基于嵌入式PLC的运动控制系统的设计与应用分析_贺娟.pdf

2023年第2期基于嵌入式 PLC 的运动控制系统的设计与应用分析贺娟，陈寿霞，张厚艳，许贞俊（贵州装备制造职业学院，551400，贵州清镇）摘 要：为了深入探究运动控制系统设计方法，以棉花采摘运动控制为例，选取嵌入式PLC作为核心控制器，提出运动控制系统设计研究。该系统运用超声波测距，利用编码器设计棉花采摘行程控制方案，通过驱动步进电机，实现机械手运动控制。系统应用测试结果表明，本棉花采摘控制系统的运动坐标误差控制在0.7 mm以内，符合运动控制精度标准。关键词：运动控制；棉花采摘；PLC机械自动化控制技术体现了一个国家重工业发展水平，随着智能化操控技术的不断发展，国内机械自动化技术逐渐与智能操控技术融合到一起，引入嵌入式技术，优化自动控制系统架构，以此提高控制精度，实现精准化运动控制1。目前，国内关于运动控制系统的开发处于发展阶段，存在较大的上升空间，可以从核心控制器的选取、运动控制体系设计等多个角度出发，引入创新思维开发运动控制系统2。嵌入式PLC（可编程逻辑控制器）作业更加稳定，系统维护容易，所以本研究选择嵌入式PLC作为开发工具，以棉花采摘运动控制为例，提出运动控制系统设计研究。1基于嵌入式PLC的运动控制系统1.1运动控制系统概念运动控制指的是以物体运动速度、位置等变量作为监测和管控对象，通过实时监控，令物体按照规划的路线动作。运动期间，运动对象所体现出的维度差异性较大。一般情况下，采用坐标标记法来记录物体运动速度、位置等变量数值，根据路线规划进行运动3。为了实现运动控制，需要借助驱动装置、主控制设备、电机等设备，构建运动控制系统。1.2运动控制系统总体方案设计运动控制系统的总体方案设计，以PLC控制器作为核心控制装置，与电源电路、驱动装置、上位机、外围设备、反馈模块等功能模块建立通信连接。按照规划路线下达运动控制命令，根据收集到的位移、速度的坐标数据信息，与规划路线坐标数据信息进行对比，生成运动控制误差结果。该结果将在上位机操作界面展示，用户可以根据误差数值，对接下来的运动控制进行调整，从而使得运动控制更加精准。为了实现智能化操控，当前主要以自动调节误差作为系统开发要点，根据偏差计算调节坐标参数，生成新的驱动程序命令，通过PLC核心控制器发送至驱动模块，完成高精度运动控制。以单元处理器作为基础的运动控制器，设备中最为主要的控制模块就是单一控制芯片，为确保运动控制器的良好运行，需要选择具备脉冲输出功能的芯片，主要控制模块需要实时性、同步可变频PWM波的输出，之后有效完成位置控制的操作、数据信息精确性运算操作等，处理设备和其他设备、计算机之间的通信信息。但是考虑到单元处理器在应用期间的能力存在限制，可能会导致编码器在执行复杂逻辑控制或任务控制的过程中面临困难，所以该控制器比较适合非常简单的运动过程控制，能够有效完成简单运动的控制任务。另外，将专用的控制芯片当作核心部分的控制器，并非采用主控芯片进行运动控制，而是独立性使用专用控制芯片完成操作。目前国内外已经开始重视此类芯片的功能开发设计，采用专用控制芯片，能够提升系统的集成度，减少元件的使用数量，提高系统的响应速度，降低价格和成本；但是由于缺乏扩展能力，因此需要不断进行芯片和系统的拓展处理，全面完成各个单元和结构的拓展操作任务，充分发挥各类拓展处理措施的价值和优势，确保控制器的良好应用。在此过程中还需做好运动控制器的主控单元多核处理等工作，采用多个CPU处理器组合而成运动控制器，选择ARM、AVR、FPGA系列的CPU，确保处理器的良好设计、开发和应用。2PLC运动控制在棉花采摘系统设计中的应用2.1系统架构设计本系统选取三菱PLC作为核心控制器，运用超声波测量器测距，通过运行编码器设计棉花采摘行程方案。在采摘控制器的作用下，操控采摘机械手运行路径。其中，在PLC控制下，将采摘作业命令发送至步进电机驱动模块后，驱动采摘控制器，完成采摘机械手运行控制。图1所示为系统总体架构设计方案。作者简介：贺娟（1988），女，四川广安人，硕士研究生，副教授，主要研究方向为机械制造。技术设计与试验应用75图1系统总体架构该系统架构主要由8部分构成，分别是PLC控制器、电源、超声波测量器、旋转编码器、按键、指示灯、问题预警模块、驱动模块。其中，驱动模块分为3个驱动器和3个步进电机。超声波测量器是系统获取棉花地点信号的工具。PLC控制器将超声波测量器探测所得位置信息自动生成棉花采摘位置坐标信号，将此信号转换为运动控制命令，以此控制机械手运行轨迹。该命令将发送至驱动器，在各个驱动器作用下，控制沿着X向、Y向、Z向运动的步进电机作业轨迹，从而实现精准运动。如果运动过程中遇到问题，系统中问题预警模块将给予提示。在达到确定位置后，利用旋转编码器进行具体定位，下达机械手操控命令采摘棉花。2.2棉花采摘控制流程设计当系统处于正常作业状态时，超声波测量器才会采集运动目标位置信息，如果系统在作业期间发生故障，则系统停止作业，同时发出预警。以下为棉花采摘控制主要流程：第一步：超声波测量器采集棉花采摘运动目标位置信息，此时系统编码器向PLC发出信息；第二步：在PLC控制下，向驱动器发送运动目标坐标信息；第三步：在驱动器作用下，X向、Y向、Z向步进电机开始作业；第四步：对比X向、Y向、Z向位置数据，计算差值；第五步：根据差值作出运动轨迹调整；第六步：发送采摘信号，机械手采摘棉花。按照上述程序完成一次棉花采摘操作后，返回第一步，重新采集棉花采摘运动目标位置信息，开启下一次采摘操作。2.3棉花采摘机械手运动规划为使采摘过程中机械手的运动轨迹圆滑，减少游走、震动情况发生频率，对运动规划函数的设计提出了一定要求。除了关节变量具备连贯性以外，前面导数也需具备此特性。以机械手采摘作业需求，规划终端设备关节操作顺序、作业速度、作业活动方案。本设计方案，通过点-点摆线运动方式来控制相邻关节点的运动轨道，以此提高轨道连贯性，缩小运动控制范围。以下为运动控制算法公式：S（）=-12sin 2（1）对公式（1）采取求导计算，导数如下：一次求导：S(）=1-cos 2（2）二次求导：S（）=2sin 2（3）上述公式中，=ttf-t0=tT。其中，t代表声波传送时间，T代表计划时间，代表归一化时间。当机械手到达规划位置后，将两个摆线形成的轨道合成到一起，共同规划机械手采摘运动轨迹，从而避免机械手撞击到棉花或者其他物品。控制采摘机械手的末端关节与地面保持平行，先从A点移至F点，而后移至T点，要求FT形成的直线与坐标Y轴保持垂直关系。3应用测试分析本次测试以6个节点作为运动控制测量点，根据棉花所处位置进行超声波测距，得到理论坐标值X、Y、Z向数值，将其与系统实际运动控制下达的位置坐标X、Y、Z数值进行对比，分别计算X、Y、Z向差值，根据差值判断系统运动控制精度是否满足要求。大量研究资料表明，棉花采摘运动控制误差最小值为1.5 mm，如果本系统应用测试的运动控制误差在1.5 mm以内，则认为系统设计方案可行。按照硬件架构设计方案搭建系统，在棉花采摘实验室进行测试，结果如表1所示。表1系统测试结果表1中，实际测量值与理论坐标值的误差均在0.7mm以内，在误差允许范围之内。由此看来，本研究设计问题预警电源超声波测量器超声波测量器旋转编码器驱动器1驱动器2驱动器3步进电机1步进电机2步进电机3PLC核心控制器提示灯按键序号测量值/mm理论坐标值/mm误差值/mmP测xP测yP理xP理yP差xP差yP差z1615.3 602.4 703.1 615.7 602.5 703.8-0.4-0.1-0.72203.5 314.5 256.8 203.1 314.2 256.3 0.40.30.53690.4 441.3 502.8 689.9 441.7 502.2 0.5-0.40.64230.4 258.9 510.4 230.0 258.4 510.4 0.40.50.05221.8 220.9 195.8 221.2 220.8 195.9 0.60.1-0.16197.5 180.2 200.5 197.4 180.3 200.5 0.10.2-0.3P测zP理z技术设计与试验应用762023年第2期的棉花采摘运动控制系统，能够准确定位棉花采摘机械手的运动轨迹，满足棉花采摘自动化操控需求。4结语本文选取嵌入式PLC控制器作为系统开发工具，对运动控制系统设计方案展开探究。通过梳理文献资料，掌握系统设计方法。以棉花采摘运动控制为例，根据采摘运动控制需求，设计一套运动控制系统。该系统运用超声波测量器采集采摘目标位置信息，而后下达驱动命令，使机械手按照规划轨迹运动。系统测试结果显示，本系统能够按照规划的运动轨迹操控机械手运动，坐标误差在允许范围之内。参考文献：1梁艳阳，吴伟，姚超智，等.基于PLCopen标准的工业机器人运动控制器的设计与实现J.现代制造工程，2021(12):35-40，52.2朱伟，王虹，李首滨，等.基于嵌入式软PLC的掘进机控制系统设计J.工矿自动化，2020，46(2):100-106.3李明时，马跃，尹震宇，等.一种异构处理架构的PLC集成安全控制系统结构设计J.小型微型计算机系统，2019，40(4):856-860.基于 PLC-MCGS 技术的电梯运行监控系统设计崔玲玲（苏州健雄职业技术学院，215411，江苏太仓）摘 要：利用PLC（可编程逻辑控制器）作为电梯监控系统控制器，用以实现主、副电梯的上下行、开关门、超载监控和呼梯顺序等功能，结合MCGS触摸屏对电梯的运行功能进行监控。PLC应用于工程中，大大缩短了工程的建设和开发时间，简化了许多控制设备的外接线路，并且相对易于维护，也能够使电梯得到更精准的控制。关键词：PLC-MCGS技术；电梯运行；系统设计针对电梯运行监控单位的现实需求，采用原来的PLC（可编程逻辑控制器）和MCGS软件，设计和研发了实时电梯运行监控单元。本系统利用现场总线，向计算机传递电梯系统的实际运行信息和故障数据，并通过MCGS的组态软件建立监视系统，可以直接而精确地显现电梯的实际工作情况。该系统有着很大的实用性和普及价值。（1）该系统具有较高通用性，实现电梯运行的实时监控，保障乘梯用户的安全。（2）该系统采用PLC与MCGS的触摸屏组合方式，对系统进行实时监测，方便系统的设置、检测和维护，具有很高的稳定性。（3）根据电梯系统的控制功能，实现画面监视、运转状态监控、警报等功能，使整体系统操作人性化，电梯维护人员管理和维持电梯更方便。1电梯运行监控单元为了监控电梯的运行状况，根据电梯的各系统功能主要划分为以下几个单元进行监控，如图1所示。（1）曳引单元：保持升降机的运转。该曳引器由三个部件组成：牵引钢丝、导向轮和反向缆轮。（2）导向单元：它的功能是使轿厢和配重仅在轨道上上下运动，从而使其自由活动受限。（3）轿厢单元：是电梯的工作部分，由轿厢架和轿厢体组成。轿箱底一般具有负荷重量检测装置。（4）门单元：包括轿厢门、层门、开门机和门锁装置，轿厢门设在轿厢入口，层门设在各个楼层入口。（5）重量平衡单元：均衡电梯轿厢重量。基 金 项 目：江 苏 省 高 校 哲 学 社 会 科 学 研 究 一 般 课 题（2021SJA1527）；江苏省教育科学“十三五”规划重点资助课题（B-a/2020/03/14）。作者简介：崔玲玲（1983），女，山东胶州人，硕士，副教授，主要研究方向为机电装备控制。图1电梯单元示意图电气控制单元门单元电力拖动单元轿厢单元缓冲器曳引单元导向单元安全保护单元重量平衡单元技术设计与试验应用77