拉線式長度傳感器自動檢測系統設計

柳權，谷淼

（1.湖南中聯重科智能高空作業機械有限公司，湖南長沙，410219；2.長沙民政職業技術學院 電子信息工程學院，湖南長沙，410004）

0 引言

拉線式長度傳感器是一種將被測長度轉換為電信號的高精度產品，一般被應用于長距離場合測量，輸出模擬量、編碼器或總線信號至PLC、單片機等微控制終端，進而達到報警或控制目的。拉線式長度傳感器是起重機電控系統中重要的檢測裝置，直接影響起重機吊裝工作的安全運行[1]。拉線式長度傳感器出廠前和安裝使用前需要進行質量抽檢，最常用的檢測方式是模擬拉線式傳感器的工作過程，通過反復伸縮拉線，查看長度傳感器輸出數據是否正常。傳統的檢測方式是通過人工進行測試，存在工作效率較低、工作強度較大，且檢測結果準確度不高等不足[2～3]。

為提高傳感器檢測效率及檢測精度，一些學者和專家研究將PLC及單片機等技術應用其中，設計了自動化檢測系統，為傳感器自動化檢測系統的設計提高了參考[4～5]?；谇叭搜芯康某晒?，本文針對拉線式長度傳感器的檢測工藝要求，設計了一種拉線式長度傳感器自動檢測系統，通過伺服電機往復伸縮拉線式長度傳感器，代替人工操作，實現了拉線式長度傳感器出廠或安裝前自動檢測。

1 檢測系統總體方案

拉線式長度傳感器自動檢測系統是通過伺服電機正反轉運動來實現長度傳感器拉線伸縮，并將傳感器輸出數據與拉線實際長度進行比較，實現長度傳感器的檢測，其系統總體結構如圖1所示。系統中選用的硬件核心是可編程邏輯控制器，其優點在于編程簡單、穩定性及可靠性較好，具有豐富的硬件資源及伺服驅動器控制功能。系統中選用的顯示裝置是觸摸屏，既可以作為輸入設備又可以作為輸出設備，具有良好的交互性能，測試人員可以通過操作觸摸屏可以對長度傳感器拉線進行手動和自動控制，并通過觸摸屏查看拉線式傳感器實際運行數據。系統中選用的動力機構是伺服電機，其主要原因是伺服電機具有較好的運動控制精度，能實現運動位置的閉環控制。系統中的觸摸屏和可編程邏輯控制器采用工業以太網進行信息交互，拉線式長度傳感器與可編程邏輯控制器采用CAN總線進行信息交互，為后期多傳感器協同測試奠定了基礎。

圖1 系統總體結構圖

2 系統硬件設計

檢測系統硬件設計主要包括系統硬件選型及電氣原理圖設計。在全球缺芯的背景下，國外可編程邏輯控制器產品存在交貨周期長、價格高等不利因素?；谙到y成本及可靠性的考慮，本方案采用的硬件系統為國內工控龍頭匯川公司的相關產品。由于長度傳感器的輸出通常是采用CAN總線接口，要求所選可編程邏輯控制器應支持CAN總線且具有伺服驅動能力。

匯川H3U系列可編程邏輯控制器是匯川技術開發的第三代小型可編程邏輯控制器產品，能夠通過脈沖+方向的控制方式實現對伺服電機的控制，且支持工業以太網、CANopen、CANlink等通信方式，滿足檢測系統對可編程邏輯控制器的要求，本設計中選用的具體型號為H3U-3264MT-XP，其實物如圖2所示。

圖2 匯川H3U PLC實物

檢測系統人機界面采用的是匯川15寸觸摸屏IT7150E。該觸摸屏是基于Linux 開發的新一代全組態化開放式大屏幕HMI，采用強大的A8 內核處理器，具有較好的顯示品質和更快捷的數據處理、響應速度，且自帶以太網接口，可以與匯川H3U系列可編程邏輯控制器進行通信。伺服系統采用的是匯川SV660PS5R5I驅動器和MS1H1-75B30CB-A331Z伺服電機，該系統響應帶寬可達3kHz，搭配23bit絕對值編碼器，其重復定位精度和絕對定位精度較高[4-5]

根據檢測系統要求，設計了圖3所示伺服控制系統電氣原理圖。該伺服系統由交流220V供電，采用斷路器作為電源開關，通過電磁接觸器進行電源自動通斷控制?？删幊踢壿嬁刂破髋c伺服驅動器采用IO硬件連接。其中，伺服驅動器上的輸出端伺服報警、伺服準備及電磁制動等端口與可編程邏輯控制器普通輸入端口連接；伺服驅動器上的伺服使能、警告消除等輸入端口與可編程邏輯控制器普通輸出點連接，指令方向和指令脈沖與可編程邏輯控制器的高速脈沖輸出端口連接。

圖3 伺服控制系統電氣原理圖

3 系統程序設計

系統程序設計主要包括觸摸屏程序設計及可編程邏輯控制器程序設計。觸摸屏程序設計時需要將用到的變量與可編程邏輯控制器上的變量進行對應，才能實現兩者的數據及命令交互，并且要確保觸摸屏和可編程邏輯控制器通信正常。本方案中采用以太網通信方式實現人機界面和觸摸屏的通信，首先要將觸摸屏IP地址設定為和可編程邏輯控制器IP地址同網段，然后通過電腦ping通，方可進行觸摸屏程序設計。

觸摸屏采用的編程軟件是InoTouch Editor ，該軟件是匯川技術 InoTouch 系列 HMI 編程組態軟件，采用 Windows Visual Studio風格，其優點在于功能強大、簡單易用、便于上手。觸摸屏程序主要包括手動控制界面和自動控制界面。手動控制界面如圖4所示，其主要功能是回原點、正反方向點動。具體操作流程如下：將手動模式開關按下，設定運行速度，持續按下正向點動按鈕，伺服電機在設定運行速度下朝正方向旋轉；設定運行速度，持續按下反向點動按鈕，伺服電機在設定運行速度下朝反方向旋轉；設定運行速度，按下回原點按鈕，伺服電機在設定運行速度下回歸原點。

圖4 手動控制界面

觸摸屏自動控制界面如圖5所示。該界面的主要包括設定運動次數、設定時間間隔、設定運行速度、設定單次長度、顯示實際長度、顯示CAN總線反饋值等功能，完成對長度傳感器的長時間反復運行測試，以驗證其穩定性、可靠性。具體操作流程如下：檢驗人員根據工藝要求對往復運動次數進行設定，對正、反運動的長度進行設定，對正向運行結束至反向運行開始時間間隔進行設定，對拉線運行速度進行設定，點擊啟動運行按鈕，系統將按照設定工藝進行運行，直到運行次數結束。在此過程中，拉線實際長度、傳感器CAN總線輸出數據將顯示在界面上。

圖5 自動控制界面

可編程邏輯控制器的編程軟件是匯川技術開發的一款PLC編程軟件AutoShop。該軟件支持梯形圖(LD)、指令列表(IL)和順序功能圖(SFC)等三種常用編程語言，具有編程簡單、功能強大、綠色實用等優點。本系統采用了模塊化編程方式進行程序設計，系統從主程序入口進行程序調用，分別調用SBR_伺服軸子程序、SBR_伺服軸手動控制程序和SBR_伺服軸自動控制程序。圖6為系統主程序，其中M8000為始終接通內部觸點，控制程序通過觸摸屏上的手自動控制模式開關M0選擇分別執行手、自動控制程序。當手動界面手動模式開關按下時，系統調用手動控制程序，當手動模式開關未按下時，系統默認調用自動控制程序。SBR_伺服軸子程序的功能是對伺服軸的一些異常狀態進行告警和設定，該程序始終處于激活狀態，即無論系統處于手動控制模式或者自動控制模式均生效。SBR_伺服軸手動控制程序和SBR_伺服軸自動控制程序分別用于實現拉線式長度傳感器點動控制功能及自動測試功能。鑒于文章篇幅，本文僅對手動部分程序進行分析。

圖6 系統主程序

圖7 為手動控制程序，該部分程序中的變量與觸摸屏手動控制界面的變量具有對應關系，通過操作觸摸屏手動界面即調用該部分程序。具體而言，梯形圖中M0為手動控制模式開關，M2和M3分別為點動正轉和點動反轉開關，M13和M14為電機點動運行狀態指示。當系統處于手動狀態時，按下對應點動按鈕，可編程邏輯控制器輸出固定頻率脈沖控制伺服電機運行。M6為原點設定按鈕，當按下M6后，M40置位，進而使得伺服電機運行至原點位置。

圖7 手動控制PLC梯形圖

4 結論

針對拉線式長度傳感器人工檢測存在的不足，本文提出了一種拉線式長度傳感器自動檢測系統，通過伺服電機+PLC+人機界面構建硬件系統， 通過匯川PLC編程軟件Autoshop及觸摸屏編程軟件InoTouch Editor完成了PLC及人機界面程序設計。檢測人員通過在系統人機界面進行參數設置，即可啟動拉線式長度傳感器的檢測。該系統采用總線式硬件結構，具有可拓展性功能，便于后期多拉線長度傳感器批量化測試。實際運行結果表明，該系統一定程度上減少了檢測人員勞動強度，提高了檢測效率，提高了檢測結果的準確性，為拉線式長度傳感器的自動化檢測提供了參考。