专利名称：水上牵引训练的控制方法及其可编程控制系统的制作方法
技术领域：
水上牵引训练的控制方法及其可编程控系统属于体育运动辅助训练技术领域。
由于它可变化牵引运动员在水中运动的速度，所以在游泳训练中达到以下三种目的1.可以使运动员以较高的速度运动，提高运动员对高速度的感知；2.可以让运动员在适当的牵引速度下无需用力，全身心地做好每一规范动作，校正不良泳姿；3.可让运动员在较低的牵引速度下，做反牵引下的水中力量训练，增大运动员的运动强度。
目前，在游泳水平较高的国家，这类水上牵引训练系统都是手动控制的速度的调节是断续的，而且不能提前设置，更无法记忆和显示；其起、停控制也是手动进行的，不能实现对速度的自动分段连续控制。
本发明所述的可编程控制系统的特征在于它既是一种使可编程控制器按预存的自动分段控制参数或按现场通过触摸屏设置的自动分段控制参数去控制变频电机，以调整水上牵引速度的自动控制方法，同时也是一种可在自动运行过程中对自动分段控制参数实施手动修改，并实时显示运行数据的自动控制方法。它依次含有以下步骤(1)初始化，即设置训练计划参数并存入可编程控制器设置泳程范围25～1500米；段数范围1≤段数≤60，每段均为25米；牵引速度范围(0.5～3.0)米/秒，以0.1米/秒为计数单位；间歇时间范围(0～600)秒，以1秒为计数单位；手动控制速度的单位±0.1米/秒；手动控制下对低速超界的锁定值0.5米/秒手动控制下对高速超界的锁定值3.0米/秒(2)判别是否采用原有存储运行参数若采用预存参数，则读出选定某一存储区中的自动分段控制参数，进行确定或修改；若不采用预存参数，则现场输入参数，逐一输入总泳程(或段数)及各自动分段控制参数段数n＝1，2，......N；每段牵引速度V＝V1，V2，......Vn；各段间歇时间t＝t1，t2，......tN-1(3)等待系统起动运行。当手动发出起动控制信号，系统进入运行状态。
(4)判别有无手动速度控制修改信号若有牵引速度的手动控制修正信号，则根据修改信号修正相关段的牵引速度；若无牵引速度的手动控制修正信号，则按可编程控制器内预设的自动分段控制参数运行，逐段地控制牵引速度和段间的间歇时间。
(5)判断有无手动停车信号若有手动停车信号，则系统可随即停止运行；若无手动停车信号，则运行达到自动分段控制参数规定的段数或泳程时，系统自动停止运行。
本发明所述的可编程控制系统的特征在于它含有可编程控制器，和该可编程控制器双向互连的手动控制盒，和该可编程控制器相连的智能触摸屏，依次和该可编程控制器的输出端相串接的数/模转换器，变频器和变频电机，安装在变频电机轴上且为可编程控制器反馈变频电机转数的旋转编码器，安装在主岸和对岸的机械牵引装置的牵引绳上方以实测牵引绳实际位置的两个光电传感器，以及固定在牵引绳上方可随牵引绳运动以判断牵引绳是在主岸岸边侧还是对岸岸边侧的一个随动挡板。
本发明所述的手动控制盒含有与可编程控制器手动控制信号输入端相连的四个常开按钮起动、停车、加速和减速按钮。
使用证明通过软件控制程序不但可以由教练员现场在触摸屏上设置多泳程的训练计划，还能调用过去存储的运行参数。牵引装置在运行中既可准确到岸自动暂停、自动反向运行、切换速度，也可记录往返运行段数、间隔时间；还可通过手动控制盒在运行过程中随意对预设速度进行修改；同时通过智能触摸屏界面实时监视运行状况。
图1.现有的水上牵引训练手动控制系统原理图。
图2.本发明提出的水上牵引训练控制方法的程序流程框图。
图3.图2所示的自动分段控制参数的程序流程框图。
图4.本发明的水上牵引训练自动控制系统原理图。
图5.本发明提出的水上牵引训练可编程控制系统的电路原理框图。
图6.图4中电路部件连接示意图。
具体实施例方式
本发明提出的水上牵引训练的控制方法中可编程控制器的程序流程图见图2和图3。其中，m+是手动加速控制时按钮的按动次数；m-是手动减速控制时按钮的按动次数。其控制是一个泳道。
在图4中，7、8分别是左、右支架，9是变频电机，10是旋转编码器，11是控制柜，12是手动控制盒，13、14分别是左、右两个光电传感器，15是随动挡板，16是辅助绳索，17是游泳池。
图5虚框内包括了与本发明有关的的各控制部件，它们分别是可编程控制器(PLC)采用的型号为日本松下公司生产的FPO-C32CT；数/模转换单元为可编程控制器的扩展单元，采用型号为FPO-A21；触摸屏采用型号为日本松下公司生产的GT10；变频器采用的型号为日本松下公司生产的VF-7F；旋转编码器采用的型号为某台湾公司生产的EMB-30；光电传感器采用的型号为日本欧姆龙公司生产的E3JK-DS30M；手动开关盒为自制产品。
图6标明了图5虚框内各控制部件间的连接关系。其中可编程控制器(PLC)的各接线端中Xi为输入端；COMx输入端的公共端；Yi为输出端；COMy为输出端的公共端。24V和地均为各控制部件的外接电源端。
在训练牵引器系统中加入可编程自动控制和手动控制两者兼容系统。这一部分主要由可编程控制器(PLC)、变频器、触摸屏智能面板和手动控制盒等组成。这也正是本产品优于当前世界上现行同类产品的所在之处。
用户通过触摸屏智能面板所构成的人机界面可以很方便地进行多泳段不同训练速度和间歇时间的参数设置；PLC将用户设置的泳程及各泳段的速度和间歇时间分别按顺序存入各自的数据寄存器组中；刚启动运行时段数设为1；每当牵引绳到达岸边，运行段数会自动加1，随即程序的地址指针将下1段的速度和间歇时间调出执行，以达到逐段连续运行的目的；其中速度参数经PLC的D/A转换单元变为0～5V模拟电压输出给变频器，由它转换为频率变化的控制信号，从而达到控制电机转速变化的目的；电机变化转速再经传动机构转变为钢缆水平牵引线速度，最终改变其牵引速度；主岸和对岸的到位传感器通过PLC和变频器，控制电机自动正向运行和反向运行；而间歇时间的参数变化值经PLC的逻辑输出端传给变频器，由它控制电机的起、停；而系统运行情况如每个泳道的正在运行的段数、速度和间歇时间等各种参数，均能通过触摸屏智能面板实时显示。
手动控制盒上包括启动、停车、加速、减速四个控制键，它们发出的逻辑控制信号都送入PLC，通过控制程序达到相应的控制目的启动和停车控制键分别控制牵引装置进入运行状态和紧急停车；在牵引绳行进过程中，每按一下加速(或减速)控制键均可将现行速度增加(或减少)0.1米/秒。为安全起见，手动控制对高、低速两个极限值有锁定功能，即速度调到0.5米/秒或3.0米/秒之后将被锁定，使之不会再向下变化。
可编程控制器一般只常用于顺序控制，虽然内部有程序存储区和数据存储区，但不具备数据库管理功能。为了满足用户可以随意调用原预存参数的要求，实现多泳段、多参数的数据库存储和调用功能，该系统人为将数据存储区分为三部分一部分是程序数据处理区；一部分是当前参数设置和运行区；再有一部分是参数存储区，并将其分为了以1～8序号命名的8个子存储区，每个存储子区最多可存储60段泳程的速度及间歇时间的控制参数。由于每个数据存储子区的首地址不同，使各区所存的数据都是相对独立的，用户若需将在当前设置区设置的数据通过“存盘”存入指定的区号内，即可根据所选区号，调出该区对应的数据区首地址，这组数据中的各泳段参数便以此首地址为地址指针，依次顺序存入该数据区内。“读取”时方法相同，只要选定区号，则可方便地将某区所存数据读取到所需的泳道当前数据区中，直接使用或进行部分修改。
为了保证运动员及牵引系统的安全性，该系统采用了多种容错措施，其中包括用触摸屏进行速度参数设置或用手动操作盒进行速度加、减调节的过程中，均有上、下限超限保护和错误提示，可有效地防止因速度过高造成人身伤害或因速度过低造成电机损坏；包括对用户输入错误的泳程参数加以提示；对用户错误的操作步骤加以警告；并在程序设计中加入互锁指令，保证在起动运行过程中不得对该泳道参数进行设置和修改等；当出现意外时可进行人工干预控制，可手动发出停车控制信号。
该牵引训练系统应用于25m长的游泳短池。为了保证牵引绳始终在传动轮下方往返运行(参见图4)，就要求系统中的电机当牵引绳每到达岸边时均能准确迅速地反向运行。当牵引速度较高时，由于惯性作用牵引绳会出现过冲，即停车命令发出后，系统并不能立即停车，而是随惯性冲出一段距离，而且传动系统采用的又是皮带和软钢丝绳，很难定位。这样往返几次累计下来则会出现较大定位误差。所以牵引绳到岸边的准确定位以及控制电机转向动作的提前量即成为该牵引系统能否安全可靠工作的关键问题。为此我们采用了两项定位措施一个措施是用旋转编码器提高位置调节精度。具体方法是在电机轴上安装一个同轴旋转编码器，电机每旋转一周它可产生几十个或上百个脉冲，传给PLC内部的高速计数器记录下来。设传动系统的转速比为5，电机每旋转一周旋转编码器可产生30个脉冲，这样悬挂牵引绳传动轮旋转一周就对应150个脉冲，由此可大大提高了牵引绳移动位置的调节精度。
另一个措施是用光电传感器实测牵引绳的实际位置。具体方法是主岸和对岸分别有一光电传感器，它实质是一种扩散反射型红外光电开关，在30cm的范围内有、无物体挡在它的前面，它可发出不同的开关信号。另外在牵引绳的上方固定一个随动挡板，它随牵引绳运动而运动，即每当随动挡板挡住光电传感器的光，均说明牵引绳已进入泳池岸边区域。而且其位置正好与牵引绳相对，牵引绳到达主岸，随动挡板则在对岸挡光。
通过软件控制程序，利用随动挡板的前沿进入挡光区及板的长度，可设定不同的电机反向的提前量；而利用随动挡板的后沿离开挡光区，还可以作为计数复位清零信号，以避免误差的累计。另外考虑到各泳道牵引机械和传动部分的力学特性不会完全相同，故牵引过程中的惯性力等各不相同；同时牵引的运动员因体重不同、泳姿不同、速度不同，使之带来的传动系统的惯性差距也很大。为了能将每个运动员都准确牵引到岸，经过反复测试后，我们采用各泳道、各速度运行到岸边前以不同的提前量提前减速的方式，达到平稳停车或平稳过渡，使惯性力的影响减至最小。正是由于这两种测位方法的合理配合使用，以及在控制程序上采用了一些补救措施，使得该系统较好地克服了上诉各种不利条件，达到了很好的定位效果。
本发明具有以下特点1.由于该系统采用了交流电机变频调速技术和可编程控制器(简称PLC)及触摸屏智能面板等先进的自动化控制设备，使得水上牵引器在全泳程(最长达1500m)范围内，以泳道长度25m(简称为段)为单位，很方便地实现段数及各段的速度、间歇时间的预设置。
2.该系统开设了8个参数存储区，可供用户存储8组不同的训练控制参数，便于随时读出直接或修改后使用。
3.全泳程可设定范围为25～1500米，以25米为最小单位；全泳程也可用段数来设置，段数可设定范围为1～60段，以1段为最小单位；牵引速度可设定范围为0.5～3.0米/秒，以0.1米/秒为最小单位；间歇时间设定范围为0～600秒，以1秒为最小单位。
4.为了适应训练过程中的不同需要，预设的速度参数在运行过程中还可随时通过手动方式以0.1米/秒为单位进行加、减修正。即该系统同时具有手动和自动两种控制方式。
5.由于可编程控制器对变频器及变频电机采用模拟量调节，使得牵引装置的电动传动系统可实现宽范围、多离散调节点(范围为0.5m/s～3.0m/s，变化单位为0.1m/s)的速度调节。
6.触摸屏智能面板具有人机对话的友好性、易操作性以及既可自动又可手动的灵活性。在系统运行过程中，它还同时对两条牵引线的运行状态、速度和间歇时间进行实时显示监控，即参数和信息的输入、显示合二为一。并具有结构紧凑、坚固耐用、密封防水等优点。
7.人机界面操作系统具有完善的系统容错功能，不但能随时提示用户输入参数错误和操作错误，及时发出系统故障报警信号，还能实时限制一些用户的错误操作可能引起的恶性故障的产生。
8.由于在电机控制系统中采用了光电传感器、旋转编码器来实现电机的定位往返行程控制，解决了长距离、皮带传动、惯量系数不定等不利条件下牵引系统的定位问题。
9.由于在控制程序中，对宽范围调速中的非线性和高速运行时系统的惯性进行相应的程序处理，使得系统能够达到较好的运行技术性能。
10.由于本牵引系统安装于专用游泳训练馆，馆内常年处于室温27℃、水温25℃、湿度80％以上的恶劣环境。所以该设备具有很好的防水、防湿等特点。
本发明推广的前景是很好的，适用性非常广，不但适用于专业和非专业的游泳训练场馆，还可用于多种水上娱乐性的运动设施，并还可以延伸应用于其它竞赛项目。
权利要求
1.水上牵引训练的控制方法，其特征在于它既是一种使可编程控制器按预存的自动分段控制参数或按现场通过触摸屏设置的自动分段控制参数去控制变频电机，以调整水上牵引速度的自动控制方法，同时也是一种可在自动运行过程中对自动分段控制参数实施手动修改，并实时显示运行数据的自动控制方法。它依次含有以下步骤(1)初始化，即设置训练计划参数并存入可编程控制器设置泳程范围25～1500米；段数范围1≤段数≤60，每段均为25米；牵引速度范围(0.5～3.0)米/秒，以0.1米/秒为计数单位；间歇时间范围(0～600)秒，以1秒为计数单位；手动控制速度的单位±0.1米/秒；手动控制下对低速超界的锁定值0.5米/秒手动控制下对高速超界的锁定值3.0米/秒(2)判别是否采用原有存储运行参数若采用预存参数，则读出选定某一存储区中的自动分段控制参数，进行确定或修改；若不采用预存参数，则现场输入参数，逐一输入总泳程(或段数)及各自动分段控制参数段数n＝1，2，......N；每段牵引速度V＝V1，V2，......Vn；各段间歇时间t＝t1，t2，......tN-1(3)等待系统起动运行。当手动发出起动控制信号，系统进入运行状态。(4)判别有无手动速度控制修改信号若有牵引速度的手动控制修正信号，则根据修改信号修正相关段的牵引速度；若无牵引速度的手动控制修正信号，则按可编程控制器内预设的自动分段控制参数运行，逐段地控制牵引速度和段间的间歇时间。(5)判断有无手动停车信号若有手动停车信号，则系统可随即停止运行；若无手动停车信号，则运行达到自动分段控制参数规定的段数或泳程时，系统自动停止运行。
2.根据权利要求1.所述的水上训练的方法，其特征在于所述的可编程控制器内部的数据存储区分为程序数据处理区、当前参数设置区和若干个参数存储区，用户在“存盘”和“读盘”时均用地址指针调出各存储区相应的数据区首地址完成存取操作。
3.根据权利要求1.所述的水上牵引的控制方法内提出的可编程控制器系统，其特征在于它含有可编程控制器，和该可编程控制器双向互连的手动控制盒，和该可编程控制器相连的智能触摸屏，依次和该可编程控制器的输出端相串接的数/模转换器、变频器和变频电机，安装在变频电机轴上且为可编程控制器反馈变频电机转数的旋转编码器，安装在主岸和对岸的机械牵引装置的牵引绳上方以实测牵引绳实际位置的两个光电传感器，以及固定在牵引绳上方可随牵引绳运动以判断牵引绳是在主岸岸边侧还是对岸岸边侧的一个随动挡板。
4.根据权利要求3.所述的水上牵引训练可编程控制系统，其特征在于所述的手动控制盒含有与可编程控制器手动控制信号输入端相连的四个常开按钮起动、停车、加速和减速按钮。
全文摘要
水上牵引训练的控制方法及其可编程控制系统属于体育运动辅助训练技术领域，其特征在于它既是一种使可编程控制器按预存的自动分段控制参数或按现场通过触摸屏设置的自动分段控制参数去控制变频电机，以调整水上牵引速度的自动控制方法，同时也是一种可在自动运行过程中对自动分段控制参数实施手动修改，并实时显示运行数据的自动控制方法；相应的提出了一个由可编程控制器、手动控制盒、触摸屏智能面板、D/A转换器、变频器、变频电机、旋转编码器和主、对岸两个光电传感器及随动挡板组成的可编程控制系统。它具有既可自动又可手动地连续调节牵引速度、并可按训练计划自动分段地控制训练参数、防止牵引速度超限、良好的人机界面、在训练过程中随意地手动调速，以及防水、防潮等优点。
文档编号G05B19/045GK1431030SQ0310267
公开日2003年7月23日 申请日期2003年2月14日 优先权日2003年2月14日
发明者孙晓瑛 申请人:清华大学