水電工程材料分揀倉儲裝置控制系統(tǒng)設計及仿真

龍真生

(廣西大學行健文理學院， 電氣系， 廣西， 南寧 530022)

0 引言

目前國家鼓勵進行中小型水電建設，地方為鞏固扶貧成果而大力實施小水電建設。但水電工程建設涉及大量零散、種類繁多、數(shù)量龐大的工程物資材料分揀倉儲及取用需求。這樣會導致工人的分揀搬運勞動強度大、效率低下。通過技術研究，找出一套簡易可靠實用的分揀倉儲裝置自動控制和仿真監(jiān)控系統(tǒng)，提供參考方案。

1 主體設計路徑

主體設計路徑為基于現(xiàn)實做設計的理論分析，通過MATLAB對控制器進行理論控制性能分析，然后通過NX MCD軟件建立實際生產線模型進行虛擬調試來驗證控制程序與監(jiān)控界面。如圖1所示。

2 控制單元

2.1 供配電控制單元

KM1、KM2、KM3、KM4繼電器由PLC控制，PLC使用獨立電源，由PLC控制主/備用電源切換，具體如圖2所示。

2.2 電機控制單元

電機手動控制，旋鈕轉至手動，由3個定值電阻分別接入實現(xiàn)調速，并可由KM6繼電器控制電機正/反轉，KM5為電機啟動總開關，可由就地SB1和觸摸屏按鈕啟動并自鎖，停止按鈕為SB2，L1與L2中配置電壓表，用于監(jiān)視壓降,如圖3所示。

圖1 主體設計路徑

電機自動控制，電機轉速由增量型編碼器記錄并通過Z相輸出脈沖，將這些脈沖直接送到PLC，并通過計算可得到當前電機轉速,如圖4所示。

圖2 供配電控制單元

圖3 電機手動控制

圖4 電機自動控制

直流電機與旋轉編碼器為同軸，旋轉編碼器輸出矩形波脈沖，PLC可根據(jù)頻率進行編程識別出直流電機轉速，最后輸出模擬量電壓來控制直流電機[1]。

2.3 測重單元控制

在待分揀的傳送帶末端設計1個測重的壓感裝置，該裝置由1張平面板、1根豎桿、2根液壓桿以及4個電極組成，當運動電極與固定電極接觸時，輸出高電平信號。如圖5所示。

2.4 分揀抓手單元控制

圖5 測重單元控制

圖6 分揀抓手單元控制

3 設備網(wǎng)絡組態(tài)及編程

PS電源為網(wǎng)絡內全部設備進行供電，PLC型號為S7-1200，該CPU為西門子工業(yè)控制器中的中端控制器，PC站為工程師站，HMI觸摸屏站為就地現(xiàn)場控制站，各類設備使用以太網(wǎng)進行通訊。設備網(wǎng)絡組態(tài)如圖7所示。

3.1 PLC外部接線圖

DCM模塊為直流電機模塊。PLC站使用4個DI拓展模塊，4個DQ拓展模塊，1個AQ拓展模塊。

3.2 PLC程序

背景數(shù)據(jù)塊FB塊，是程序中最重要的數(shù)據(jù)處理分析的函數(shù)塊，是整個分揀倉儲裝置控制程序的主要數(shù)據(jù)分析及邏輯控制塊。

圖7 設備網(wǎng)絡組態(tài)

可編程控制器中Process_center FB塊的背景數(shù)據(jù)塊以及程序，如表1和圖8所示。

表1 Process_center FB塊SCL程序

圖8 Process_center FB塊程序段

總共有1、2號提升機及1、2、3號爪手的FB塊。

可編程控制器中負責計算的功能塊Arith FB塊的背景數(shù)據(jù)塊，該塊為增量式PI算法塊。

Pulse_Z變量為Z相脈沖變量，#SV為設定值，#PV為測量值，#LI為設定值與測量值的差值，通過配置#K與#LI的乘積來控制#LII值，數(shù)據(jù)寫入#LII變量后再將#LII值賦給#LIII，將#PV值賦給#LPV，然后到下一個1 s脈沖來時，再將#PV的值更新，重新寫入#LI，同樣的寫入#LII，然后通過#LII當前值與上個脈沖寫入的#LIII值對比值以及#LII的值進行分析處理，輸出控制電壓，當#PV的值與#SV的值相等時，#LI的值為0，控制電壓不再變化，這時輸出電壓由#LIII的值控制。

二是復雜的多變性。青年價值觀的多變性體現(xiàn)在三個方面：首先，同輩群體對青年價值取向的影響很大。青年往往喜歡和同伴們在價值取向上保持一致，從而忽略了個體的差異性以及價值觀念的合理性。其次，青年為了獲得他人的認同，樂于追求時髦的事物，有時甚至標新立異，借此來展現(xiàn)自己的與眾不同。再次，價值傾向易受到外部因素的影響，但是出于贏得他人認同而違背自身發(fā)展利益形成的價值取向必然不會持久。

表2 Arith FB塊SCL程序

4 直流電機控制

4.1 系統(tǒng)控制電路模型

建立電機電路模型、等效出電阻、電感等部分，如圖9所示。

圖9 電機電路模型

電機系統(tǒng)的等效方框圖為圖10，其中，H1為電機的電學部分，H2為電機的力學部分，將2個部分分開討論，Td與Tm疊加出TE，TE輸入到H2，最后輸出角速度ω。其中，U1為電機的輸入電壓，Td為電機所受到的干擾力矩。

在勵磁電流If恒定時，電動機電磁轉矩Tm和電動機電樞電流i成正比。電動機的反電動勢U2與電動機的轉速ωn成正比[2]。

圖10 電機自控系統(tǒng)方框圖

對于狀態(tài)空間設計優(yōu)化的動態(tài)控制器，系統(tǒng)模型如圖11所示。

圖11 電機引入控制器后的方框圖

4.2 MATLAB分析閉環(huán)系統(tǒng)

通過分析，在計算出K的基礎上，通過分析法與試湊法配置優(yōu)化反饋增益矩陣K，以獲得良好的系統(tǒng)性能；通過計算與二分法分析，取K1=[0.0836 2.0484 -10]，此時，具體表達式為圖12，可得本系統(tǒng)的數(shù)學模型如下：

圖12 電機系統(tǒng)數(shù)學模型

當以ωr作為輸入以ω作為輸出時，子系統(tǒng)的傳遞函數(shù)如式(1)：

(1)

系統(tǒng)的階躍響應如圖13所示。

圖13 角速度參考輸入系統(tǒng)階躍響應(K1)

以Td作為輸入，以ω作為輸出時，子系統(tǒng)的傳遞函數(shù)如：

(2)

系統(tǒng)的階躍響應如圖14所示。

優(yōu)化反饋增益矩陣后，系統(tǒng)有著優(yōu)秀的性能，角速度輸入穩(wěn)態(tài)時間小于0.7 s，超調量小于1%，對于干擾力矩也有較強的抑制性能，系統(tǒng)有著較強的抗干擾能力[3]。MATLAB計算命令行如表3所示。

圖14 干擾力矩輸入系統(tǒng)階躍響應(K1)

表3 MATLAB計算命令行

從表3可以看出，在建立A、B、C、D4個矩陣后，并配置Q、R加權矩陣后使用care函數(shù)求解出黎卡提方程的解，然后代入式(3)便可求解出反饋矩陣K。

u*=-R-1BTPx=-Kx

(3)

5 分儲裝置自動控制仿真調試

5.1 信號連接變量表及物體名稱表

通過Siemens NX MCD中的機電一體化概念設計進行分揀控制系統(tǒng)仿真調試，并將列出相關信號連接變量表以及仿真調試結果[4]。

建立關于剛體、碰撞體、運動副、傳感器的物體名稱并連接相關信號，具體名稱如表4所示。

表4 MCD部分物體名稱

剛體為具有物理意義的模型，軟件會生成剛體的力學表達式；碰撞體為去除重力的力學表達式，可用作傳送帶表面等模型；運動副為可運動部件的模型，建立后可進行水平、垂直或旋轉運動；傳感器輸出邏輯信號[5]。

NX MCD軟件中的信號與PLC中的部分IO變量連接如表5所示。

表5 MCD部分變量連接表

5.2 仿真調試

倉儲第1層與第3層即將滿載，提升機即將動作，將物件轉送到其他倉儲層中。分揀貯藏仿真調試如圖15、圖16所示。

倉儲裝置裝載物件已滿的形式，該分揀倉儲裝滿的時間為30 min，同時可以從圖15看出當倉儲裝置已滿時每個裝置將會自動停止運行。

圖15 分揀貯藏進行中仿真調試

圖16 分揀貯藏完成仿真調試

6 總結

基于PLC的PID算法控制應用，亦可將相關算法應用于PLC控制程序中，并通過西門子的機電一體化概念設計NX MCD軟件進行仿真調試，該分揀儲存及取用裝置自動控制及仿真系統(tǒng)多應用于設計及現(xiàn)場調試前的仿真調試，其結論能對工程設計及現(xiàn)場安裝運行提供極高的技術指導意義和設計參考[6]。