基于國產(chǎn)PLC的高精度提升機(jī)構(gòu)研究

0引言

目前國內(nèi)使用的高精度提升機(jī)構(gòu)動力傳動方式分成兩種:液壓傳動控制和伺服電機(jī)傳動控制。其中液壓傳動控制方式控制精度低,設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定性差,運(yùn)行停止時(shí)會產(chǎn)生振動;伺服電機(jī)傳動控制方式主要配件大都采用進(jìn)口產(chǎn)品或品牌國產(chǎn)化產(chǎn)品,存在產(chǎn)品供貨周期無法保證、核心數(shù)據(jù)泄露、易受網(wǎng)絡(luò)攻擊、技術(shù)服務(wù)依賴國外、定制化需求無法滿足等風(fēng)險(xiǎn)^[1]。

針對以上問題,本文設(shè)計(jì)了一套基于國產(chǎn)PLC的高精度提升機(jī)構(gòu)。該控制系統(tǒng)以實(shí)際應(yīng)用設(shè)備為依托,使用國產(chǎn)PLC、伺服產(chǎn)品,搭建軟硬件設(shè)備系統(tǒng),在運(yùn)動控制領(lǐng)域得到實(shí)際應(yīng)用。該高精度提升機(jī)構(gòu)具有獨(dú)特的運(yùn)動控制優(yōu)勢,主要表現(xiàn)為:響應(yīng)和運(yùn)算速度快、分辨率和定位精度高、穩(wěn)定性和可靠性強(qiáng)、聯(lián)鎖保護(hù)多樣等,因而在發(fā)射場、航空、大型船舶、重型工程機(jī)械等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用空間。

1 高精度提升機(jī)構(gòu)和控制組成

1.1 機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)

高精度提升機(jī)構(gòu)主要由伺服電機(jī)、位移傳感器、扭力傳感器、多級減速機(jī)、重型螺桿提升機(jī)以及定位系統(tǒng)組成,其中定位系統(tǒng)由4個(gè)提升臂的回零部件、位移傳感器以及伺服電機(jī)組成。

高精度提升機(jī)構(gòu)的機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖1所示,提升機(jī)構(gòu)有4個(gè)多級減速軸承控制的移動結(jié)構(gòu),每個(gè)結(jié)構(gòu)上帶有位移傳感器,位移傳感器有正向和負(fù)向標(biāo)尺,位移傳感器的零點(diǎn)為各個(gè)移動結(jié)構(gòu)的零位置。4個(gè)多級減速軸承上裝有扭矩傳感器,用于檢測平臺各角的受力情況,在受力不均衡時(shí)啟動保護(hù)流程?重型螺桿設(shè)備給提升機(jī)構(gòu)提供保持力,使提升設(shè)備在斷電情況下保持固定狀態(tài)。

1.2 控制系統(tǒng)

高精度提升機(jī)構(gòu)的控制系統(tǒng)由PLC模塊、觸摸屏、伺服驅(qū)動器、設(shè)備反饋信號等構(gòu)成,控制系統(tǒng)原理圖如圖2所示。操作人員在觸摸屏上進(jìn)行提升機(jī)構(gòu)參數(shù)和移動數(shù)據(jù)的設(shè)置,參數(shù)下發(fā)到PLC模塊;PLC 通過CANopen總線與伺服驅(qū)動器進(jìn)行交互,實(shí)現(xiàn)驅(qū)動器電機(jī)狀態(tài)數(shù)據(jù)讀取和伺服電機(jī)運(yùn)行控制;PLC通 過AI通道獲取位移傳感器的數(shù)據(jù),得出提升機(jī)構(gòu)各角當(dāng)前位置、平臺傾斜度;PLC通過Modbus通信獲取扭矩傳感器數(shù)據(jù),通過算法模型分析和計(jì)算得出提升平臺各角受力;提升機(jī)構(gòu)的外圍設(shè)備包括到位開關(guān)、限位傳感器、設(shè)備故障反饋等^[2—3]。

1.3 CANopen冗余通信

高精度提升機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)采用超御IL40系列 PLC模塊,配置了CPU冗余、電源冗余、CANopen冗余。其中CANopen冗余采用超御IL40—E6030雙CAN模塊,可大幅提高機(jī)構(gòu)控制的可靠性,具有通信故障恢復(fù)時(shí)間短,數(shù)據(jù)信息在主、備通信模塊同時(shí)存在的優(yōu)勢。

2 高精度提升機(jī)構(gòu)的算法方案

2.1位置算法和速度算法分析

高精度提升設(shè)備在運(yùn)行過程中不但涉及對位置的控制,也涉及對速度的控制,因此對位置算法和速度算法的分析和研究至關(guān)重要。提升設(shè)備的位置運(yùn)行曲線如圖3所示,速度運(yùn)行曲線如圖4所示。

提升機(jī)構(gòu)的位置運(yùn)行曲線分為啟動階段、等速階段和停止階段,其中啟動階段和停止階段的位置變化為不規(guī)則曲線,近似為階躍變化;而等速階段位置值的變化為線性變化,每周期位置值變化量是固定的。提升機(jī)構(gòu)的速度運(yùn)行曲線分為加速階段、等速階段和減速階段,其中加速階段和減速階段速度變化為線性曲線,等速階段速度值在每周期內(nèi)是固定不變的。

對圖3、圖4進(jìn)行整體分析,在提升機(jī)構(gòu)運(yùn)行啟動階段,機(jī)構(gòu)線性加速運(yùn)行,啟動階段要求機(jī)構(gòu)擁有快、穩(wěn)的響應(yīng)特性,由于啟動階段速度指令在階躍變化,在此階段PID算法不能造成積分飽和和微分累積;在提升機(jī)構(gòu)啟動階段,機(jī)構(gòu)位移按不規(guī)則曲線進(jìn)行累積,因此啟動階段的位置算法按PLC每周期進(jìn)行分解且不能造成太大誤差。在提升機(jī)構(gòu)運(yùn)行等速階段,機(jī)構(gòu)勻速運(yùn)行,此階段速度指令保持恒定且沒有階躍變化,此階段PID算法應(yīng)快速補(bǔ)償速度及位置偏差且能穩(wěn)定運(yùn)行;提升機(jī)構(gòu)位置算法進(jìn)入等速階段,機(jī)構(gòu)位移曲線為比例特性曲線,在等速階段的位置算法中PLC只需每周期增加固定位移數(shù)值即可。在提升機(jī)構(gòu)運(yùn)行停止階段,機(jī)構(gòu)線性減速運(yùn)行且時(shí)間較短,停止階段要求機(jī)構(gòu)具有防位置過沖、停止位置準(zhǔn)確特性,在此階段PID不能進(jìn)行大的干預(yù)和補(bǔ)償以防造成補(bǔ)償過沖;提升機(jī)構(gòu)位置算法進(jìn)入停止階段,機(jī)構(gòu)位移按不規(guī)則曲線進(jìn)行累積且和啟動階段基本一致,因此PLC的停止位置算法和啟動位置算法函數(shù)一致^[4]。下面對高精度提升機(jī)構(gòu)的專用PID算法和運(yùn)行算法進(jìn)行說明。

2.2提升機(jī)構(gòu)PID算法

高精度提升機(jī)構(gòu)的PID算法在PLC模塊中完成,機(jī)構(gòu)運(yùn)行包括啟動階段、等速階段和停止階段,機(jī)構(gòu)啟動和停止階段要求不能造成積分飽和和微分累積,在啟動和停止階段引入積分分離手段以防止積分飽和,在勻速階段引入積分和微分項(xiàng)以消除靜態(tài)誤差^[5]。PID算法流程如圖5所示。

2.3提升機(jī)構(gòu)位置算法

高精度提升機(jī)構(gòu)的位置控制指標(biāo)主要包括:控制精度為± 1 mm,響應(yīng)時(shí)間不大于100 ms,機(jī)構(gòu)運(yùn) 行 范 圍為 ±1 500mm,速度設(shè)定范圍 ±10~± 100 mm/min。

高精度提升機(jī)構(gòu)的控制方式為全閉環(huán)控制,提升機(jī)構(gòu)的位置環(huán)算法在PLC中完成。位置算法分為三個(gè)階段:啟動位置階段、等速位置階段和停止位置階段,啟動階段和等速階段的切換條件為伺服電機(jī)速度是否到達(dá)勻速值,等速階段到減速階段的切換條件為移動距離是否小于停止階段距離^[6-7],機(jī)構(gòu)的停止條件為可移動距離是否小于0.02 mm。提升機(jī)構(gòu)的位置算法流程圖如圖6所示。

3 高精度提升機(jī)構(gòu)應(yīng)用驗(yàn)證及系統(tǒng)特點(diǎn)

基于國產(chǎn)PLC的高精度提升機(jī)構(gòu)已在某航天設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行一年多,現(xiàn)對其優(yōu)點(diǎn)總結(jié)如下:

1)位置控制精度可達(dá)到±0.8 mm;

2)提升機(jī)構(gòu)速度可設(shè)定范圍±5~±130 mm/min;

3)控制系統(tǒng)采用CANopen冗余通信,設(shè)備可靠性優(yōu)于同類產(chǎn)品;

4)提升設(shè)備控制模式有同升、同降、對角控制等,應(yīng)用場合和控制靈活性得到進(jìn)一步提升;

5)提升機(jī)構(gòu)采用多級減速機(jī)和螺桿機(jī)構(gòu)配置,安全性顯著提高。

4結(jié)束語

基于超御系列國產(chǎn)PLC高效的控制及通信功能,并配合專用PID算法及位置控制算法,實(shí)現(xiàn)對高精度提升機(jī)構(gòu)的控制,在實(shí)際應(yīng)用中取得了良好的效果,可實(shí)現(xiàn)對國外同類產(chǎn)品的替代。隨著國產(chǎn)PLC應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓寬,產(chǎn)品的品種會更豐富、規(guī)格更齊全,從而能更好地適應(yīng)各種工業(yè)控制場合的需求,在工業(yè)控制領(lǐng)域發(fā)揮越來越大的作用。

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2024年第22期第2篇