智能化三點支撐液壓調平控制系統設計

謝敬心，徐世許，肖 克

（青島大學 自動化學院，青島 266071）

車載蜂箱搬運裝置使用一般的卡車底盤，搬運蜂箱的吊臂固定在油缸支撐的車載平臺上。在使用時輪胎著地，由于使用場地不能保證車體處于水平狀態，同時輪胎的彈性作用也會影響車體水平精度，從而平臺不能處于水平狀態，水平誤差會使2 m長的吊臂產生較大幅度的傾斜，不能保證抓取的蜂箱能夠平穩的移動，所以，要設計車載平臺的調平系統來使平臺能夠保持水平狀態。調平系統的形式是多樣的：按支撐結構方式分為三點支撐調平、四點支撐調平和六點支撐調平[1]。該系統是三點支撐調平系統，使用OMRON CP2E PLC 控制器接收雙軸水平傳感器的角度信息，通過控制比例換向閥的開度，來調節流入調平支撐腿上的油量及方向，從而調節支撐腿的伸縮，實現快速調平[2]；控制系統保持最高點靜止，調整其余支撐腿位置，用壓力變送器檢驗支撐腿著地狀態，可以迅速準確完成調平并有效地消除“虛腿”。

1 調平系統總體設計

調平平臺使用三點支撐方法，由3 個支撐腿提供支撐，支撐腿接比例換向閥，圖1為實物圖。由于調平系統需要實時檢測角度并且保持高度可靠性，因此采用PLC 作為控制器，既可以保證系統的可靠性、實時性、經濟性也可以進行靈活配置。調平系統的構成如圖1所示。

圖1 車載液壓調平裝置實物圖Fig.1 Physical drawing of on-board hydraulic leveling device

調平系統由支撐腿、傾角傳感器、CP2E PLC 控制器、比例換向閥、液壓油缸、電位器、操縱桿和數碼管等組成。各部分作用如下：

（1）支撐腿：調平系統的運行單元。

（2）CP2E PLC 控制器：決策調平系統的動作。

（3）傾角傳感器：用于測量傾角。

（4）數碼管：顯示平臺的傾角。

（5）操縱桿：用于手動調平時控制支撐腿的位置。

（6）比例換向閥：接收PLC 電壓信號，控制油缸給油量。

2 調平系統控制策略

2.1 調平系統的建模與分析

調平系統以平臺傾角為判定依據，進行平臺調平[3]。確定平臺最高點后，令其余支撐點移動到和最高點水平的位置完成調平。平臺經過預支撐后坐標關系如圖2所示。

圖2 平臺坐標關系圖Fig.2 Platform coordinate diagram

設OX′Y′Z′為水平面坐標系，OXYZ 為傾斜平臺坐標系，（α，β） 分別為水平面與平臺在X 軸和Y軸方向上的夾角，設支撐點在水平面坐標系中的坐標為Pn′=（Xn′，Yn′，Zn′），在傾斜平臺坐標系中坐標為Pn=（Xn，Yn，Zn），其中n=（1～3），根據圖2可得Pn與Pn′的關系為

設平臺的初始傾角為α0和β0，則由式（1）可得：

當傾角很小時，可以將式（2）化簡為

車載平臺為等邊三角形，其底邊P2P3長a=365 mm，高為b=316 mm。以P2支撐點為最高點為例，其余支撐點與最高點的距離差為

從而得出其余支撐點所需調節距離為

由此可得出支撐點調節距離與傾角之間的關系。

2.2 PID 控制系統設計

為保證調平系統的實用性與廣泛性，采用經典PID 控制算法進行控制系統設計[4]，其控制規律為

式中：u（t）為支撐腿的位移量；e（t）為支撐點與最高點的位移差。其控制原理如圖3所示。

圖3 調平系統PID 控制原理圖Fig.3 PID control schematic diagram of leveling system

3 調平系統硬件設計

由于調平系統完成調平所需要的時間和調平精度與傾角傳感器的布置方式密切相關，因此需要將傾角傳感器安裝在平臺的中間，從而方便傾角傳感器測量平臺X、Y 軸與水平面的夾角并將夾角傳輸到控制器，然后完成對平臺狀態的閉環控制。操作面板上的各模式開關分別接在PLC 不同的數字量輸入，可根據實際情況來選擇不同的模式。為了操作人員實時觀察X、Y 軸與水平面的傾角，因此將數碼管接入PLC 的485 接口用來顯示傾角。自動模式下，控制器采用PID 控制方法，依據平臺的水平狀態以及支撐腿的行動狀態信息決定下一步的動作和開度，并讓比例換向閥操縱支撐腿伸縮，最終完成平臺調平。硬件結構如圖4所示。

圖4 控制系統硬件結構圖Fig.4 Hardware structure of control system

在調平系統中采用OMRON 的CP2E PLC 為控制器，OMRON 的CP2E 系列PLC 具有處理速度高、能接收脈沖、原點搜索、模擬量輸入輸出等功能。該型號PLC 主要包含一個中央處理器單元、數字量輸入輸出模塊、模擬量輸入模塊，滿足本系統的應用需要。本設計采用LVT426T 型號的傾角傳感器，可以實時地輸出X 軸和Y 軸的傾角。其實物圖如圖5所示。

圖5 傾角傳感器實物圖Fig.5 Physical drawing of inclination sensor

為更好地減小圓盤的水平誤差，必須精確地控制支撐腿上下移動的位移量，因此在設計中選用4WREE6E08-20B/G24K31/A1 比例換向閥來控制油缸的流量從而控制支撐腿的位移量。

在調平系統中用控制器的模擬量輸出模塊來控制比例換向閥，用控制器的D/A 模塊連接比例換向閥的放大板，把數字量轉成模擬量進行控制，輸入電壓為-10～10 V，反饋信號輸入到控制器，經過和輸入值的比較，再輸出到放大器上。

4 調平系統的通信設計

為保證調平系統的抗干擾性和穩定性，調平系統通過CP2E 的Modbus-RTU 簡易主站功能發送Modbus-RTU 命令控制支持Modbus-RTU 協議的傾角傳感器和數碼管實現串行通信。Modbus-RTU 協議為主從站通信協議，采用請求-應答的通信方式，主站發送帶有從站地址和功能碼的請求幀，該地址的從站接收后發送響應幀進行應答，且兩條數據幀的時間間隔應不小于3.5 個字符[5]。為了保證留有足夠多的時間余量，本系統將該時間間隔定為10 ms。

4.1 數據幀通信格式

Modbus-RTU 簡易主站的數據幀格式與標準Modbus 協議數據幀格式有所不同，Modbus-RTU 簡易主站數據幀格式如表1所示。

表1 數據幀格式Tab.1 Data frame format

在通信傳輸中，地址碼作用為識別擁有該地址碼的從站，取值范圍為01H～F7H。功能碼為主站向從站下達的指令，根據實際情況，調平系統進行Modbus-RTU 通信主要使用到的Modbus 功能碼為03H（讀取X 軸與Y 軸角度）和06H（數碼管顯示十進制讀數）。標準Modbus 數據幀應包含CRC 校驗碼，用于檢驗請求幀與應答幀是否出錯，但在Modbus-RTU 簡易主站功能中可自動進行CRC 校驗，無需人工設置校驗碼。

4.2 通信程序設計

在PLC 中編寫Modbus-RTU 主站程序，設置串行通信模式為Modbus-RTU 簡易主站模式，控制通信參數設置為波特率：9600；數據位：8 位；停止位：1 位；無奇偶校驗，與傾角傳感器和數碼管建立連接。由于存在多個從站，所以需要進行從站地址分配，設定傾角傳感器地址為03H、X 軸數碼管地址為01H、Y 軸數碼管地址為02H。將需要發送的數據按規定的數據幀格式寫入指令DM 數據區中，并將Modbus-RTU 主站執行位（A640.00）置ON，即可發送請求幀，從站接收到Modbus-RTU 主站發送的請求后發送響應數據幀，傳遞的響應數據幀儲存到響應DM 數據區中。CP2E 指令與相應DM 數據區如表2所示，部分通信程序的梯形圖如圖6所示。

表2 DM 數據區分配字Tab.2 DM data area allocation word

圖6 傾角傳感器通信程序Fig.6 Inclination sensor communication procedure

構建輪詢程序，調用TIM（定時器）與CNT（計數器）指令，令指令的輸出T000、W0.02、W0.03 作為啟動Modbus-RTU 通信的觸發條件。使兩條數據幀的時間間隔達到10 ms，并保證先完成與傾角傳感器通信后再進行與數碼管通信。部分通信程序如圖7所示。

圖7 輪詢程序Fig.7 Polling procedure

5 調平系統的控制程序設計

根據控制流程設計調平控制程序，控制流程如圖8所示，設計的程序分為原點支撐、手動、自動和結束四部分。原點支撐程序負責平臺的預支撐與收起。手動程序負責根據操作人員操作操縱桿的方式來控制PLC 輸出的電壓信號，從而達到控制油缸流量的目的。

圖8 自動調平流程Fig.8 Flow chart of automatic leveling

自動程序采用自整定PID 控制進行調平，在CX-P 中編寫自整定PID 控制程序，調用PIDAT 指令塊作為控制程序的主要部分，該指令可以從輸入字中得到輸入PV，根據控制字中設置的參數進行自整定PID 計算，得到的結果以變量的形式存入輸出字中。傾角角度模擬量輸入先進行10 倍的擴大再經FLX 指令轉為十六進制數據，根據α 與β 的正負確定出最高點，并計算出各支撐點與最高點的位移差，將該數據作為PIDAT 的輸入PV。控制字共有10 個字節需用戶自行設置，包括設定值SV、PID 參數、SV、PV 的上下限等。得到模擬量輸出轉化為電壓信號來控制比例換向閥的開度。部分PID 控制程序如圖9所示。

圖9 PID 自整定控制程序Fig.9 PID self-tuning control program

6 結語

針對車載蜂箱搬運裝置平臺不能保持水平的問題，設計了基于PLC 的三點支撐調平系統，采用了液壓油缸與比例換向閥組合方式調節平臺位置，精確度高，調平速度快。采用Modbus-RTU 通信協議，實現了PLC 與傾角傳感器和數碼管的實時通信，避免了因延時而帶來的誤差。并采用PID 控制方法，減少了設備的晃動對傾角傳感器測量的影響，提高了調平精度，使調平誤差趨于0.5°以內；同時為了設備使用的便捷性設置了原點支撐模式，貼合實際，方便設備運輸使用。調平系統具有較高的自動化水平，調平方式精準有效，針對性強，具有良好的市場前景。