比如表2中所示。检测准确率为检测正确总数与测试样本总数的比值。由表2可知，GA-BP网络的故障检测准确率相较于传统BP网络，提高了21.13%，检测能力提升较为明显。各类型故障的检测准确数量均高于未优化的BP网络，尤其是针对齿面点蚀(G2)、轴承内圈划伤(G4)、齿轮崩齿(G5)3类故障，检测准确率分别提高了28.3%、24%、24%。由此可以表明，基于GA算法改进的BP算法训练结果较为理想，能够对减速器故障检测预测起到良好的效果。
4结语
关键词：皮艇；运动学；动力学；竞技能力
中图分类号：G861.43文献标识码：A文章编号：1007-3612(2007)08-1122-04
1实船测试系统
实船测试系统的核心是多功能中央处理器，完成船体三轴加速度测量、多维桨力信号采集、多种信号的测量时序同步、信号本地存储、USB数据通信等功能，采用密封防水处理，便于船载安装。测试系统总重量小于0.6 kg，结构紧凑，对运动员的训练感觉影响很小。其硬件结构如图1所示。
1.1桨力传感器常见的工业传感器，要求应变计紧密粘贴在弹性材料表面。专业的皮艇桨杆采用高强度碳纤维制成，在桨力作用下会产生应变，因此桨杆可以看作工业传感器中的弹性材料。遗憾的是，不论从技术角度，还是从实际操作可行性角度，都不可能在每个桨杆表面贴上应变计。因此我们采用传动机构，将桨杆的应变传递至另外一个弹性材料（应变梁）。在应变梁上贴电阻应变计检测梁的应变，从而获得对桨力的间接测量。桨力传感器实物照片如图2所示。
这种偏置型桨力传感器不需要破坏桨体结构，可快速安装到桨杆上，实现了在多个桨杆之间的轮换使用。整个传感器重量低于80 g，结构紧凑，对运动员正常训练的感觉影响很小。目前，国家皮艇队的实船测试系统均装备了偏置型传感器，经过长期实船测试，其测力原理的有效性和可靠性得到了验证。
1.2艇速测量在测试系统中，加速度传感器除了反映船体加速度信息外，更为重要的是需要利用加速度的时域积分，获得船体速度。
目前皮艇速度的测量主要可分为接触式和非接触式两种，其中接触式测速装置检测船体相对于水流的速度，由于传感器只能置于船体的某一个部位，因此实际上测定的是流速场某点的流速，所以传感器在水中的深度、离艇的距离和安装在艇上的位置都影响速度的测量精度。非接触式测速装置多采用GPS（Global positioning system）或者高速摄影方法。高精度差分GPS定位误差可控制在10 cm以内，但是其数据刷新频率较低，只能反映一段时间内的宏观速度，无法测量每一时刻的实时速度。高速摄影方法受摄像机视野的限制，只能测量出很短距离艇的运动速度，而且需要大量的事后处理工作［8］。
利用加速度信号的时域积分计算速度是一个非常直观的思路，可避免上述接触式、非接触式速度测量存在的问题。但传统的加速度测量中，动态加速度信号和重力加速度信号交叉干扰，容易产生较大的测量误差。针对这一问题，我们利用磁倾角输出作为补偿数据源，取得了理想的测量精度，并在实际测量应用中得到成功验证。
1.3测试指标测试系统可以提供任何时刻的船体加速度、桨力信息、船体姿态信息，在此基础上，可以导出的参数主要包括：1) 动力学信息：每桨最大力量，每桨平均力量，每桨冲量，每桨做功，每桨功率，以及上述参数在任意时间或距离内的统计信息。2) 运动学信息：船速，船体加速度，位移，桨频，拉桨时间，有效拉桨时间，回桨时间，单桨位移，单桨最大最小和平均船速，以及上述参数在任意时间或距离内的统计信息。3) 船体姿态信息：船体上下颠簸、左右摇摆的速度和幅度，以及上述参数在任意时间或距离内的统计信息。
有了这些基础数据，可以从运动学和动力学角度出发，对运动员专项竞技能力进行分析和评估。
1.4分析方法反映运动员竞技能力的最直接指标是测试成绩，因此我们以船速为因变量，以测试所得的30余项动力学、运动学指标为自变量，采用多因素逐步回归分析法，初步筛选出能够有效反映运动员专项技能的主要因素。需要说明的是，限于篇幅本文没有涉及船体姿态信息。
2专项竞技能力评估方法
下面以我国某优秀女子运动员在GAⅢ强度下，单人皮艇500 m的测试数据为例，从运动学和动力学角度出发，进行竞技能力评估和分析。我们将该运动员关键的动力学、运动学信息每50 m做一次平均，显示在表1中，表2简单介绍了各参数的基本含义。
图3显示的是在GAⅢ训练强度下，500 m测试过程中随机抽取三次划桨的桨力信号对比，结合表1和图3可以得到以下结论：
1) 高水平运动员技术动作定性，桨力信号具有很好的重复性。
2) 左侧拉桨时间占左侧动作周期的比例约为65%，右侧拉桨时间占右侧动作周期的比例约为68%，上述比例不随桨频的变化而产生明显的差异，说明高桨频并未牺牲拉桨时间。
3) 右侧桨叶入水产生的瞬时力量峰值较左手小，说明右侧入水更加柔和，桨叶包水效果更好。
4) 左右侧桨力曲线前坡均很陡峭，说明桨叶推进力作用迅速；左右侧桨力曲线后坡均很陡峭，说明桨叶出水快速，无带水现象［9］。
5) 左侧桨力曲线达到顶峰后，衰减很快；相比较而言，右侧桨力曲线则平坦、饱满。
6) 总的来说，该运动员右手技术动作好于左手，这一点与教练员的判断是一致的。
2.2专项身体素质分析
图4显示的是500 m全程中，船速、桨频和左右侧平均桨力的变化趋势。结合表1和图4，可以得到下面的结论。
1) 左侧最大桨力平均为220 N，右侧最大桨力平均为212 N，说明与左侧拉桨动作有关的肌群最大力量、最大速度力量优于右侧。
2) 训练过程中，左侧最大力量衰减32.5%，右侧最大力量衰减19.6%；左侧平均力量衰减37.4%，右侧平均力量衰减19.1%。说明与右侧拉桨动作有关的肌群速度耐力优于左侧。
3) 在国家女子皮艇队中，该运动员左侧拉桨最大力量居第3位，右侧拉桨最大力量居第4位，左侧拉桨平均力量居第2位，右侧拉桨平均力量居第6位。
4) 该运动员左侧拉桨动作相关肌群的速度耐力是相对薄弱环节，在日常训练中应加以重视。
2.3竞速结构分析
图5显示的是500 m全程速度图，其中蓝色线条反映了船速的动态变化过程，结合图4、图5和表1可以得到以下结论：
1) 起航后，经过5.9 s时间、17.3 m距离，一个动作周期的平均船速即达到全程平均船速；起航阶段共计9桨，起航平均桨频为99.3。说明该运动员的起航是成功的。
2) 21 m处，桨频达到最高峰120；此后桨频呈马鞍型分布，21～150 m区间内桨频逐步下降，150～380 m区间内桨频保持在112左右，380～500 m区间内桨频上升至114左右。根据张沪等人的研究，国际大赛中优秀运动员绝大多数采用这种桨频结构［10］。
3) 起航后，经过10.5 s时间、38 m的距离，船速达到高峰；船速高峰稳定维持至35.6 s、160 m；自此以后，船速稳步下降。
4) 该运动员在后120 m提高了桨频进行冲刺，但是由于桨力的稳步衰减，尤其是左侧桨力衰减严重，导致冲刺阶段速度无法得到提升，反而呈现稳步下降的趋势。
2.4动力保护问题流畅一直是水上运动所追求的目标，所谓不流畅，指运动员完成划船动作时，表现为划得紧、动作僵、不连贯，给人感觉好像总是断断续续，流畅性不够，实效性差［2］。这是基于多年现场工作经验的一种很通俗的描述形式，从另外一个角度看，不流畅也就是每一个划桨周期中，船速的波动大，给人的视觉造成了一种断断续续的感觉。
单桨周期内船速差（最高船速-最低船速）是衡量一个运动员动力保护能力的重要指标，用VDF表示。可以想象，船体的平均船速也会影响该指标，平均船速越高，则VDF相应越大。因此更为合理的指标应该是VDF/V_B，其中V_B表示平均船速。
在研究VDF和VDF/V_B的时候，需要排除起航阶段，因为这时候船体自静止开始加速，每一桨速度差不能反映真实的动力保护水平。
通过比较，该运动员的VDF数值在国家女子皮艇队中处于倒数第三位，VDF/V_B数值处于倒数第一位，这说明该运动员动力保护做得好。
2.5桨力效率评估水流对桨叶的作用力（桨力）大部分成为推进船体的动力，少部分则用于维持船体的平衡。因此，我们定义桨力效率为：运动员桨力有多大程度转化为对船体的有效推力。
基于上述分析，可以提出一种基于能量守恒定律的桨力效率评估方法，考察自至时间段内，人船桨系统在阻力和桨力共同作用下的能量转换情况：
划船效果将动力学信息（桨力）和运动学信息（船速）直接联系起来，不仅表达了运动员技术动作的完善程度，也表征了某个运动员是否适合皮艇项目。换句话说，体重大、力量大的运动员成绩往往并不优于体重轻、力量弱的运动员。
3结论
皮艇项目对于力量和技术都有很高的要求，结合实船运动学动力学信息，对运动员竞技能力进行综合分析评估，可发现运动员的薄弱环节，对于教练员制定科学训练计划具有重要意义。本文从桨力信号特征分析、专项身体素质分析、竞速结构分析、动力保护问题、桨力效率评估、划船效果评估等几个方面，介绍了皮艇竞技能力评估的基本思路和方法。所论述的技术指标和评估方法，对于划艇项目和赛艇项目也具有参考价值。
在将来的工作中，拟综合采用多种统计分析方法，对动力学、运动学和船体姿态等指标进行分析，确定各代表性指标及其权重，试图建立皮艇专项竞技能力的评价标准体系，为日常训练和运动员选材提供科学依据。
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摘 要：传感器课是航空电子专业的一门重要课程。本文探讨如何将智能小车作为实训任务应用于传感器理实一体化教学，改革传统教学方式，以培养应用型技能人才。
关键词 ：智能小车 传感器 实训教学
一、教学内容改革
笔者学院采用《传感器与检测技术（第2版）》(工业和信息化高职高专“十二五”规划教材立项项目)作为教材，配合THQC-2型传感器系统综合实验仪作为传感器理实一体化教学内容。 传统教学中，教师遵循教材内容和实验设计，从传感器基础知识、工作原理到实验验证，耗费大量课时，学生疲于应对不同类型的传感器，没有真正理解什么是传感器、如何选择和使用不同类型的传感器；教学过程不够直观生动，实验设计缺乏吸引力，难以调动学生学习的热情，导致教学效果不理想，并影响到后续课程的学习。
智能小车是现代工业技术的新发展，为实现显示时间、速度，具备自动寻迹、寻光、避障功能，变速行驶、准确定位停车、声控和远程传输图像等功能，运用到光电传感器、避障传感器、光线传感器、红外检测传感器、加速度和陀螺仪传感器、热电偶传感器、超声波测距传感器、视觉传感器、数字温度传感器和火焰传感器等类型的传感器。把智能小车设计成任务模块，贯穿整个传感器实训教学，可以有效地激发学生的学习兴趣，培养学生独立分析问题、解决问题能力、自学能力和实践动手能力。
二、教学过程改革
传感器理实一体化教学采用任务驱动法，把智能小车作为实训内容，根据课时数合理设计递进的任务模块（见表1），以学生为中心，通过小组相互协作，主动探索解决问题，获得成就感，激发学生的求知欲，形成良性循环。
现以智能小车的避障传感器模块为例，介绍任务驱动对教学过程的改革。
1.布置任务
智能小车在前进过程中如何实现自动避让障碍物？要求学习光电式传感器内容，实现智能小车在距离障碍物20cm时刹车减速的功能。任务明确，激发学生的求知欲，有目标地进行学习。
2.确定设计方案
学习光电式传感器的知识，认识能够把光通量转换为电量的光电管、光敏电阻等光电元件。分小组结合已学知识，设计避障方案，经过集体讨论和教师引导，选用红外避障传感器模块，电路设计如图1所示。
3.模块组装和调试
学校统一采购教学用的智能小车和传感器模块，学生根据确定的设计方案，通过小组协作，正确识别元器件，分析电路图，完成模块的组装焊接（见图2）。在教师的指导下，配合智能小车进行模块功能的调试，实现任务要求。
4.考核和总结
教师根据各组设计的方案、组装调试和最终成品，进行综合评分。组织小组讨论，归纳过程中的困难与问题，总结解决的方案，吸取教训，分享成果。
5.智能小车技能竞赛
学生通过传感器理实一体化的实践训练，努力攻克一个又一个任务模块，掌握智能小车的控制系统，获得成就感，提高自信心。学生积极参加学院每年科技节的智能小车技能竞赛，在比赛中灵活运用所学知识，勇于挑战自我，完成更高难度的智能小车，努力获得优秀成果。
三、小结
一、硬件电路的功能扩展
1.旋转编码器楼层定位电路。（1）编码器的安装方法。将旋转编码器直接安?b在曳引机输出轴的轴端上，编码器随曳引机转动而转动，这样就可以从旋转编码器的脉冲输出端获得与电动机转速成正比的脉冲信号，一是供变频器反馈转速，二是供电梯计算楼层之间的脉冲距离。（2）编码器与控制系统的连接。对于只有A、B相两相脉冲输出的增量型编码器，它有四条引线，其中两条是脉冲输出线，与PLC的高速计数端相连，一条是COM端线，一条是电源线，与电源的正极和负极相连。对于绝对型编码器，它直接输出脉冲个数的数字量，其信号输出方式有并行输出、串行输出、总线输出、变送为标准信号输出等。
2.称重控制电路。称重控制电路由称重传感器和控制仪两部分组成。称重传感器将重量信号转换成电信号传送给控制仪，由控制仪进行运算处理，完成电梯称重。当电梯轿厢内重量变化时，控制仪根据要求可以输出多组继电器触点信号，如0～10mA电流信号、0～10V或-10V～+10V电压信号，超载时控制仪发出声光报警信号，为电梯称重及启动提供精确的数据。
3.应急救援装置。当电梯供电中断（如停电、缺相等），或电梯自身出现软故障（非电梯安全回路或门锁回路故障），应急救援装置将自动投入应急救援，将电梯轿厢慢速运行到就近层站停靠，打开轿门和厅门，放出受困的乘客。电梯应急救援功能是电梯维修技术人员必须掌握的重要技能之一，因此电梯教学的实训装置有必要设计应急救援装置。
二、软件优化设计
根据四层电梯的控制要求，进行控制程序的优化设计，与原实训装置功能相同部分的程序不做改动。
1.编码器楼层定位程序。编码器楼层定位程序根据输入脉冲数计算电梯位置与运行速度的程序。在电梯运行前通过现场调试，将信号，如换速点位置、平层点位置、制动停车点位置等所对应的脉冲数，分别存入相应的内存单元。在电梯运行过程中，通过旋转编码器检测，使用软件实时计算以下信号：电梯所在楼层位置、换速点位置、平层点位置，从而进行楼层计数，发出换速信号和平层信号，再通过变频器实现换速、楼层定位以及厢门厅门的开关控制等。
2.称重控制程序。称重控制程序首先读取压力传感器的载重信号，然后进行A/D转换，并与内存中的额定载重量进行比较。当轿厢内的重量达到或超过额定载重量（设定值）的95%时，输出满载信号，显示电梯满载，不再响应呼梯信号；当轿厢内的重量达到或超过额定载重量（设定值）的102%时，控制超载继电器动作，显示超载信号，不能关闭厢门与厅门，直至退出超载状态为止，以确保电梯安全可靠运行。
3.应急救援程序。应急救援程序首先判断是联机方式还是脱机方式，并进行分别处理。在脱机方式下，不使用应急救援功能。在联机方式下，当外加电源正常时，硬件电路自动对蓄电池进行充电控制，并且用LED显示快充、慢充、充电完成等状态。当外加电源断电或缺相，以及电梯控制系统发生故障时，应急救援程序接管电梯的全部控制权，启动逆变电路工作，将蓄电池的直流电压逆变成三相交流电压，向电梯供电，使电梯继续保持慢速运行5～30分钟，直至运行到最近的平层位置，开门使乘客安全撤离。在救援过程中，即使外加电源恢复正常供电，也不会影响应急救援装置的正常救援工作，直到救援工作结束后再恢复正常的电梯运行。为了避免外界干扰，当外加电源发生故障时间少于3秒或者控制系统出现故障时间少于装置设定时间时，应急救援程序不响应救援工作，确保电梯优先运行。
【关键词】 神经网络 故障诊断 遗传算法
1 神经网络用于故障诊断的流程及优势
故障诊断问题本质上是分类和识别问题的一种模式，即从特征空间映射到该故障的空间。最常见的神经网络BP算法是将学习输入输出的映射问题转变为一个非线性优化问题，使用优化中最普遍的梯度下降算法，用迭代运算修正网络权重，实现网络输出与期望输出间的均方误差最小化。BP算法由前向计算过程的误差反向传播过程组成。在前向计算过程中，输入信息从输入层经隐层逐层处理，传向输出层，每一层神经元的状态只影响下一层神经元的状态。如果在输出层得不到期望的输出，则转向反向传播，将误差信号沿原来的连接通路返回，通过修改各层的权重，使得误差信号最小。
2 神经网络在风机控制系统故障诊断的仿真
（1）建立神经网络模型。通过对双馈发电机在定子电流传感器和转子电流传感器进行分析，本文选取了风机控制系统输入量反馈电流传感器出现故障时对应输出量发生的变化，利用网络训练达到要求的精度后对传感器进行故障诊断。本文我们将模拟六种风电机组控制系统故障的类型，也就是定子、转子电流反馈传感器故障，电源电压不平衡故障，电源反馈通讯中断故障，速度传感器偏置，不断增益输出故障。
本文在研究控制系统的多个输入输出量在故障时值的变化的基础上，总结出六个与控制系统定子和转子反馈电流传感器发生故障时紧密相关的特征向量即udr、uqr、ids、iqs、idr、iqr，分别代表转子d轴电压、转子q轴电压、定子d轴电流、定子q轴电流、转子d轴电流、转子q轴电流，并用这六个特征向量作为神经网络故障诊断的输入，以定子d轴电流反馈传感器，定子q轴电流反馈传感器、转子d轴电流反馈传感器的偏差故障和恒增益故障为输出建立了18-21-6的网络来进行故障诊断。
（2）采用弹性梯度法的BP网络训练仿真。我们设置的仿真时间为20s来收集故障数据，当系统达到稳定，即从12秒到20秒。人为地使控制系统发生故障，我们分别在12.73s、14.74s，16.75s，18.76s收集风机电压传感器故障时的数值。我们可以看到，当网络收敛到429步时满足网络精度0.01的要求，且曲线平滑，收敛效果好。仿真结果如图1。
当我们模拟第四类故障时，网络的输出如下所示：
Y=[0.0201 0.0000 0.0165 0.9491 0.0121 0.0002]
而预期的输出值为：E=[000100]，显然诊断网络输出的结果表示第四故障类型在误差允许范围内非常接近于理想值。
（3）神经网络训练过程出现的问题。在实际训练过程中发现无论怎样改变隐层或学习率等参数时，或者改变训练算法，网络训练始终避免不了陷入局部极小值，在81次实际训练过程中，有19次陷入局部极小，导致网络不收敛，即使是改进算法也仅是提高了网络的收敛速度，这是调整BP网络自身致命的缺陷，陷入局部极小结果如图2所示。
3 遗传算法优化的故障诊断算法
遗传算法优化网络是将遗传算法和BP网络相结合。在我们训练网络，我们首先使用遗传算法来找到正确的权值，以缩小搜索范围，然后训练BP网络解决准确。该方法不仅节省了训练时间，又能保证在很短的时间内网络训练，这在很大程度上避免了BP神经网络容易陷入局部极小值的缺陷。为此，我们建立12-15-6的神经网络进行网络调试，在多次实际的网络训练过程中，不仅提高了网络诊断速度和精度，并且很好的避免了陷入局部极小值。在实际60多次网络训练过程中，网络均没有陷入局部极小。
4 本文的创新之处
（1）针对网络输入数据规模较大或很大时造成的网络收敛速度缓慢、精度不高以及易陷入局部极小的情况，提出了将遗传算法与BP网络相结合，训练时先用遗传算法对神经网络的权值进行寻找，将搜索范围缩小后，再利用BP网络来进行精确求解，不仅提高了收敛速度、还可以快速高效达到全局寻优，并且能有效避免陷入局部极小问题。（2）建立了一种新型的基于遗传优化的风电机组控制系统神经网络故障诊断模型，并利用风电机组控制系统的仿真采集到大量故障诊断所需数据，成功诊断出了文中所述的六种故障。仿真结果表明了该算法的有效性。
参考文献：
[1]侯国莲，张怡，张建华.基于形态学小波的传感器故障诊断.中国电机工程学报，2009年14期.
关键词：串口通信，RS-485半双工，通讯协议，参数设定
1. 概述
①传统模拟接口通讯
在此种应用方法中，PLC和变频器之间需要连接较多的导线，利用PLC的输出点去控制变频器的STF、STR、RM、RH、RL等端子，以实现电机的正转、反转以及多段速度控制。此种方法连线较多且不能完成变频器的平滑调速，须另加DA模块，成本较高；此外，要增加控制变频器的数量，除了要求PLC的输出点能够满足要求以外，还必须增加数倍烦琐的接线工作。
②RS-485通讯方法
使用RS-485通讯控制，仅通过一条通讯电缆连接，无须其他外部接线，不占用PLC的输出口。不但能完成原有功能，还能进行内部的数据通讯，可方便地从变频器中获取所驱动电动机的各种电参数如：运行频率、电流、电压、功率等等。配以人机界面的话，可将上述电参数直接显示在人机界面上。此外，还可方便增加控制变频器的数量，形成总线控制。
2. RS-485网上设备体系通讯简析
RS-485是从RS-422基础上发展而来的串行通讯接口标准，所以RS-485许多电气规定与RS-422相仿，是一种符合工业通讯标准的数据传输总线。它是美国电子工业协会（EIA）制定的平衡发送、平衡接收的标准异步串行总线。RS-485为半双工通讯，某一时刻两个站中，只有一个站可以发送数据，而另一个站只能接收数据，发送电路必须有使能端加以控制。RS-485串行通讯方式传输数据的线路少，易于实现和扩展，传输距离远，最大传输距离可达3000米；它的通讯速率高，数据最高传输速率为10Mbps；它还具有强抗干扰能力，软硬件支持丰富，与现场仪表接口简单等特点，目前已得到广泛应用。它易于实现一对多点的通讯，接口总线上可连接多达32个设备。RS485可以采用二线或四线方式。二线制可以实现真正的多点双向通讯，其中的使能信号控制数据的发送和接收。
3. 实训系统软硬件组成
实训系统硬件组成有：三菱FX2N-48MR PLC；FX-2N-485-BD通讯模块；三菱FR-A540变频器；F940GOT触摸屏；FX-232CAB-1和FX-500DU-DABO通讯线缆。软件组成有：FX-PCS/WIN-C PLC编程软件；FX-PCS-DU/WIN-C触摸屏编辑软件。在实训教学中，实习指导老师应将硬件的连线要求讲解清楚。同时，学生也应该提前熟悉以上编程软件的使用方法。
4. 变频器的通讯协议格式和参数设定方式
通信协议是通信双方按照一定的数据格式交换数据的一种约定，通信双方均按照这种格式进行发送和接收。通讯协议包括：1）从PLC到变频器的通讯请求数据；2）数据写入时，从变频器到PLC的应答数据；3）数据读出时，从变频器到PLC的应答数据；4）数据读出时，从PLC到变频器的发送数据。在PLC编程时，所有协议一定要严格按照通讯格式要求编写。
要实现通讯还需要对变频器的参数进行设置，如果没有进行初始化设定或有一个错误的设定，数据将不能进行传输。需要设置的参数号有：Pr.79、Pr.117~Pr.124。同时要注意：每次参数初始化设定完毕或更改参数以后，需要手动复位变频器，以使设置生效。
5. PLC编程
使用十六进制数，数据在PLC和变频器之间使用ASCII码传输。根据实训控制要求，以控制变频器正、反转和停止；读取变频器当前的运行频率；更改变频器的运行频率为实例，进行编程。
①选择数据模式
通过特殊继电器M8161来选择数据处理为16位模式还是8位模式。M8161=OFF为16位数据模式；M8161=ON为8位数据模式。此次设计中采用8位模式。
②设置通讯格式
通过特殊寄存器D8120来设置通讯格式。我们设置为D8120=H0C96。。此数据二进制为0110B，相关的数据含义为：7位数据长、偶校验、1位停止位、19.2k传输速率、无起始符、无终止符、调制解调器模式、无和校验。。该特殊寄存器D8120可采用MOV指令赋值，相关的指令为：MOV H0C96 D8120。
③通过RS指令进行发送和接收数据
RS指令是对串口进行初始化，定义数据发送和接收的区域范围，存放在数据寄存器D里面。相关的指令为：RSD10 K12 D30 K13。即定义D10~D21为数据的发送区，D30~D42为数据的接收区。
④通讯数据代码
根据变频器工作方式代码，进行变频器控制编程，相关的控制项目可在变频器通讯手册查阅。在编写这一段程序时，需要特别向学生说明：PLC向变频器发送数据时，相关的指令编写完毕，要手动使M8122置一，启动串行发送。。数据发送完毕，M8122是自动复位的；如果是变频器向PLC发送数据，特殊继电器M8123是自动置一开启发送串行数据的。数据接收完毕，编写相关的指令处理数据后，要将M8123手动复位。这一点在编程的时候要特别的注意。
⑤编制、运行程序
在分段讲解完各控制程序以后，实习指导老师应指导学生编制完整PLC控制程序，该程序要能实现变频器的正转、反转、停止、读取和更改变频器当前的运行频率。同时，让学生制作GOT画面，通过触摸屏和PLC控制变频器，显示当前的运行频率值。
6. 结束语
本文讨论了在实训教学中，三菱FX系列PLC与三菱A系列变频器进行RS-485通讯的编程方式和应用方法。通过对实训操作设备的改造与应用，去除了原有设备间复杂繁琐的连线，在编程方式上更加的深入了，充分地体现了工控设备间串行通讯的优点。有助于学生了解RS-485串行通讯方式，掌握三菱FX系列PLC与三菱A系列变频器串口通讯的方法。
参考文献：
[1] 梁耀光 余文烋 .《电工新技术教程》﹒ 中国劳动社会保障出版社
[2] 龚仲华 史建成 孙毅﹒《三菱FX/Q系列PLC应用技术》﹒ 人民邮电出版社
[3] 三菱公司﹒FX特殊功能应用模块用户手册
关键词：直升机；电动负荷操纵系统；分析
引言
飞行员进行飞行训练，人感系统对训练水平的影响很大，高逼真度的杆力特性模拟，可以使飞行员体会到与上天飞行中一样的操纵“手感”，飞行员的操纵动作，驾驶技巧也能得到良好的锻炼。相反，如果养成错误的操作习惯，不但没有起到地面培训的效果，反而会在空中飞行中产生风险隐患。
典型的负荷系统是由弹簧、阻尼筒组成的机械式系统，当飞行员操纵驾驶杆产生位移时，弹簧拉伸或压缩，反馈到驾驶杆的作用力，即为操纵杆力。选择不同刚度的弹簧，即可改变操纵系统的杆力-杆位移梯度，而改变阻尼筒，即可改变驾驶杆自由运动时的振荡阻尼。电动负荷系统的电机代替了弹簧阻尼系统，由自动控制设备控制电机的力输出，通过控制软件的精心设计，可以模拟出弹簧阻尼系统的力学特性。
1 系统结构
直升机的机动飞行是绕着3条轴线来转动的：横轴、纵轴和立轴。它可以绕纵轴做横滚运动，绕横轴做俯仰运动，绕立轴做航向运动[1]。同其他航空器一样，直升机在正副驾驶位置也可以是双套操纵装置，而有些直升机的副驾驶操纵装置还会被设计成可拆卸的，以便满足飞行的需要（见图1）。
电动负荷操纵系统主要包括机械、电气两大部分，如图2所示。其中机械部分包括主动杆手柄、减速器、连杆、支撑件、外壳等；电气部分包括控制器、电机、力传感器和位移传感器。力传感器测量主动杆手柄上的飞行员操纵力，位移传感器测量当前主动杆手柄的位移及电机转子位置。控制器根据力和位移传感器的反馈信号以及设定的系统模型参数控制电机的输出扭矩，最终通过减速器给主动杆手柄提供相应的动力或阻力。控制器与主控平台之间通过RS422总线通讯，实时收发系统指令及工作状态[3]。
1.1 周期变距杆负荷系统
周期变距杆负荷系统俯仰姿态回路原理如图3所示，电动负荷系统通过力传感器、机械传动装置，与驾驶杆相连接。
周期变距杆负荷系统滚转姿态回路原理如图4所示，电动负荷系统通过力传感器、机械传动装置，与驾驶杆相连接。
1.2总距杆负荷系统
总距杆负荷系统如图5所示。
1.3 脚蹬负荷系统
脚蹬负荷系统如图6所示。
2 各部件主要功能
2.1 加载系统
加载系统主要为驾驶杆上输出杆力，使得飞行员感受到逼真的杆力特性。本论文研究的加载系统是以电能为能量源的力输出系统，即核心为电机输出的扭矩。因此，电机工作模式应为力矩模式，产生的力矩通过钢索滑轮组或减速器等传动机构后传送至操纵杆端产生力反馈效果[4]。
2.2 控制器
控制器也称为人感计算机，为嵌入式计算机。为实现杆力特性模拟的高逼真度，需要进行高速迭代计算。相关研究论文表明，控制器的采样频率应不小于2000Hz。
2.3 传感器
电动式操纵负荷系统中传感器主要包括力传感器与位移传感器。力传感器主要用来测量负荷系统实际输出的负载力信号，与人感计算机计算输出理论力信号进行比较，用来进行力反馈控制，提高系统的力控精度。位移传感器主要是测量飞行员操纵驾驶杆的位移行程，通过控制器采集来计算负荷系统输出力的大小。
3 系统工作原理
下面描述一下该系统工作时的运行原理：
如图7所示，当飞行员对驾驶杆施加操纵力时，驾驶杆产生位移，此时位移传感器采得的即为飞行员操纵位移信号。人感计算机通过AD板卡采集位移信号，根据力函数模型，进行杆力计算。计算得到的杆力，即作为力控信号进入负荷系统，同时，电机输出的力与力传感器采集的力进行反馈控制，即形成力跟踪控制。输出的力通过连杆机构反馈到驾驶杆上，即给飞行员提供了模拟的杆力特性。同时操纵负荷系统负责实时将操纵位移信号传送给主仿真计算机，参与飞行动力学解算。
4结束语
直升机电动负荷操纵系统是现代先进直升机模拟器的关键设备，利用该系统，可以模拟出不同类型直升机的人感特性，对行员训练，加深飞行员的感知有重要的提升作用。本文对直升机电动负荷系统的关键部件和系统工作原理进行了介绍，该研究内容对于今后的工程化研制有着指导作用，通过对该系统的深刻理解，为今后的设计工作奠定了坚实的理论基础。
参考文献
[1]陈康，刘建新.直升机结构与系统[M].北京：兵器工业出版社，2007.
[2]高正，陈仁良.直升机飞行动力学[M].北京：科学出版社，2003.
[3]齐潘国.飞行模拟器液压操纵负荷系统力感模拟方法研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2009.
关键词：维修电工；项目；培训；考核
中图分类号：G817.5 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）45-0251-02
一、引言
21世纪是知识经济和信息经济的时代，经济全球化意味着生产的全球化、竞争的全球化，世界各国都在大力发展高新技术产业，先进的生产技术将对本国国民经济的发展产生着重要的影响，工业生产中劳动密集型产业正向着技术密集型产业转化。加入WTO后，我国的整体经济结构发生了深刻变化。自动化水平已成为一个国家或地区工业发展水平的重要标志。2015年，国务院印发《中国制造2025》，部署全面推进实施制造强国战略。这些都充分说明制造业，特别是现代化的、自动化的制造业已经成为我国中长期的发展重点，而维修电工技能人才是实现这一发展重点的重要保障。近两年，各地政府都提出了工业强市和加快工业转型升级的发展策略，其中装备制造就属于重点培育发展的新兴产业之一。从培训设备到培训项目等都较传统和陈旧，不利于新型的具备高技能水平和高职业素养的维修电工人才的培养。
本文首先介绍了自主研制的多功能分布式维修电工技能培训与考核设备，该设备由两个机柜组成，分别是主控机柜和受控机，每个机柜由不同模块构成，包括电源模块、触摸屏模块、PLC模块、变频器模块以及低压用电器自由组合模块等。随后，基于该设备的不同模块，设计了维修电工技能培训与考核项目。最后，将该设备应用于本校中、高级维修电工技能培训和考核中，取得良好效果。
二、设备介绍
1.设备总体。自主研制的多功能分布式维修电工技能培训与考核设备由一个主控机柜和一个受控机柜组成的，设备的组成框图如下所示。
2.主控机柜。主控机柜主要由电源模块、触摸屏模块、仪器仪表模块、PLC模块、变频器模块以及主令按钮和指示灯模块构成。这些模块的组成如下：（1）电源模块。电源模块由三相电源输出、单相电源输出、交流低压电源输出、直流低压电源输出等组成。由三相四线电源输入，接有漏电保护器，通过接触器的启动和停止按钮进行操作，并加入急停按钮，电源的输出设有短路保护。（2）触摸屏模块。触摸屏模块采用5.7英寸，直流24V的彩色触摸屏，配有通信下载编程电缆、触摸屏与变频器通信电缆以及触摸屏与PLC通信电缆，还配置了触摸组态软件。（3）PLC模块。PLC模块采用日本三菱PLC FX3U-32MR主机，模拟量模块为FX0N-3A模拟量模块（2入/1出），配有SC09下载线。利用专用导轨固定安装于主控机柜内部实训板上，主机开关量、模拟量接线端子均通过接线柱引到面板，通过走线槽引到主控机柜内部实训板中的专用接线端子上，可根据需要自由接线和布线，与实际的工业现场一致。（4）变频器模块。变频器模块拟采用日本FR-D720S-0.4K-CH变频器，具有RS485通信端口，配有变频器与PLC通信编程电缆，也可采用手动接线、布线的形式与PLC、电机模块等连接，实现PLC对变频器的控制以及变频器对电机模块的控制等。
3.受控机柜。受控机柜主要由低压用电器自由组合模块和电机模块构成。每个模块的设计方案如下：（1）低压用电器自由组合模块。低压用电器自由组合模块的底板由铁质网孔板构成，网孔板上可根据需要自由增减各种低压用电器，如接触器、继电器等，各低压用电器的布局也可根据实际自由布局。（2）电机模块。电机模块由各种电机及速度继电器构成，配有三相异步电机（带速度继电器）一台、三相异步电机一台、直流电动机一台。电机模块以导轨的方式安装于受控机柜中，不使用时在机柜内，使用时抽出，方便、牢固、美观。（3）航空插座软连接。主控机柜和受控机柜之间使用航空插座进行软连接，方便可靠有效。航空插座采用50组排线，在主控机柜和受控机柜端均连接至接线排上，使用时可根据实际情况自由选择线组。
三、项目的设计与设置
基于自主研制的多功能分布式维修电工技能培训与考核设备，以不同的模块为主体，设计与设置了维修电工技能培训与考核项目，具体如下。
1.以触摸屏模块为主体设计和设置的项目主要有触摸屏组态控制三相异步电机启停、触摸屏组态控制三相异步电机正反转、触摸屏组态控制三相异步电机运行时间、触摸屏组态控制变频器调速等。
2.以PLC模块为主体设计和设置的项目主要有十字路通灯控制的模拟、水塔水位控制的模拟控制、天塔之光的模拟实验、多种液体混合装置控制的模拟、五相步进电机的模拟控制、装配流水线控制的模拟、智能抢答器、LED数码显示控制、喷泉的模拟控制、三层电梯控制系统的模拟、PLC控制三相异步电机电机启停、PLC控制三相异步电机正反转、PLC控制三相异步电机带限位自动往返控制等。
3.以变频器模块为主体设计和设置的项目主要有变频器功能参数设置与操作、外部端子点动控制、设定频率运行、变频器控制电机正反转、多段速度选择变频器调速、外部模拟量（电压/电流）方式的变频调速控制、基于PLC模拟量控制变频开环调速、基于PLC通讯方式的变频开环控制等
4.以低压用电器自由组合模块为主体设计和设置的项目主要有三相异步电动机自锁控制线路、三相异步电动机点动控制线路、三相异步电动机的多地控制、接触器联锁的或者按钮联锁的三相异步电动机正反转控制线路、双重联锁的三相异步电动机正反转控制线路、Y-启动自动控制电路、单向减压启动及反接制动控制线路、三相异步电动机能耗制动控制线路、三相异步电动机的顺序控制、工作台自动往返控制线路、通电延时带直流能耗制动Y-启动控制线路等。
以上项目的设计与设置均以维修电工职业技能鉴定考试指南为指导，以维修电工职业标准为依据，涵盖了维修电工初级、中级、高级以及技师四个职业等级。其中，部分项目可单独在主控机柜或受控机柜上完成，大部分项目需通过航空插座进行软连接，由两机柜配合完成。
四、小结
本文介绍了自主研制的多功能分布式维修电工技能培训与考核设备，该设备由两个机柜组成，分别是主控机柜和受控机，每个机柜由不同模块构成，包括电源模块、触摸屏模块、PLC模块、变频器模块以及低压用电器自由组合模块等。依据维修电工职业资格标准，并基于该设备的不同模块，设计与设置了若干维修电工技能培训与考核项目，这些项目涵盖了维修电工初级、中级、高级以及技师四个职业等级。该设备和培训考核项目已在本校电类专业进行了一个学年的试用，同时作为维修电工中、高级技能培训及鉴定设备和项目进行了试用，均取得了良好的效果。
参考文献：
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