游藝機(jī)控制系統(tǒng)的一種設(shè)計(jì)與應(yīng)用①

　　摘 要：一種大慣量游藝機(jī)的左右擺臂需作跟隨與同步控制，應(yīng)用S7-200PLC與直流調(diào)速裝置系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，達(dá)到載人游藝機(jī)的恒轉(zhuǎn)速、多速度等安全應(yīng)用及連貫運(yùn)動(dòng)效果。
　　關(guān)鍵詞：游藝機(jī) 控制系統(tǒng) S7-200PLC 直流調(diào)速 高速計(jì)數(shù)器 PPI通信
　　中圖分類號(hào):TB1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1672-3791(2011)08(b)-0004-01
　　
　　游藝機(jī)產(chǎn)品的控制系統(tǒng)在保障產(chǎn)品運(yùn)行安全、智能檢測(cè)、預(yù)防告知等自動(dòng)化控制中擔(dān)負(fù)著非常重大的作用。各種PLC、上位機(jī)、變頻器、直流調(diào)速器、傳感器等高新控制技術(shù)成功應(yīng)用于此。
　　陀螺類其中之一的“翻滾洗衣機(jī)”游藝機(jī)，以其使乘客瞬間產(chǎn)生4.7倍超重、360度翻滾而刺激。其主要特征是慣量大、左右自由臂需單獨(dú)驅(qū)動(dòng)又需同步運(yùn)轉(zhuǎn)、轎廂自轉(zhuǎn)等，經(jīng)設(shè)計(jì)評(píng)審決定控制系統(tǒng)以S7-200PLC為核心，編碼器應(yīng)用技術(shù)、直流調(diào)速驅(qū)動(dòng)裝置、直流電機(jī)驅(qū)力等組成。
　　
　　1 控制要求與設(shè)計(jì)思想
　　此游藝機(jī)的控制要求比較精準(zhǔn)，轉(zhuǎn)臂轉(zhuǎn)動(dòng)的角度要求一步到位并且迅速，而不能通過(guò)逐步調(diào)整的方式實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)到位—— 因?yàn)槟承﹦?dòng)作的完成需要借助轉(zhuǎn)臂開(kāi)始定位的初速，如果通過(guò)逐步調(diào)整的方式定位，轉(zhuǎn)臂的初速過(guò)小，無(wú)法保證后面動(dòng)作完成的質(zhì)量，并且負(fù)載大小出力都不相同。最重要在于兩臂的配合，如果兩臂角度存在偏差將大影響兩臂的出力，并且與其所處轉(zhuǎn)角存在一定關(guān)系。
　　1.1 模擬量控制直流電機(jī)組
　　使用模擬量輸出控制電機(jī)轉(zhuǎn)速可以輕松實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)臂的正反轉(zhuǎn)、快慢控制。而且這樣還解決了對(duì)于不同負(fù)載、轉(zhuǎn)臂角度對(duì)系統(tǒng)的影響：控制系統(tǒng)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，電機(jī)出力則由電機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)自整定。配合轉(zhuǎn)速控制方式的特點(diǎn)，在轉(zhuǎn)臂定位時(shí)能夠迅速完成，而不必由于定位并為保持轉(zhuǎn)臂而對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)提供一定的出力輸入，而由驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)自整定給出了，無(wú)疑要比控制系統(tǒng)的響應(yīng)及時(shí)性、精確性控制要有效得多。
　　在此控制系統(tǒng)方式中，轉(zhuǎn)速控制方式無(wú)疑要比力矩控制方式要優(yōu)勝得多：其轉(zhuǎn)向角度不受負(fù)載影響，直接由直流調(diào)速驅(qū)動(dòng)裝置直接調(diào)節(jié)完成。而力矩控制不單要隨著轉(zhuǎn)臂角度不斷改變對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的輸入值，還得根據(jù)不同負(fù)載對(duì)輸入值作出整定，控制系統(tǒng)必須是在檢測(cè)到轉(zhuǎn)臂發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)后才能動(dòng)作并調(diào)整電機(jī)出力，一旦調(diào)整幅度過(guò)大或過(guò)小將產(chǎn)生超調(diào)，定位精度無(wú)法保證，系統(tǒng)的再次反向調(diào)整，也將形成振蕩，對(duì)定位控制變得復(fù)雜。
　　1.2 編碼器與傳感器結(jié)合的轉(zhuǎn)臂檢測(cè)
　　編碼器定位解決了對(duì)于轉(zhuǎn)臂角度的全程檢測(cè)問(wèn)題，這個(gè)優(yōu)點(diǎn)是接近開(kāi)關(guān)檢測(cè)所不具備。由于編碼器是直接接到電機(jī)的轉(zhuǎn)軸上，應(yīng)用S7-200的高速計(jì)數(shù)器可以高精度地檢測(cè)轉(zhuǎn)臂的角度，哪怕轉(zhuǎn)動(dòng)只一度，在PLC中的高速計(jì)數(shù)器也能準(zhǔn)確反映，這樣就為轉(zhuǎn)臂的精準(zhǔn)定位提供了依據(jù)，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)臂的精度定位檢測(cè)，而且為解決兩轉(zhuǎn)臂之間的精準(zhǔn)配合控制提供了途徑—— 控制系統(tǒng)可以根據(jù)兩轉(zhuǎn)臂的轉(zhuǎn)動(dòng)角度適當(dāng)調(diào)整兩轉(zhuǎn)臂的轉(zhuǎn)速，使兩者的動(dòng)作通過(guò)兩臂計(jì)數(shù)器數(shù)值的差別調(diào)整模擬量控制輸出，使運(yùn)動(dòng)快了的臂減速、慢了的臂加速，達(dá)到兩者動(dòng)作一致。
　　利用接近開(kāi)關(guān)的信號(hào)在計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)超過(guò)一定范圍時(shí)作清零處理，重新作計(jì)數(shù)確定轉(zhuǎn)角。將兩者結(jié)合起來(lái)檢測(cè)，使得系統(tǒng)對(duì)轉(zhuǎn)臂角度的檢測(cè)是連續(xù)性的，而且能夠?qū)⒄`差控制在一定的范圍內(nèi)。
　　1.3 主控與座艙的PPI通信
　　座艙上有較多檢測(cè)信號(hào)，如果直接引回主控制系統(tǒng)難以實(shí)現(xiàn)—— 過(guò)多的線路無(wú)法拉回地面控制系統(tǒng)。這些檢測(cè)信號(hào)直接經(jīng)銅環(huán)傳回主控制PLC，不單要使用大量的銅環(huán)，而且由于銅環(huán)連接本身的特點(diǎn)造成檢測(cè)信號(hào)極易受干擾。為此設(shè)備設(shè)計(jì)時(shí)跳出了這個(gè)常規(guī)：通過(guò)PPI通信的方式將主控制系統(tǒng)與座艙控制系統(tǒng)的指令、檢測(cè)信號(hào)相互傳送，最終作出一定的控制輸出動(dòng)作。
　　這方案不單解決了信8eCqVub2C8CutIq8alJM2QpjhoK3t+VOnHoarAKOdSE=號(hào)傳送的線路問(wèn)題—— 只要兩條通信線即可解決；而且還能有效地解決信號(hào)的干擾問(wèn)題，因?yàn)樾盘?hào)是通過(guò)兩PLC之間的通信傳送的，PLC系統(tǒng)自己處理了信號(hào)的干擾，并對(duì)通信數(shù)據(jù)作出校驗(yàn)，編程時(shí)只要讓PLC只處理校驗(yàn)正確的信號(hào)就可以避免引入干擾信號(hào)。
　　1.4 電氣、機(jī)械連鎖機(jī)制
　　壓桿動(dòng)作的氣路作多重連鎖，防止誤動(dòng)作。電氣上對(duì)壓桿的打開(kāi)作出多重檢測(cè)確認(rèn)：主控制PLC檢測(cè)到打開(kāi)條件達(dá)到對(duì)主控制臺(tái)操作開(kāi)關(guān)開(kāi)放使能，操作開(kāi)關(guān)有效，但還需操作人員雙重確認(rèn)打開(kāi)氣路動(dòng)作、座艙控制開(kāi)關(guān)開(kāi)放使能操作控制開(kāi)關(guān)，PLC系統(tǒng)才會(huì)發(fā)出對(duì)應(yīng)動(dòng)作信號(hào)。兩者之中的一個(gè)單獨(dú)操作都設(shè)為沒(méi)效。
　　為防止電氣控制回路的控制觸點(diǎn)被意外接通造成控制系統(tǒng)沒(méi)信號(hào)但閥體卻意外動(dòng)作，氣路中還串入了一手動(dòng)的機(jī)械閥，實(shí)現(xiàn)機(jī)械與電氣的連鎖：沒(méi)操作人員的最終確認(rèn)后并打開(kāi)手動(dòng)的機(jī)械閥，氣動(dòng)回路的氣源還處于被切斷狀態(tài)。
　　
　　2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
　　根據(jù)以上系統(tǒng)的控制要求，及設(shè)計(jì)規(guī)范、準(zhǔn)則，采用了S7-200系統(tǒng)分別作為此游藝機(jī)的主控核心、轎廂檢測(cè)系統(tǒng)。同時(shí)由于S7-200系列PLC結(jié)構(gòu)擴(kuò)展模塊種類齊備、性能可靠等高性價(jià)比產(chǎn)品；功能齊全、指令豐富能幫助實(shí)現(xiàn)對(duì)特殊信號(hào)的處理；具有強(qiáng)大的通訊和組網(wǎng)能力。
　　控制系統(tǒng)以S7-200PPI通訊作為核心：主PLC接收控制信號(hào)及檢測(cè)開(kāi)關(guān)的信號(hào)對(duì)相應(yīng)機(jī)構(gòu)作出動(dòng)作與否，通過(guò)PPI網(wǎng)絡(luò)接收轎廂PLC的信息及向其發(fā)出命令；主PLC通過(guò)模擬量輸出控制轉(zhuǎn)臂驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)臂；主PLC接收編碼器的脈沖信號(hào)與檢測(cè)開(kāi)關(guān)信號(hào)對(duì)兩轉(zhuǎn)臂作出邏輯運(yùn)算并作校正。轎廂PLC接收座艙檢測(cè)開(kāi)關(guān)的信號(hào)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳送回主站；接收主PLC的指令控制轎廂的機(jī)構(gòu)動(dòng)作。
　　
　　3 程序設(shè)計(jì)
　　結(jié)合設(shè)備的預(yù)設(shè)動(dòng)作情況—— 設(shè)備動(dòng)作時(shí)具體的檢測(cè)信號(hào)變化及動(dòng)作的連貫性要求，程序采用順序控制方式：以設(shè)備分解動(dòng)作為控制次序，上一動(dòng)作控制完成后觸發(fā)進(jìn)入下一動(dòng)作控制。這樣跳出不同動(dòng)作時(shí)可能存在的檢測(cè)機(jī)構(gòu)信號(hào)相同但要求動(dòng)作不同的限制，動(dòng)作控制更加靈活、可靠。
　　
　　4 應(yīng)用結(jié)果
　　控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)兩轉(zhuǎn)臂的精確控制與速度同步，以滿足實(shí)現(xiàn)復(fù)雜并連貫性動(dòng)作的要求；控制系統(tǒng)的讀寫(xiě)網(wǎng)絡(luò)通訊功能節(jié)省了大量布線的工藝性，對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、信號(hào)采集與處理提供了有力保障；功能齊全、指令豐富的軟件為編寫(xiě)各種控制要求程序提供了靈活多樣性；完善的網(wǎng)絡(luò)資源對(duì)技術(shù)的支持性便利性等。
　　
　　參考文獻(xiàn)
　　[1]S7-200 PLC系統(tǒng)手冊(cè).
　　[2]GBT 2043