一種可擴展的多升降臺協同控制系統

鄭燦周1，陳育均1，黃偉業1，劉旭鵬1，鄭譽煌2

1 概述

隨著社會需求的發展，傳統的單升降臺工作模式已經不能滿足實際工程需要，多升降臺協同工作在實際工程應用越來越廣泛，特別是在大型表演舞臺中，可能需要采取上百臺升降臺一起協同工作[1]。此時，1個多升降臺協同控制系統就顯得尤其重要。本文以4個升降臺的同步控制為研究對象，通過分析4個升降臺行程的同步控制機理，采用多軸同步運動控制技術，實現一套至少包含4個升降臺的行程同步控制系統。本系統可以根據實際項目需要擴展，實現更多的升降臺同步控制[2，3]。整體設計方案如圖1所示。

圖1 整體設計方案圖

2 系統設計

根據圖1，本系統的硬件設計關鍵有兩點，一是升降臺的行程測量；二是如何實現多升降臺同步控制。

2.1 傳感器

本升降臺采用4臺升降臺進行升降，因此需要對4臺升降臺的高度進行測量。本升降臺通過多次比較了多種測量高度的測量儀器，最終決定采取相對值式拉線編碼器。相對值式拉線編碼器的工作原理在于拉線長度的多少和方向可以通過編碼器發送的AB兩相脈沖數相應地反映出來，相比起其他測量工具，例如，超聲波測距，紅外線測距，它受到外界環境的影響較小，較為穩定，精度也是較為準確。

為了獲得實際升降臺行程，需要對測到的脈沖數進行量綱變換。根據升降臺在降到最低位置hmin上對應的脈沖數數值是xmin，升降臺在升到最高位置hmax上對應的脈沖數數值xmax，升降臺實際升降行程h與實時測到脈沖數x滿足公式(1)和(2)

(1)

(2)

值得注意的是，可以通過拉線編碼器的精度可以很高，但是實際上要具體針對升降臺所能移動的精度進行適當地取值，因為本升降臺系統有移動到指定高度功能，但由于有些升降臺不一定能夠執行上升1 mm或者更低的高度。因此適當地取舍可以讓升降臺在工作的過程中，執行得更加流暢。

2.2 通信網絡

本項目中采用三菱FX3U系列PLC，由于FX3U只能支持2個兩相兩計高速計數器，因此每臺FX3U最多能接入2個相對值式拉線編碼器，因此每臺PLC最多能控制2個升降臺。若要控制4臺升降臺同步控制，則需要把2臺PLC組成1:1網絡，其中1臺作為主站，另1臺作為從站。同理，若要控制N個升降臺(N為偶數)，則需要0.5N臺PLC組成1:(0.5N-1)網絡。

以本系統采取的1：1網絡為例。本系統需要設置主站和從站，采取輔助寄存器M8000在PLC通電后長閉，然后在主站和從站程序中通過分別連接輸出輔助寄存器M8070和M8071(如圖2和圖3)，讓其在PLC工作過程中長期得電，即可設置2臺PLC的主站和從站關系。當然要實現對模擬量的測量，還需要兩臺PLC都通過輔助寄存器M8000令計數器C251和計數器C253長時間地得電(如圖4)，這樣編碼器發送的脈沖數才能輸送到計數器里面。這樣我們便實現了對編碼器脈沖數的采集，最后，需要把采集到的脈沖數輸送到2臺PLC的共享數據寄存器中，這樣，從站獲取的脈沖數便可如實地傳送到主站中去。主站通過對共享數據寄存器的讀取，就可以得到從站連接的第三四臺升降臺的實時高度，實現對第三和第四臺升降臺的實時監控。

2.3 觸摸屏

本系統通過采取PLC和觸摸屏通信，把對4臺升降臺監控的高度實時地反映在觸摸屏地界面上。觸摸屏還可以該系統進行實時控制，真正意義上地實現人機交互。在升降臺系統工作的過程中，觸摸屏通過RS232串口線和PLC進行通訊，觸摸屏通過調用相關的寄存器，觸摸屏便可以實時地得到PLC各個寄存器的狀態，也可以得到PLC通過量綱變換計算出來的高度值，這樣各升降臺的高度便可以如實反饋給人們。當然人們也可以通過觸摸屏對相應的數據寄存器進行賦值，然后傳送給PLC(如圖5)。

圖2 主站控制

圖3 從站控制

圖4 從站發送測量脈沖到主站

圖5 觸摸屏界面

3 實驗驗證

多臺升降臺的系統工作是在單臺升降臺工作衍生出來的，也是本多升降臺系統一大特色。多臺升降臺的系統工作的原理在于，通過前面四臺升降臺反饋的高度，進行自身監控，自身控制，使得四臺升降臺能保持在同一高度上，進行協同上升和協同下降，當然也可以讓四臺升降臺上升至指定的高度，復位(觸摸屏控制界面如圖6)等。通過整個系統的協同控制，使得在升降臺的功能更加人性化。在協同工作的過程中，輸出到計數器上可以得到上升的增量，在把當前高度和增量相加，可以得到要上升的位置高度。再把得到的位置高度跟4臺升降臺當前高度進行比較，可以讓升降臺上升到該位置。在此，本升降臺系統設定了高度限制，在到達最高點后不再繼續上升，這對升降臺起到了一個保護作用。協同下降同理。除此之外，因為協同上升和協同下降都是點動操作，所以本系統也設置松手后延時一段時間會對相應的計數器和相關寄存器清零，以便下一次的操作。

當然，本多升降臺協同控制系統雖然只用4臺升降臺，但是只要PLC的數量足夠，本系統可以把升降臺的個數拓展到10幾臺甚至上百臺，從而解決了多升降臺的協同工作和擴展問題。

圖6 觸摸屏控制界面