基于NX運(yùn)動(dòng)控制器的三維太空環(huán)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

侯芮彬,徐世許,肖克,宮志強(qiáng)

(青島大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院,山東 青島 266071)

0 引言

現(xiàn)在三維太空環(huán)在科技體驗(yàn)館和游樂(lè)場(chǎng)所中得到普遍使用。常見(jiàn)的三維太空環(huán)不具備數(shù)據(jù)記錄功能,不能實(shí)時(shí)記錄和顯示設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù),導(dǎo)致設(shè)備運(yùn)行情況不明。實(shí)物見(jiàn)圖1,設(shè)備結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 三維太空環(huán)

圖2 設(shè)備結(jié)構(gòu)

本文所研究的三維太空環(huán)監(jiān)控系統(tǒng)將保證設(shè)備運(yùn)行中速度控制精度高,調(diào)速范圍廣,運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程平穩(wěn),提供了超速等多種報(bào)警提示,大大提高了設(shè)備運(yùn)行的可靠性和安全性。工作人員可以通過(guò)觸摸屏,根據(jù)游客的承受能力隨時(shí)修改運(yùn)行速度和運(yùn)行時(shí)間,操作方便靈活,實(shí)現(xiàn)了人機(jī)交互的功能[1]。

1 監(jiān)控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

監(jiān)控系統(tǒng)包括運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)和上位機(jī)監(jiān)視系統(tǒng)兩部分。

1.1 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)需求分析

控制面板由觸摸屏、啟動(dòng)按鈕、停止按鈕等組成,實(shí)現(xiàn)設(shè)備啟停、手動(dòng)/自動(dòng)模式選擇等操作并設(shè)置有聲光報(bào)警,實(shí)現(xiàn)在出現(xiàn)故障時(shí)自動(dòng)報(bào)警功能。本系統(tǒng)擁有信息顯示功能,如實(shí)時(shí)速度、正轉(zhuǎn)次數(shù)和反轉(zhuǎn)次數(shù)等,同時(shí)能夠在觸摸屏上對(duì)設(shè)備的運(yùn)行速度、運(yùn)行時(shí)間等參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié),以適應(yīng)不同游客體驗(yàn)?？刂葡到y(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 三維太空環(huán)硬件結(jié)構(gòu)

1.2 上位機(jī)監(jiān)視系統(tǒng)需求分析

三維太空環(huán)運(yùn)行時(shí),上位機(jī)實(shí)時(shí)從控制器獲取參數(shù)。在三維太空環(huán)設(shè)備開機(jī)時(shí),監(jiān)視系統(tǒng)可以自動(dòng)從控制器獲取需要的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)并從上位機(jī)中獲取到具體時(shí)間,然后存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)[2]。系統(tǒng)支持以折線圖形式顯示實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),提高數(shù)據(jù)的可視化,同時(shí)用戶可以在網(wǎng)頁(yè)端進(jìn)行數(shù)據(jù)查詢、刪除等操作[3]。

1.3 通信協(xié)議

EtherCAT運(yùn)行原理如圖4所示,主站可以向從站發(fā)送和接收?qǐng)?bào)文,這種數(shù)據(jù)傳送方式大大提高了傳輸效率,提高了數(shù)據(jù)利用率。系統(tǒng)中EtherCAT通信網(wǎng)絡(luò)主要用于NX運(yùn)動(dòng)控制器和伺服驅(qū)動(dòng)器之間的通信,其中NX運(yùn)動(dòng)控制器當(dāng)作主站,伺服驅(qū)動(dòng)器當(dāng)作從站。

FINS協(xié)議的會(huì)話有一次請(qǐng)求幀,請(qǐng)求幀中附帶著發(fā)起方的節(jié)點(diǎn)參數(shù)。運(yùn)動(dòng)控制器端會(huì)確認(rèn)并將自己的節(jié)點(diǎn)參數(shù)返回給請(qǐng)求方。由FINS Header、FINS Command Code和FINS Command Data組成,詳細(xì)結(jié)構(gòu)如圖5和圖6所示。

圖5 FINS指令幀結(jié)構(gòu)

圖6 FINS響應(yīng)幀結(jié)構(gòu)

1.4 關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題

在系統(tǒng)通信方面,由于在現(xiàn)場(chǎng)需要觸摸屏實(shí)時(shí)控制,因此采用EtherNet/IP通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)觸摸屏和運(yùn)動(dòng)控制器通信。因?yàn)樯衔粰C(jī)監(jiān)視系統(tǒng)的功能包括從控制器中采集數(shù)據(jù),本系統(tǒng)利用FINS通信方式實(shí)現(xiàn)了上位機(jī)與控制器通信。因?yàn)镕INS通信是以EtherNet/IP為基礎(chǔ),所以可以通過(guò)EtherNet/IP線纜相連。具體通信流程如圖7所示。

圖7 監(jiān)控系統(tǒng)通信流程

在運(yùn)動(dòng)控制方面為保證系統(tǒng)安全可靠,要求三維太空環(huán)運(yùn)行速度不能太快,必須在后臺(tái)限制速度最大值。由于設(shè)備運(yùn)行時(shí)慣性太大,容易導(dǎo)致設(shè)備超速,必須監(jiān)控設(shè)備實(shí)時(shí)速度。本系統(tǒng)中選擇速度控制+邏輯控制策略控制設(shè)備運(yùn)行,而且編寫了各部分運(yùn)動(dòng)控制程序。

2 運(yùn)動(dòng)控制策略

速度控制是指以指定速度連續(xù)移動(dòng)軸的功能。速度控制過(guò)程中,如果多重啟動(dòng)其他運(yùn)動(dòng)控制指令后發(fā)生中斷,則達(dá)到目標(biāo)速度后切換動(dòng)作[4];邏輯控制是指經(jīng)過(guò)程序判斷當(dāng)前選擇的運(yùn)行模式和是否滿足其他運(yùn)行條件,來(lái)決定設(shè)備如何運(yùn)行。

在MC功能模塊中指定目標(biāo)位置,以達(dá)到將伺服驅(qū)動(dòng)器指定為位置控制模式的目標(biāo)速度。MC功能模塊依靠指令的分析結(jié)果按一定周期執(zhí)行運(yùn)動(dòng)運(yùn)算,生成針對(duì)位置接口單元(脈沖輸出單元)的指令值,生成的指令值為目標(biāo)位置、目標(biāo)速度。將生成的指令值當(dāng)作脈沖串輸出至伺服驅(qū)動(dòng)器,伺服驅(qū)動(dòng)器根據(jù)脈沖串的指令值執(zhí)行位置環(huán)控制、速度環(huán)控制。速度控制分析如圖8所示。

圖8 速度控制分析

2.1 NX運(yùn)動(dòng)控制器通信配置

本系統(tǒng)采用NX102自帶的以太網(wǎng)端口實(shí)現(xiàn)控制器、上位機(jī)和觸摸屏之間的有效通信,選擇EtherNet/IP協(xié)議實(shí)現(xiàn)控制器和觸摸屏通信,選擇FINS協(xié)議實(shí)現(xiàn)上位機(jī)和控制器通信,利用1根網(wǎng)線就能夠很簡(jiǎn)單地進(jìn)行通信[5]。

2.2 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

主程序選擇使用常用的順序控制,從三維太空環(huán)設(shè)備的控制要求方面考慮,控制系統(tǒng)程序主要包括手動(dòng)程序、自動(dòng)程序、報(bào)警輸出程序等設(shè)計(jì)。

手動(dòng)程序主要實(shí)現(xiàn)了正轉(zhuǎn)點(diǎn)動(dòng)、反轉(zhuǎn)點(diǎn)動(dòng)和回原點(diǎn)3個(gè)功能。

自動(dòng)模式能讓設(shè)備連續(xù)自動(dòng)旋轉(zhuǎn),簡(jiǎn)化工作人員工作量,在自動(dòng)模式中,設(shè)備能按照工作人員設(shè)置的運(yùn)行速度、運(yùn)行時(shí)間、總時(shí)間、準(zhǔn)備時(shí)間等參數(shù)運(yùn)行。

超速報(bào)警能保證三維太空環(huán)安全運(yùn)行,當(dāng)判斷圈數(shù)是否匹配時(shí),實(shí)際圈數(shù)通過(guò)安裝在設(shè)備原點(diǎn)的接近傳感器所得,每轉(zhuǎn)1圈會(huì)接收1次信號(hào),電機(jī)圈數(shù)通過(guò)電機(jī)所轉(zhuǎn)的角度得到。圈數(shù)差或者速度差大于設(shè)定值后,設(shè)備報(bào)警。報(bào)警輸出部分程序如圖9所示。

圖9 報(bào)警輸出程序

本系統(tǒng)中可以直接通過(guò)功能塊獲取運(yùn)行時(shí)間、運(yùn)行速度等需要傳輸?shù)淖兞恐?而通過(guò)功能塊獲取的轉(zhuǎn)矩值變化復(fù)雜,并且變化范圍大,因此需要做一定的處理,再將值傳輸?shù)接|摸屏顯示,以便觀察轉(zhuǎn)矩變化,處理后的轉(zhuǎn)矩為

(1)

式中:Trq,rea為顯示的處理后的轉(zhuǎn)矩值;Trq為通過(guò)功能塊獲取的實(shí)際轉(zhuǎn)矩值;19Nm為伺服電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩,除以100是求其百分比。

3 上位機(jī)監(jiān)視系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由于設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)是通過(guò)監(jiān)測(cè)伺服電機(jī)的運(yùn)行數(shù)據(jù)所得并存儲(chǔ)在控制器中,因此上位機(jī)從控制器中采集數(shù)據(jù)。上位機(jī)監(jiān)視系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了相應(yīng)數(shù)據(jù)庫(kù),以便實(shí)現(xiàn)運(yùn)行數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、刪除、查詢、分析等功能[6]。

3.1 運(yùn)動(dòng)控制器數(shù)據(jù)采集

上位機(jī)監(jiān)視系統(tǒng)和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的運(yùn)動(dòng)控制器之間使用FINS/TCP協(xié)議實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互,上位機(jī)監(jiān)視系統(tǒng)和運(yùn)動(dòng)控制器直接連接在同一局域網(wǎng),從運(yùn)動(dòng)控制器中采集數(shù)據(jù),然后把數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)并傳輸給上位機(jī)。通過(guò)FINS指令編程實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制器與上位機(jī)的數(shù)據(jù)交互方法經(jīng)過(guò)了連接、斷開連接、獲取狀態(tài)、寫入和讀取5步。

3.2 數(shù)據(jù)庫(kù)配置

在配置服務(wù)器后建立了相應(yīng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)表,本系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)表存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)包括游客姓名和設(shè)備的實(shí)時(shí)速度、實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)矩、旋轉(zhuǎn)方向、運(yùn)行時(shí)間等,游客姓名是工作人員在網(wǎng)頁(yè)上輸入之后存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù),運(yùn)行數(shù)據(jù)是上位機(jī)從控制器中采集獲得。

3.3 上位機(jī)程序設(shè)計(jì)

軟件程序架構(gòu)可以決定系統(tǒng)程序的主體結(jié)構(gòu)、宏觀特性以及擁有的基本功能,因此,本系統(tǒng)按照具體要求采用了3層架構(gòu),加快了開發(fā)進(jìn)度,提高了程序合理性。

用戶登錄時(shí)需要完成用戶名與密碼的校對(duì),用戶每次進(jìn)入上位機(jī)監(jiān)視系統(tǒng)時(shí)會(huì)被要求填寫密碼。

在網(wǎng)頁(yè)端實(shí)現(xiàn)了對(duì)數(shù)據(jù)的查詢操作,查詢是上位機(jī)監(jiān)視系統(tǒng)的關(guān)鍵功能。查詢結(jié)果從設(shè)定的查詢時(shí)間的第一條記錄數(shù)據(jù)開始顯示,查詢完成后會(huì)顯示相關(guān)數(shù)據(jù),并且可以導(dǎo)出數(shù)據(jù)保存在計(jì)算機(jī)上。

4 系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果

在上位機(jī)打開數(shù)據(jù)庫(kù),查詢?cè)O(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)表,執(zhí)行結(jié)果如圖10所示,由此可以看出設(shè)備啟動(dòng)瞬間上位機(jī)監(jiān)視系統(tǒng)便采集了1次數(shù)據(jù),以后每隔1 s采集1次數(shù)據(jù)。

圖10 三維太空環(huán)運(yùn)行數(shù)據(jù)表

上位機(jī)監(jiān)視系統(tǒng)獲取到設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)并生成折線圖,得到圖11—圖13所示的速度和轉(zhuǎn)矩分析圖。通過(guò)圖中的轉(zhuǎn)矩變化折線圖可以得到每個(gè)時(shí)刻游客受到的沖擊力大小,其中轉(zhuǎn)矩來(lái)回波動(dòng)的情況是三維太空環(huán)上下旋轉(zhuǎn)引起的。由折線圖可以看出,二維、三維交替旋轉(zhuǎn)和三維旋轉(zhuǎn)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的轉(zhuǎn)矩要比二維旋轉(zhuǎn)時(shí)的轉(zhuǎn)矩要大,說(shuō)明游客受到的沖擊力在二維、三維交替和三維旋轉(zhuǎn)比二維旋轉(zhuǎn)更大,體驗(yàn)感更強(qiáng)。

圖11 二維旋轉(zhuǎn)速度和轉(zhuǎn)矩分析

圖12 二維三維交替旋轉(zhuǎn)速度和轉(zhuǎn)矩分析

圖13 三維旋轉(zhuǎn)速度和轉(zhuǎn)矩分析

由圖11—圖13可以看出,在運(yùn)動(dòng)控制器、伺服電機(jī)和伺服驅(qū)動(dòng)器的配合下,設(shè)備在進(jìn)入勻速狀態(tài)后能夠平穩(wěn)地運(yùn)行,上位機(jī)監(jiān)視系統(tǒng)也能夠正常采集和顯示相應(yīng)數(shù)據(jù),從而得出三維太空環(huán)監(jiān)控系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行的結(jié)論。

5 結(jié)語(yǔ)

本文研究了三維太空環(huán)監(jiān)控系統(tǒng),根據(jù)三維太空環(huán)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、運(yùn)行情況,對(duì)硬件要求和軟件要求進(jìn)行分析,完成了對(duì)設(shè)備運(yùn)行參數(shù)的實(shí)時(shí)控制和監(jiān)測(cè)。在此基礎(chǔ)上,為了精準(zhǔn)控制,采用了基于速度控制+邏輯控制的策略,確保了速度的快速、精確控制。