基于PLC的角度自動(dòng)調(diào)整裝置設(shè)計(jì)?

張 濤 路耀昌 宋建華

（海軍航空大學(xué)青島校區(qū) 青島 266041）

1 引言

某裝備的主要功能是通過燈箱中光源發(fā)出的光束為飛機(jī)提供一定角度的光信號(hào)，光束的角度由燈箱的偏轉(zhuǎn)角度決定，最初設(shè)計(jì)時(shí)只考慮保障單一型號(hào)的飛機(jī)，燈箱角度通過手動(dòng)方式進(jìn)行調(diào)整，在保障前將燈箱固定到相應(yīng)的角度即可，在保障過程中無需再調(diào)整燈箱角度。隨著保障任務(wù)的多樣性和復(fù)雜性不斷提高，目前該裝備需在一個(gè)任務(wù)周期內(nèi)保障多種型號(hào)的飛機(jī)，而不同型號(hào)的飛機(jī)對(duì)應(yīng)不同的燈箱偏轉(zhuǎn)角度。手動(dòng)方式調(diào)整燈箱偏轉(zhuǎn)角度，需要耗費(fèi)大量的人力，且準(zhǔn)備時(shí)間過長(zhǎng)，保障效率低下，已經(jīng)不能滿足當(dāng)前作戰(zhàn)的需求。因此，開展角度自動(dòng)調(diào)整裝置的設(shè)計(jì)。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2.1 控制對(duì)象分析

本裝置的研究對(duì)象是實(shí)驗(yàn)室中的某原理樣機(jī)，具體如圖1所示，控制對(duì)象具體為圖1中豎直方向的燈箱支架，燈箱支架可繞其轉(zhuǎn)軸進(jìn)行前后擺動(dòng)。所謂的角度自動(dòng)調(diào)整就是要對(duì)燈箱支架前后擺動(dòng)的角度進(jìn)行自動(dòng)控制，控制過程中假定燈箱支架在左右方向沒有任何偏轉(zhuǎn)。燈箱支架的重量約為20kg，前后擺動(dòng)的角度由機(jī)械擋塊限制在-12°～+12°之間。

圖1 某原理樣機(jī)

2.2 功能需求分析

根據(jù)裝備當(dāng)前的保障需求，結(jié)合原理樣機(jī)的實(shí)際情況，設(shè)計(jì)的角度自動(dòng)調(diào)整裝置應(yīng)滿足以下具體要求：

1）設(shè)定角可調(diào)：為在同一任務(wù)周期內(nèi)保障不同型號(hào)的飛機(jī)，燈箱支架偏轉(zhuǎn)角度可在其極限偏轉(zhuǎn)角度范圍-12°～+12°之間任意設(shè)定，設(shè)定角度方法要求方便快捷；

2）可自動(dòng)到位：為節(jié)省人力，采用自動(dòng)調(diào)整方式來代替原有的手動(dòng)調(diào)整方式，按下按鈕可使燈箱支架自動(dòng)到達(dá)設(shè)定角度；

3）位置精度高：根據(jù)裝備燈箱偏轉(zhuǎn)角度技術(shù)指標(biāo)的要求，燈箱支架實(shí)際位置與設(shè)定角度的偏差小于等于0.05°；

4）調(diào)整時(shí)間短：在保證位置精度的前提下，盡可能縮短調(diào)整時(shí)間，提高保障效率，調(diào)整時(shí)間要求不超過2min；

5）可到位自鎖：燈箱支架實(shí)際角度與設(shè)定角度偏差滿足精度要求，且能持續(xù)2s以上時(shí)間，應(yīng)立即停止運(yùn)動(dòng)，并且能夠鎖定當(dāng)前位置保持不變，避免燈箱支架因自身重力作用發(fā)生位置偏移；

6）可快速復(fù)位：當(dāng)保障任務(wù)完成后，不論燈箱支架所處位置如何，按下按鈕后燈箱支架可快速復(fù)位，使燈箱支架在20s內(nèi)回到初始豎直方向；

7）可監(jiān)測(cè)運(yùn)動(dòng)過程：為實(shí)現(xiàn)對(duì)燈箱支架運(yùn)動(dòng)全過程的掌握，要求能夠?qū)崟r(shí)顯示燈箱支架當(dāng)前的角度信息；

8）可手動(dòng)停止：在燈箱支架運(yùn)動(dòng)過程中，可通過按鈕隨時(shí)使燈箱支架立即停止運(yùn)動(dòng)；

9）避免大幅震蕩：燈箱支架運(yùn)動(dòng)過程應(yīng)平緩，防止出現(xiàn)大幅震蕩對(duì)燈箱支架造成損壞；

10）裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝方便，安裝時(shí)盡量不破壞現(xiàn)有原理樣機(jī)；

11）裝置工作可靠性高。

2.3 總體設(shè)計(jì)方案

基于上述功能指標(biāo)，角度自動(dòng)調(diào)整裝置選用PLC作為控制核心，并通過PLC的HMI設(shè)計(jì)軟件界面，通過軟件界面上的對(duì)話框和按鈕來實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的控制功能。選用電動(dòng)機(jī)作為燈箱支架的驅(qū)動(dòng)元件，通過PLC控制電機(jī)帶動(dòng)燈箱支架運(yùn)動(dòng)，使燈箱支架產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)角度，同時(shí)利用角度測(cè)量元件實(shí)時(shí)測(cè)量燈箱的角度信息，反饋至PLC系統(tǒng)，從而構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)，控制過程如圖2所示。

圖2 角度自動(dòng)調(diào)整裝置控制框圖

3 硬件設(shè)計(jì)

硬件設(shè)計(jì)主要從PLC控制器、電動(dòng)機(jī)和角度測(cè)量元件的選型進(jìn)行論證，并介紹整個(gè)裝置各組件之間的連接關(guān)系。

3.1 PLC控制器選型

PLC是針對(duì)工業(yè)控制設(shè)計(jì)的微控制器，具有可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、編程簡(jiǎn)單易學(xué)、安裝簡(jiǎn)單、維修方便、體積小、重量輕、豐富的I/O接口、擴(kuò)展能力強(qiáng)等特點(diǎn)。這些優(yōu)點(diǎn)使得PLC在自動(dòng)化生產(chǎn)制造等工業(yè)領(lǐng)域中得到了大量的應(yīng)用［1～3］。

本裝置選用西門子2013年推出的S7-1500系列PLC，無論是小型設(shè)備還是對(duì)速度和準(zhǔn)確性要求較高的復(fù)雜設(shè)備裝置，SIMATIC S7-1500控制器都一一適應(yīng)?？紤]到本裝置輸入輸出點(diǎn)數(shù)較少，利用緊湊型CPU自身集成的輸入輸出模塊即可滿足要求，最終選用1511C-1 PN緊湊型CPU，具體性能指標(biāo)如表1所示。

表1 CPU 1511C-1 PN性能指標(biāo)

3.2 角度測(cè)量元件選型

目前市面上常見的角度測(cè)量元件有角編碼器和傾角傳感器兩種。角編碼器是將角位移或直線位移轉(zhuǎn)化為電信號(hào)的設(shè)備，其測(cè)量精度高，但是價(jià)格高，同時(shí)一般直接安裝在旋轉(zhuǎn)軸上，對(duì)安裝要求較高，如果采用角編碼器作為燈箱支架的角度測(cè)量元件，安裝角編碼器就要對(duì)原理樣機(jī)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行破壞，與安裝方便的功能要求不相符；傾角傳感器是運(yùn)用慣性原理進(jìn)行測(cè)量角度的一種傳感器，又稱為傾斜儀或水平儀，經(jīng)常用于系統(tǒng)的水平角度變化測(cè)量，傾角傳感器使用簡(jiǎn)單、體積小、功耗低、安裝方便、經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，缺點(diǎn)是精度較角編碼器略低。綜合考慮測(cè)量精度和安裝條件，本裝置選用精度較高的傾角傳感器作為角度測(cè)量元件。對(duì)傾角傳感器相關(guān)的技術(shù)指標(biāo)要求如下。

1）測(cè)量精度

傾角傳感器的精度指標(biāo)應(yīng)該滿足裝置功能指標(biāo)的位置精度要求，即測(cè)量精度應(yīng)小于等于0.05°。

2）測(cè)量范圍

燈箱前后擺動(dòng)角度由機(jī)械擋塊限制為-12°～+12°，所以傾角傳感器的測(cè)量范圍應(yīng)大于等于-12°～+12°。

3）通信方式

傾角傳感器測(cè)量的角度值由PLC直接讀取，需要選擇與PLC相匹配的傾角傳感器通信方式。CPU1511C-1 PN模塊沒有自帶PROFIBUS接口，如果用RS485或者RS232串口通信方式，需要外接專門的PLC通信模塊，在經(jīng)濟(jì)上不是最優(yōu)選擇?？梢钥紤]利用PLC的模擬量輸入模塊采集傾角傳感器的讀數(shù)，因此，傾角傳感器的通信方式要與模擬量輸入模塊相匹配，為4mA～20mA電流通信方式，4mA和20mA電流分別對(duì)應(yīng)測(cè)量范圍角度的上限和下限，并且電流大小與角度成線性關(guān)系，可以根據(jù)測(cè)得的電流值轉(zhuǎn)化為實(shí)際角度值。

4）供電電壓

傾角傳感器的供電電壓選擇PLC相同的電壓DC24V，這樣在硬件連接時(shí)就不需要額外外接電源，較為方便，同時(shí)還可以實(shí)現(xiàn)傾角傳感器與PLC的共地連接，降低干擾影響。

綜合上述指標(biāo)要求，本裝置最終選用北微傳感生產(chǎn)的BWM428電流輸出雙軸傾角傳感器，技術(shù)指標(biāo)具體如表2所示。

表2 BWM428傾角傳感器技術(shù)指標(biāo)

3.3 電動(dòng)機(jī)選型

根據(jù)裝置安裝方便、盡量不破壞原理樣機(jī)且到位自鎖的功能要求，選用電動(dòng)推桿作為燈箱支架的驅(qū)動(dòng)元件，通過推桿把電機(jī)的圓周運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而推動(dòng)燈箱支架偏離豎直方向前后擺動(dòng)。對(duì)電動(dòng)推桿的技術(shù)要求如下。

1）行程選擇

電動(dòng)推桿擬安裝位置及相關(guān)尺寸具體如圖3所示，其底端固定在原理樣機(jī)底部平臺(tái)后部的安裝孔內(nèi)，頂端固定在燈箱支架后面底部橫梁的中間部位，其中燈箱支架轉(zhuǎn)軸距離支架底部橫梁中心的垂直距離為r=23.56cm，支架底部橫梁中心距底部平臺(tái)的垂直距離為a0=23.73cm，安裝孔中心距離支架底部橫梁的水平距離為b0=18.67cm。

圖3 電動(dòng)推桿安裝尺寸示意圖

根據(jù)電動(dòng)推桿的初始位置和極限位置來估算推桿的伸長(zhǎng)距離。電動(dòng)推桿的初始位置就是燈箱支架縱軸線在豎直方向時(shí)的位置，此時(shí)所需電動(dòng)推桿的長(zhǎng)度l0為

當(dāng)電動(dòng)推桿推動(dòng)燈箱支架運(yùn)動(dòng)時(shí)，電動(dòng)推桿頂部安裝位置就是轉(zhuǎn)軸為圓心，以半徑為r做圓周運(yùn)動(dòng)。電動(dòng)推桿的極限位置是燈箱支架縱軸線與豎直方向成12°夾角時(shí)的位置，此時(shí)推桿頂端距離底部平臺(tái)的垂直距離a1、距離安裝孔中心的水平距離b1、電動(dòng)推桿的長(zhǎng)度l1分別為

由此可得，電動(dòng)推桿的最大伸長(zhǎng)量為

綜上所述，選擇電動(dòng)推桿的長(zhǎng)度時(shí)，有效行程應(yīng)大于3.62cm，且推桿自身長(zhǎng)度與有效行程之和應(yīng)大于33.81cm。

2）推力選擇

由于燈箱支架的質(zhì)量約為20Kg，選擇電動(dòng)推桿的推力應(yīng)大于200N。

3）速度控制

根據(jù)其功能需求，能夠在2min內(nèi)調(diào)整到位，且20s快速復(fù)位，燈箱支架從初始位置至極限位置的最大伸長(zhǎng)量為3.62cm，由此可推算出推桿的速度范圍應(yīng)在0.3mm/s～1.8mm/s。

對(duì)于普通直流電機(jī)推桿來說，其標(biāo)稱最小速度一般大于5mm/s，雖然可以通過改變PWM的占空比來改變平均電壓的大小，進(jìn)而控制直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速。但是直流電機(jī)的轉(zhuǎn)向是通過雙極性PWM平均電壓的正負(fù)進(jìn)行控制的，由于CPU 1511C-1 PN自身集成的PWM通道是單極性的，用來控制直流電機(jī)的轉(zhuǎn)向不是很方便。而步進(jìn)電機(jī)通過脈沖的頻率來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，通過相序的調(diào)整來改變電機(jī)的轉(zhuǎn)向，利用CPU 1511C-1 PN自身集成的PTO通道以及步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器可以方便、精確地控制電機(jī)。綜合考慮，選用步進(jìn)電機(jī)作為推桿的驅(qū)動(dòng)元件。

4）供電電壓

為簡(jiǎn)化整個(gè)裝置的供電關(guān)系，電動(dòng)推桿的供電電壓依然選用與PLC供電電壓、傾角傳感器供電電壓相同的DC24V。

綜合考慮上述技術(shù)指標(biāo)，定制了步進(jìn)電機(jī)電動(dòng)推桿，技術(shù)指標(biāo)具體如表3所示。

表3 電動(dòng)推桿技術(shù)指標(biāo)

3.4 裝置整體連接

1）傾角傳感器的連接

傾角傳感器固定在燈箱支架頂部的平面上，安裝時(shí)保證安裝面平整，保證傳感器安裝面與被測(cè)面完全緊靠，同時(shí)應(yīng)保持傳感器底邊線與被測(cè)物體轉(zhuǎn)動(dòng)軸線平行，具體安裝如圖4所示。

圖4 傾角傳感器的機(jī)械連接

傾角傳感器的電氣接口關(guān)系如表4所示。將傾角傳感器的紅色線和黑色線分別與PLC電源模塊的電源正和電源地相連接，由于選用X軸測(cè)量方向，將傾角傳感器的白色線和灰色線分別接到PLC模擬量輸入模塊上的信號(hào)端和COM端。

表4 BWM428傾角傳感器電氣接線定義

2）電動(dòng)推桿的連接

電動(dòng)推桿的實(shí)際連接照片如圖5所示，電動(dòng)推桿先與步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器相連，驅(qū)動(dòng)器再與PLC相連，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)由PLC控制電動(dòng)推桿的目的。PLC與步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器之間的電氣連接選擇共陽極低電平有效接線方式，PLC的PTO通道的脈沖端子與驅(qū)動(dòng)器的脈沖控制信號(hào)PUL-相連，PTO通道的方向端子與驅(qū)動(dòng)器的方向控制信號(hào)DIR-相連。

圖5 電動(dòng)推桿機(jī)械連接圖

4 PLC軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)主要從硬件組態(tài)、人機(jī)界面設(shè)計(jì)、角度信息讀取、電機(jī)PID控制幾個(gè)方面進(jìn)行介紹。

4.1 硬件組態(tài)

包含機(jī)械的物理驅(qū)動(dòng)器在TIA Portal中映射為“軸”工藝對(duì)象。為此，需要組態(tài)“軸”工藝對(duì)象，根據(jù)電動(dòng)推桿的類型選擇軸類型為“線性”，如圖6所示。驅(qū)動(dòng)裝置類型選擇PROFIDRIVE，選擇激活的PTO通道Pulse_1作為驅(qū)動(dòng)裝置。然后對(duì)機(jī)械相關(guān)的參數(shù)和齒輪比，動(dòng)態(tài)默認(rèn)值，急停參數(shù)、軟硬限位設(shè)置、回零方式設(shè)置、位置監(jiān)控設(shè)置、控制回路等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，最后在“軸控制面板”中選擇“激活”按鈕，并“啟用”軸，軸工藝組態(tài)完畢［4～5］。

圖6 軸工藝組態(tài)界面

4.2 人機(jī)界面設(shè)計(jì)

在項(xiàng)目下添加新設(shè)備，選擇HMI，在SIMATIC面板下找到TP700 Comfort，點(diǎn)擊確定，連接PLC，選擇以太網(wǎng)，完成觸摸屏的硬件組態(tài)。在編輯界面添加相應(yīng)的按鈕、指示燈和對(duì)話框，并對(duì)每一個(gè)對(duì)象進(jìn)行功能編輯，設(shè)計(jì)的觸摸屏界面如圖7所示［6～7］，滿足裝置的功能需求，通過軟件界面既可以實(shí)時(shí)顯示燈箱支架的當(dāng)前角度，還可以點(diǎn)擊“查看趨勢(shì)圖”，得到實(shí)際的跟隨曲線，如圖8所示。

圖7 HMI軟件界面

圖8 角度跟隨趨勢(shì)圖

4.3 角度信息讀取

利用PLC第二個(gè)模擬量輸入通道采集傾角傳感器的模擬電流信息，再通過模擬量縮放轉(zhuǎn)換指令來將實(shí)時(shí)的角度信息采集到PLC程序內(nèi)，如圖9所示。該指令會(huì)把采集到的模擬量轉(zhuǎn)化為一個(gè)0～27648的數(shù)值，模擬量的大小和采集的電流值成正比例關(guān)系，模擬量0對(duì)應(yīng)電流值4mA，對(duì)應(yīng)的角度為-90°，而模擬量27648對(duì)應(yīng)電流值20mA，對(duì)應(yīng)的角度為+90°。再通過一定的比例變換就可以得知傾角傳感器采集的角度信息。

圖9 傾角傳感器采集程序

4.4 電機(jī)PID控制

對(duì)步進(jìn)電機(jī)采用經(jīng)典的PID方式進(jìn)行控制，在編程中具體采用FB41（CONT_C）和FB43（PULSE?GEN）兩個(gè)數(shù)據(jù)塊配合使用從而進(jìn)行對(duì)工藝對(duì)象的PID控制。

數(shù)據(jù)塊FB41（CONT_C）用于在SIMATIC S7可編程控制器上，控制帶有連續(xù)輸入和輸出變量的工藝過程，可以激活PID控制器的功能，以使控制器適合實(shí)際的工藝過程。數(shù)據(jù)塊FB43（PULSEGEN）用于構(gòu)造一個(gè)PID控制器，以生成脈沖輸出，在設(shè)計(jì)中和數(shù)據(jù)塊FB41一起使用。這兩個(gè)數(shù)據(jù)塊的參數(shù)設(shè)置分別如圖10和圖11所示。

圖10 數(shù)據(jù)塊FB41參數(shù)設(shè)置

圖11 數(shù)據(jù)塊FB43參數(shù)設(shè)置

由于無法對(duì)整個(gè)裝置建立精確的數(shù)學(xué)模型，采用臨界比例度法整定PID參數(shù)，即在純比例作用下，在控制系統(tǒng)中由大到小的改變調(diào)節(jié)器的比例度，來誘發(fā)出過程控制回路中的等幅振蕩，得到臨界振蕩過程，以得到所需要的臨界比例度和臨界周期的數(shù)值。然后再根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式，計(jì)算出調(diào)節(jié)器各參數(shù)的具體數(shù)值［8～12］。

將角度設(shè)定為3.5°，讓燈箱支架從0°～3.5°自動(dòng)進(jìn)行純比例作用下的調(diào)整，分別記錄下不同比例增益時(shí)的曲線，發(fā)現(xiàn)當(dāng)比例系數(shù)為100時(shí)，曲線近似為等幅震蕩，如圖12所示。

圖12 比例系數(shù)為100時(shí)等幅震蕩曲線

因此，測(cè)得的臨界比例度為0.01、臨界周期為10s，代入相應(yīng)公式計(jì)算得到PID控制器的比例系數(shù)為60，積分時(shí)間為5s，微分時(shí)間為1.25s，按計(jì)算得到的參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，得到圖像如圖13所示。

圖13 PID控制曲線

由圖13可得，燈箱支架運(yùn)動(dòng)曲線較為平穩(wěn)，且在1分鐘左右到達(dá)設(shè)定角度，燈箱支架到位后與設(shè)定之間的角度差值約為0.03°，小于所要求的0.05°，能夠滿足裝置的功能要求。

5 結(jié)語

本文利用PLC控制器、傾角傳感器和步進(jìn)電機(jī)電動(dòng)推桿構(gòu)建了一套某原理樣機(jī)的角度自動(dòng)調(diào)整裝置，利用PLC軟件編程設(shè)計(jì)了操作顯示界面，通過模擬量通道讀取傾角傳感器的實(shí)時(shí)角度信息，利用PTO通道對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行PID控制，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了裝置可在2min內(nèi)到達(dá)設(shè)定角度，且位置偏差小于0.05°，滿足設(shè)計(jì)功能要求，論證了某裝備角度自動(dòng)調(diào)整實(shí)現(xiàn)的可行性，并提供了技術(shù)途徑。