張 伏,王亞飛,徐銳良
(1.河南科技大學(xué)農(nóng)業(yè)裝備工程學(xué)院,河南 洛陽(yáng) 471003; 2.河南科技大學(xué)車輛與交通工程學(xué)院,河南 洛陽(yáng) 471003)
隨著制造業(yè)的快速發(fā)展和自動(dòng)化水平的提高,運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)研究顯得尤為重要。國(guó)外運(yùn)動(dòng)控制的研究較早,目前國(guó)外的運(yùn)動(dòng)控制器技術(shù)已發(fā)展到基于PC的運(yùn)動(dòng)控制器,且相關(guān)技術(shù)的產(chǎn)品已成為市場(chǎng)主流[1-3]。KUNG Ying-Shieh等[4]應(yīng)用DSP和FPGA開發(fā)了一種三軸運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng),由3臺(tái)DSP和1臺(tái)FPGA組成整體運(yùn)動(dòng)控制器。每個(gè)DSP執(zhí)行矢量控制、空間矢量脈寬調(diào)制和速度PI控制器的功能,F(xiàn)PGA執(zhí)行生成速度命令、與外部設(shè)備通信和與3個(gè)DPSs進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的功能,建立了試驗(yàn)系統(tǒng),并給出了速度階躍響應(yīng)和梯形軌跡跟蹤響應(yīng)的試驗(yàn)結(jié)果。易龍騰等[5]設(shè)計(jì)了一種升降橫移式立體車庫(kù)控制器的硬件系統(tǒng),該系統(tǒng)以數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)為核心、復(fù)雜可編程邏輯器(CPLD)為擴(kuò)展器件,并基于Multisim14對(duì)硬件系統(tǒng)的復(fù)位模塊和IPM驅(qū)動(dòng)模塊進(jìn)行了仿真分析,結(jié)果表明硬件電路可快速和準(zhǔn)確地傳輸信號(hào)。唐春蓬等[6]提出了按指數(shù)型加減速曲線控制步進(jìn)電機(jī)升降頻的方法,提高了步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)的定位精度。陳靖宇等[7]基于FPGA設(shè)計(jì)了模糊PID控制器來控制直流電機(jī)的速度,通過對(duì)平臺(tái)速度誤差e與誤差變化量ec的閉環(huán)控制,采用模糊推理機(jī)制,實(shí)現(xiàn)了非線性阻力的自適應(yīng)控制,仿真結(jié)果表明,模糊PID控制器滿足控制要求。廖高華等[8]設(shè)計(jì)的基于FPGA的自動(dòng)升降速離散控制,采用VHDL語(yǔ)言進(jìn)行設(shè)計(jì)輸入,能有效地生成具有各種升降速功能的速度方程,結(jié)果證明可顯著提高由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的性能。FANG Ning[9]重點(diǎn)研究了控制系統(tǒng)及其控制算法,并對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試,通過試驗(yàn)驗(yàn)證了系統(tǒng)的可靠性、運(yùn)動(dòng)過程的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性,以及運(yùn)動(dòng)控制算法的可行性。WEI Yanhong等[10]設(shè)計(jì)了一種具有上下運(yùn)動(dòng)、左右滾動(dòng)和前后俯仰3個(gè)自由度的新型平臺(tái)控制系統(tǒng),研究系統(tǒng)組成、工作原理和軟件設(shè)計(jì)方法,為保證高精度定位,采用PID控制算法,試驗(yàn)表明,采用PLC控制比例閥和換向閥時(shí),運(yùn)動(dòng)平臺(tái)穩(wěn)定。ZOU Can[11]基于PLC可編程邏輯芯片PLC和DSP作為數(shù)據(jù)處理中心,研究了多線程控制船舶裝配機(jī)器人運(yùn)動(dòng)自控系統(tǒng),系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果表明,船舶裝配機(jī)器人自動(dòng)控制的魯棒性好,船舶裝配機(jī)器人自動(dòng)控制的穩(wěn)定性高,自適應(yīng)能力強(qiáng)。石東東[12]設(shè)計(jì)了一種基于西門子PLC控制器的大型物體同步升降控制系統(tǒng),應(yīng)用表明,基于PLC的大型物體同步升降控制系統(tǒng)自動(dòng)化程度高。劉旭鵬等[13]研究了基于PLC的電動(dòng)升降臺(tái)控制系統(tǒng),電動(dòng)升降臺(tái)采用電動(dòng)推桿,拉線編碼器用于檢測(cè)推桿定位,觸摸屏控制各個(gè)推桿的升降,結(jié)果證明系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。
目前,大多是基于DSP和FPGA運(yùn)動(dòng)控制的研究,而基于PLC和MCGS觸摸屏的運(yùn)動(dòng)控制較少[14-15]。本文以西門子S7-200系列PLC222為核心,研究基于PLC和MCGS的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng),用位置控制模塊EM253對(duì)升降臺(tái)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)控制,用MCGS作為控制界面,操作人員通過控制人機(jī)界面上相應(yīng)的操作按鈕,控制系統(tǒng)中的自動(dòng)升降臺(tái)在垂直方向上移動(dòng)。
自動(dòng)升降臺(tái)系統(tǒng)示意如圖1所示。
1.手輪 2.支撐座 3.滑塊Ⅱ 4.支座 5.絲杠Ⅱ 6.滑動(dòng)桿 7.升降臺(tái) 8.滑塊Ⅰ 9.導(dǎo)軌 10.滑動(dòng)支架 11.步進(jìn)電機(jī) 12.絲桿Ⅰ 13.導(dǎo)向柱圖1 自動(dòng)升降系統(tǒng)示意Fig.1 Schematic diagram of automatic lifting system
升降臺(tái)控制系統(tǒng)的機(jī)械部分是一個(gè)自動(dòng)升降臺(tái),升降臺(tái)驅(qū)動(dòng)裝置包括由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)并豎直設(shè)置的絲杠Ⅰ和與升降臺(tái)滑動(dòng)連接的導(dǎo)向柱,升降臺(tái)在絲杠Ⅰ帶動(dòng)下沿導(dǎo)向柱做升降運(yùn)動(dòng),該升降臺(tái)上設(shè)有用于固定扭矩傳感器的支撐座和支撐座位置調(diào)節(jié)組件,支撐座位置調(diào)節(jié)組件包括一個(gè)絲杠Ⅱ和兩個(gè)滑動(dòng)桿,支撐座的底部設(shè)有與絲杠Ⅱ相配合的螺母及分別與兩個(gè)滑動(dòng)桿配合的滑塊Ⅱ,支撐座通過絲杠Ⅱ帶動(dòng)沿滑動(dòng)桿在垂直于滑動(dòng)支架移動(dòng)方向垂直向上移動(dòng)。該自動(dòng)升降臺(tái)工作時(shí),由控制系統(tǒng)對(duì)距離進(jìn)行傳感器檢測(cè)、分析和處理,并發(fā)出相應(yīng)的升降指令,由步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)升降臺(tái)動(dòng)作,最終使得升降臺(tái)到達(dá)其工作的準(zhǔn)確位置。
升降臺(tái)控制系統(tǒng)由S7-200系列PLC CPU222、位控模塊EM253、兩相步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和兩相四線步進(jìn)電機(jī)等部分構(gòu)成。在該系統(tǒng)中PLC為核心,位控模塊EM253輸出的脈沖信號(hào)、方向信號(hào)和使能信號(hào)送給步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器,通過步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器帶動(dòng)步進(jìn)電機(jī)對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行控制。控制系統(tǒng)電氣部分總體框圖如圖2所示。
圖2 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)電氣總體框圖Fig.2 General electrical diagram of motion control system
控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。硬件設(shè)計(jì)主要是PLC硬件的I/O分配設(shè)計(jì)和系統(tǒng)接線圖設(shè)計(jì);軟件設(shè)計(jì)主要包括EM253位控向?qū)Ш涂刂瞥绦颉?/p>
根據(jù)控制要求,PLC要在V區(qū)為EM253分配存儲(chǔ)空間,以及需要一個(gè)擴(kuò)展口,從經(jīng)濟(jì)和滿足系統(tǒng)要求兩方面考慮,選用S7-200系列的CPU222。輸入端口和輸出端口分配如表1~2所示。
表1 輸入端口分配Tab.1 Distribution of input port
表2 輸出端口分配Tab.2 Distribution of output port
運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的硬件選用S7-200系列的CPU222和微控模塊EM253,其硬件接線如圖3所示。
圖3 硬件接線Fig.3 Connection of hardware
利用EM253位控向?qū)?圖4)生成11個(gè)功能不同的控制子程序,為減少程序空間的占用,按照程序設(shè)計(jì)需求,選擇位控模塊子程序。POSx-CTRL用于自動(dòng)轉(zhuǎn)載模板已經(jīng)配置的運(yùn)動(dòng)參數(shù)和軌跡,使能和初始化EM253位控模塊匹配,POSO-RSEEK用于尋找參考點(diǎn),POSO-MAN用于控制升降臺(tái)向上還是向下運(yùn)動(dòng),POSO-GOTO使操作臺(tái)按照控制要求到達(dá)指定位置,通過調(diào)用子程序來完成運(yùn)動(dòng)控制。程序編寫控制流程和部分程序如圖5~6所示。
圖4 EM253位控向?qū)ig.4 Position control guide of EM253
圖5 程序編寫控制流程Fig.5 Flow of program control
圖6 梯形圖程序Fig.6 Ladder programs
MCGS組態(tài)軟件提供了解決實(shí)際工程問題的完整方案和開發(fā)平臺(tái),能完成現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集、實(shí)時(shí)歷史數(shù)據(jù)處理、報(bào)警和安全機(jī)制、流程控制、動(dòng)畫顯示、趨勢(shì)曲線、報(bào)表輸出及企業(yè)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)等功能[16-17]。
3.1.1 新建工程
進(jìn)入MCGS組態(tài)環(huán)境,建立用戶窗口分別為主界面和系統(tǒng)參數(shù),并設(shè)置主界面為啟動(dòng)窗口,如圖7所示。
圖7 新建工程圖Fig.7 New engineering drawing
3.1.2 定義變量
在MCGS組態(tài)軟件中,定義變量之前先對(duì)變量進(jìn)行分配。本系統(tǒng)的變量設(shè)置如表3所示。
表3 控制系統(tǒng)變量分配Tab.3 Variable distribution of control system
進(jìn)入“實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)”窗口頁(yè)定義變量,定義結(jié)果如圖8所示。
圖8 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)Fig.8 Real-time database
組態(tài)畫面設(shè)計(jì)分為畫面建立、畫面編輯和動(dòng)畫連接3個(gè)步驟。通過以上步驟,建立的組態(tài)畫面如圖9所示。
圖9 組態(tài)畫面Fig.9 Configuration diagram
在MCGS組態(tài)環(huán)境中,點(diǎn)擊下載,選擇USB通訊、連機(jī)運(yùn)行和點(diǎn)擊工程下載進(jìn)入環(huán)境。把建立的工程畫面下載到觸摸屏內(nèi),打開觸摸屏后觀察右下角的通訊狀態(tài)是否為“0”。通訊狀態(tài)不為“0”,說明MCGS與PLC通信錯(cuò)誤;通訊狀態(tài)為“0”,說明MCGS與PLC通信正常。點(diǎn)擊“參數(shù)設(shè)置”和“主界面”按鈕可對(duì)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。
打開“起停電機(jī)”按鈕,首先進(jìn)行手動(dòng)操作的調(diào)試,具體如下。
(1)手動(dòng)測(cè)距:按下可視化界面上面的“測(cè)距”按鈕。
(2)手動(dòng)上升:按下可視化界面中的“上升”按鈕即可控制平臺(tái)上升,在平臺(tái)上升的同時(shí)連續(xù)測(cè)量距離。
(3)手動(dòng)下降:按下可視化界面中的“下降”按鈕即可控制平臺(tái)下降,在平臺(tái)下降的同時(shí)連續(xù)測(cè)量距離。
調(diào)試自動(dòng)回目標(biāo)的情況:在目標(biāo)距離下方手動(dòng)輸入想要到達(dá)的距離,然后按“回目標(biāo)”按鈕,通過以上調(diào)試過程并觀察升降臺(tái)的運(yùn)行情況是否與設(shè)計(jì)要求一致,在運(yùn)行調(diào)試的過程中,通過完善使得系統(tǒng)的運(yùn)行情況與設(shè)計(jì)要求達(dá)到一致,升降臺(tái)的上下調(diào)整精度為1 mm,達(dá)到設(shè)計(jì)精度要求。升降臺(tái)實(shí)際安裝情況如圖10所示。
圖10 升降臺(tái)實(shí)際安裝情況Fig.10 Installation of lifting platform
本研究運(yùn)用西門子S7-200系列PLC、EM253和MCGS觸摸屏,完成了升降臺(tái)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。本升降臺(tái)的控制系統(tǒng)包括手動(dòng)模式和自動(dòng)回目標(biāo)兩種工作方式。利用MCGS組態(tài)軟件進(jìn)行了升降臺(tái)控制系統(tǒng)的組態(tài)設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)了升降臺(tái)控制過程的可視化,為運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)提供了設(shè)計(jì)基礎(chǔ),可為農(nóng)業(yè)機(jī)械用升降臺(tái)設(shè)計(jì)提供新思路。