張 伏，王亞飛，徐銳良

(1.河南科技大學農(nóng)業(yè)裝備工程學院，河南 洛陽 471003； 2.河南科技大學車輛與交通工程學院，河南 洛陽 471003)

0 引言

隨著制造業(yè)的快速發(fā)展和自動化水平的提高，運動控制系統(tǒng)研究顯得尤為重要。國外運動控制的研究較早，目前國外的運動控制器技術(shù)已發(fā)展到基于PC的運動控制器，且相關(guān)技術(shù)的產(chǎn)品已成為市場主流[1-3]。KUNG Ying-Shieh等[4]應(yīng)用DSP和FPGA開發(fā)了一種三軸運動控制系統(tǒng)，由3臺DSP和1臺FPGA組成整體運動控制器。每個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DPSs進行數(shù)據(jù)交換的功能，建立了試驗系統(tǒng)，并給出了速度階躍響應(yīng)和梯形軌跡跟蹤響應(yīng)的試驗結(jié)果。易龍騰等[5]設(shè)計了一種升降橫移式立體車庫控制器的硬件系統(tǒng)，該系統(tǒng)以數(shù)字信號處理器(DSP)為核心、復(fù)雜可編程邏輯器(CPLD)為擴展器件，并基于Multisim14對硬件系統(tǒng)的復(fù)位模塊和IPM驅(qū)動模塊進行了仿真分析，結(jié)果表明硬件電路可快速和準確地傳輸信號。唐春蓬等[6]提出了按指數(shù)型加減速曲線控制步進電機升降頻的方法，提高了步進電機系統(tǒng)的定位精度。陳靖宇等[7]基于FPGA設(shè)計了模糊PID控制器來控制直流電機的速度，通過對平臺速度誤差e與誤差變化量ec的閉環(huán)控制，采用模糊推理機制，實現(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)計的基于FPGA的自動升降速離散控制，采用VHDL語言進行設(shè)計輸入，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電機驅(qū)動系統(tǒng)的性能。FANG Ning[9]重點研究了控制系統(tǒng)及其控制算法，并對控制系統(tǒng)進行了測試，通過試驗驗證了系統(tǒng)的可靠性、運動過程的穩(wěn)定性和準確性，以及運動控制算法的可行性。WEI Yanhong等[10]設(shè)計了一種具有上下運動、左右滾動和前后俯仰3個自由度的新型平臺控制系統(tǒng)，研究系統(tǒng)組成、工作原理和軟件設(shè)計方法，為保證高精度定位，采用PID控制算法，試驗表明，采用PLC控制比例閥和換向閥時，運動平臺穩(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器人運動自控系統(tǒng)，系統(tǒng)測試結(jié)果表明，船舶裝配機器人自動控制的魯棒性好，船舶裝配機器人自動控制的穩(wěn)定性高，自適應(yīng)能力強。石東東[12]設(shè)計了一種基于西門子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)自動化程度高。劉旭鵬等[13]研究了基于PLC的電動升降臺控制系統(tǒng)，電動升降臺采用電動推桿，拉線編碼器用于檢測推桿定位，觸摸屏控制各個推桿的升降，結(jié)果證明系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。

目前，大多是基于DSP和FPGA運動控制的研究，而基于PLC和MCGS觸摸屏的運動控制較少[14-15]。本文以西門子S7-200系列PLC222為核心，研究基于PLC和MCGS的運動控制系統(tǒng)，用位置控制模塊EM253對升降臺控制系統(tǒng)實現(xiàn)控制，用MCGS作為控制界面，操作人員通過控制人機界面上相應(yīng)的操作按鈕，控制系統(tǒng)中的自動升降臺在垂直方向上移動。

1 總體方案設(shè)計

1.1 機械部分

自動升降臺系統(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.滑動桿 7.升降臺 8.滑塊Ⅰ 9.導軌 10.滑動支架 11.步進電機 12.絲桿Ⅰ 13.導向柱圖1 自動升降系統(tǒng)示意Fig.1 Schematic diagram of automatic lifting system

升降臺控制系統(tǒng)的機械部分是一個自動升降臺，升降臺驅(qū)動裝置包括由步進電機驅(qū)動并豎直設(shè)置的絲杠Ⅰ和與升降臺滑動連接的導向柱，升降臺在絲杠Ⅰ帶動下沿導向柱做升降運動，該升降臺上設(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)組件包括一個絲杠Ⅱ和兩個滑動桿，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滑動桿配合的滑塊Ⅱ，支撐座通過絲杠Ⅱ帶動沿滑動桿在垂直于滑動支架移動方向垂直向上移動。該自動升降臺工作時，由控制系統(tǒng)對距離進行傳感器檢測、分析和處理，并發(fā)出相應(yīng)的升降指令，由步進電機帶動升降臺動作，最終使得升降臺到達其工作的準確位置。

1.2 電氣部分

升降臺控制系統(tǒng)由S7-200系列PLC CPU222、位控模塊EM253、兩相步進電機驅(qū)動器和兩相四線步進電機等部分構(gòu)成。在該系統(tǒng)中PLC為核心，位控模塊EM253輸出的脈沖信號、方向信號和使能信號送給步進電機驅(qū)動器，通過步進電機驅(qū)動器帶動步進電機對控制系統(tǒng)進行控制?？刂葡到y(tǒng)電氣部分總體框圖如圖2所示。

圖2 運動控制系統(tǒng)電氣總體框圖Fig.2 General electrical diagram of motion control system

2 系統(tǒng)設(shè)計

控制系統(tǒng)設(shè)計包括硬件設(shè)計和軟件設(shè)計。硬件設(shè)計主要是PLC硬件的I/O分配設(shè)計和系統(tǒng)接線圖設(shè)計；軟件設(shè)計主要包括EM253位控向?qū)Ш涂刂瞥绦颉?/p>

2.1 硬件設(shè)計

根據(jù)控制要求，PLC要在V區(qū)為EM253分配存儲空間，以及需要一個擴展口，從經(jīng)濟和滿足系統(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

運動控制系統(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

2.2 軟件設(shè)計

利用EM253位控向?qū)?圖4)生成11個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)計需求，選擇位控模塊子程序。POSx-CTRL用于自動轉(zhuǎn)載模板已經(jīng)配置的運動參數(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，POSO-MAN用于控制升降臺向上還是向下運動，POSO-GOTO使操作臺按照控制要求到達指定位置，通過調(diào)用子程序來完成運動控制。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

3 組態(tài)設(shè)計方案

MCGS組態(tài)軟件提供了解決實際工程問題的完整方案和開發(fā)平臺，能完成現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集、實時歷史數(shù)據(jù)處理、報警和安全機制、流程控制、動畫顯示、趨勢曲線、報表輸出及企業(yè)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)等功能[16-17]。

3.1 控制系統(tǒng)

3.1.1 新建工程

進入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，定義變量之前先對變量進行分配。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

進入“實時數(shù)據(jù)庫”窗口頁定義變量，定義結(jié)果如圖8所示。

圖8 實時數(shù)據(jù)庫Fig.8 Real-time database

3.2 組態(tài)畫面

組態(tài)畫面設(shè)計分為畫面建立、畫面編輯和動畫連接3個步驟。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

3.3 連機調(diào)試

在MCGS組態(tài)環(huán)境中，點擊下載，選擇USB通訊、連機運行和點擊工程下載進入環(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通信錯誤；通訊狀態(tài)為“0”，說明MCGS與PLC通信正常。點擊“參數(shù)設(shè)置”和“主界面”按鈕可對參數(shù)進行設(shè)置。

打開“起停電機”按鈕，首先進行手動操作的調(diào)試，具體如下。

(1)手動測距：按下可視化界面上面的“測距”按鈕。

(2)手動上升：按下可視化界面中的“上升”按鈕即可控制平臺上升，在平臺上升的同時連續(xù)測量距離。

(3)手動下降：按下可視化界面中的“下降”按鈕即可控制平臺下降，在平臺下降的同時連續(xù)測量距離。

調(diào)試自動回目標的情況：在目標距離下方手動輸入想要到達的距離，然后按“回目標”按鈕，通過以上調(diào)試過程并觀察升降臺的運行情況是否與設(shè)計要求一致，在運行調(diào)試的過程中，通過完善使得系統(tǒng)的運行情況與設(shè)計要求達到一致，升降臺的上下調(diào)整精度為1 mm，達到設(shè)計精度要求。升降臺實際安裝情況如圖10所示。

圖10 升降臺實際安裝情況Fig.10 Installation of lifting platform

4 結(jié)論

本研究運用西門子S7-200系列PLC、EM253和MCGS觸摸屏，完成了升降臺控制系統(tǒng)的設(shè)計。本升降臺的控制系統(tǒng)包括手動模式和自動回目標兩種工作方式。利用MCGS組態(tài)軟件進行了升降臺控制系統(tǒng)的組態(tài)設(shè)計，實現(xiàn)了升降臺控制過程的可視化，為運動控制系統(tǒng)提供了設(shè)計基礎(chǔ)，可為農(nóng)業(yè)機械用升降臺設(shè)計提供新思路。