基于MCGS的升降臺控制系統設計

張 伏，王亞飛，徐銳良

(1.河南科技大學農業裝備工程學院，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

隨著制造業的快速發展和自動化水平的提高，運動控制系統研究顯得尤為重要。國外運動控制的研究較早，目前國外的運動控制器技術已發展到基于PC的運動控制器，且相關技術的產品已成為市場主流[1-3]。KUNG Ying-Shieh等[4]應用DSP和FPGA開發了一種三軸運動控制系統，由3臺DSP和1臺FPGA組成整體運動控制器。每個DSP執行矢量控制、空間矢量脈寬調制和速度PI控制器的功能，FPGA執行生成速度命令、與外部設備通信和與3個DPSs進行數據交換的功能，建立了試驗系統，并給出了速度階躍響應和梯形軌跡跟蹤響應的試驗結果。易龍騰等[5]設計了一種升降橫移式立體車庫控制器的硬件系統，該系統以數字信號處理器(DSP)為核心、復雜可編程邏輯器(CPLD)為擴展器件，并基于Multisim14對硬件系統的復位模塊和IPM驅動模塊進行了仿真分析，結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的定位精度。陳靖宇等[7]基于FPGA設計了模糊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的閉環控制，采用模糊推理機制，實現了非線性阻力的自適應控制，仿真結果表明，模糊PID控制器滿足控制要求。廖高華等[8]設計的基于FPGA的自動升降速離散控制，采用VHDL語言進行設計輸入，能有效地生成具有各種升降速功能的速度方程，結果證明可顯著提高由步進電機驅動系統的性能。FANG Ning[9]重點研究了控制系統及其控制算法，并對控制系統進行了測試，通過試驗驗證了系統的可靠性、運動過程的穩定性和準確性，以及運動控制算法的可行性。WEI Yanhong等[10]設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，研究系統組成、工作原理和軟件設計方法，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，運動平臺穩定。ZOU Can[11]基于PLC可編程邏輯芯片PLC和DSP作為數據處理中心，研究了多線程控制船舶裝配機器人運動自控系統，系統測試結果表明，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定性高，自適應能力強。石東東[12]設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，應用表明，基于PLC的大型物體同步升降控制系統自動化程度高。劉旭鵬等[13]研究了基于PLC的電動升降臺控制系統，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，結果證明系統穩定可靠。

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，用位置控制模塊EM253對升降臺控制系統實現控制，用MCGS作為控制界面，操作人員通過控制人機界面上相應的操作按鈕，控制系統中的自動升降臺在垂直方向上移動。

1 總體方案設計

1.1 機械部分

自動升降臺系統示意如圖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 自動升降系統示意Fig.1 Schematic diagram of automatic lifting system

升降臺控制系統的機械部分是一個自動升降臺，升降臺驅動裝置包括由步進電機驅動并豎直設置的絲杠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，該升降臺上設有用于固定扭矩傳感器的支撐座和支撐座位置調節組件，支撐座位置調節組件包括一個絲杠Ⅱ和兩個滑動桿，支撐座的底部設有與絲杠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，由控制系統對距離進行傳感器檢測、分析和處理，并發出相應的升降指令，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

升降臺控制系統由S7-200系列PLC CPU222、位控模塊EM253、兩相步進電機驅動器和兩相四線步進電機等部分構成。在該系統中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動器，通過步進電機驅動器帶動步進電機對控制系統進行控制?？刂葡到y電氣部分總體框圖如圖2所示。

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

2 系統設計

控制系統設計包括硬件設計和軟件設計。硬件設計主要是PLC硬件的I/O分配設計和系統接線圖設計；軟件設計主要包括EM253位控向導和控制程序。

2.1 硬件設計

根據控制要求，PLC要在V區為EM253分配存儲空間，以及需要一個擴展口，從經濟和滿足系統要求兩方面考慮，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 軟件設計

利用EM253位控向導(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，按照程序設計需求，選擇位控模塊子程序。POSx-CTRL用于自動轉載模板已經配置的運動參數和軌跡，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位控向導Fig.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 組態設計方案

MCGS組態軟件提供了解決實際工程問題的完整方案和開發平臺，能完成現場數據采集、實時歷史數據處理、報警和安全機制、流程控制、動畫顯示、趨勢曲線、報表輸出及企業監控網絡等功能[16-17]。

3.1 控制系統

3.1.1 新建工程

進入MCGS組態環境，建立用戶窗口分別為主界面和系統參數，并設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組態軟件中，定義變量之前先對變量進行分配。本系統的變量設置如表3所示。

表3 控制系統變量分配Tab.3 Variable distribution of control system

進入“實時數據庫”窗口頁定義變量，定義結果如圖8所示。

圖8 實時數據庫Fig.8 Real-time database

3.2 組態畫面

組態畫面設計分為畫面建立、畫面編輯和動畫連接3個步驟。通過以上步驟，建立的組態畫面如圖9所示。

圖9 組態畫面Fig.9 Configuration diagram

3.3 連機調試

在MCGS組態環境中，點擊下載，選擇USB通訊、連機運行和點擊工程下載進入環境。把建立的工程畫面下載到觸摸屏內，打開觸摸屏后觀察右下角的通訊狀態是否為“0”。通訊狀態不為“0”，說明MCGS與PLC通信錯誤；通訊狀態為“0”，說明MCGS與PLC通信正常。點擊“參數設置”和“主界面”按鈕可對參數進行設置。

打開“起停電機”按鈕，首先進行手動操作的調試，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測量距離。

調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，通過以上調試過程并觀察升降臺的運行情況是否與設計要求一致，在運行調試的過程中，通過完善使得系統的運行情況與設計要求達到一致，升降臺的上下調整精度為1 mm，達到設計精度要求。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的設計。本升降臺的控制系統包括手動模式和自動回目標兩種工作方式。利用MCGS組態軟件進行了升降臺控制系統的組態設計，實現了升降臺控制過程的可視化，為運動控制系統提供了設計基礎，可為農業機械用升降臺設計提供新思路。