基于模型的工程機(jī)械安全控制研究與應(yīng)用*

閆亞賓，白 揚(yáng)，李 磊，張 強(qiáng)

(1.江蘇師范大學(xué) 科文學(xué)院，江蘇 徐州 221000；2.徐州重型機(jī)械有限公司，江蘇 徐州 221000)

0 引言

作為工程機(jī)械控制系統(tǒng)的基礎(chǔ),控制軟件現(xiàn)有基于代碼的開發(fā)模式存在驗證風(fēng)險大、硬件關(guān)聯(lián)性強(qiáng)、代碼移植性差等不足,已成為產(chǎn)品安全和技術(shù)迭代的不利因素。不同于基于代碼的開發(fā)模式,MBD (Model Based Design)模式的主要思路是面向?qū)ο箝_發(fā)[1]。該模式使研發(fā)人員專注于模型設(shè)計,代碼則由模型轉(zhuǎn)換器或代碼生成器從模型自動生成。由于具有可提前驗證發(fā)現(xiàn)問題、代碼生成和標(biāo)準(zhǔn)符合性檢查等特點,該模式可有效避免潛在驗證風(fēng)險。MBD模式已在飛行控制系統(tǒng)[2]、飛機(jī)剎車系統(tǒng)[3]和汽車電子[4]等領(lǐng)域得到深入研究。

需要注意的是,MBD模式的應(yīng)用多集中于模型到C代碼的轉(zhuǎn)換和MCU、DSP等嵌入式集成,在PLC方面缺少工程應(yīng)用研究,已有文獻(xiàn)多側(cè)重于半物理仿真[5]和教學(xué)應(yīng)用[6]等。而PLC是工程機(jī)械控制系統(tǒng)的核心,為解決工程機(jī)械控制軟件的現(xiàn)存問題,利用MBD模式開發(fā)控制系統(tǒng)并實現(xiàn)工程應(yīng)用是有意義且必要的。

1 基于模型的設(shè)計

1.1 基本內(nèi)容

MBD模式使研發(fā)人員從編程轉(zhuǎn)向高級別抽象,基于模型開展需求描述、功能設(shè)計和驗證等工作并擴(kuò)展到全生命周期[7]。該模式以模型為中心,與基于代碼即以代碼為中心的開發(fā)模式對比如圖1所示。

由圖1可知:在工程應(yīng)用前,以代碼為中心的開發(fā)模式無法驗證系統(tǒng)功能性能,代碼變量耦合性強(qiáng)導(dǎo)致移植性差;以模型為中心的開發(fā)模式在生成可執(zhí)行文件前已完成測試,可早期發(fā)現(xiàn)問題,降低應(yīng)用風(fēng)險和維護(hù)成本。

1.2 設(shè)計工具

MATLAB/Simulink具有豐富的庫模塊,提供了邏輯和算法的實時仿真環(huán)境。而代碼轉(zhuǎn)換工具Simulink PLC Coder則為實現(xiàn)模型的工程應(yīng)用提供了有效途徑和可靠保證,該工具可將模型轉(zhuǎn)換為獨(dú)立于硬件的IEC 61131-3結(jié)構(gòu)化文本,通過代碼自動分析生成測試報告,并將代碼和參數(shù)導(dǎo)入集成開發(fā)環(huán)境。

根據(jù)工程機(jī)械控制系統(tǒng)設(shè)計的覆蓋性原則,本文以Simulink為模型載體,Simulink PLC Coder為代碼參數(shù)生成載體,CodeSys作為集成開發(fā)環(huán)境,建立MATLAB+CodeSys工具鏈。

2 工程機(jī)械安全控制研究

2.1 控制原理

本文選取汽車起重機(jī)為典型對象,其運(yùn)動控制包括伸縮、變幅等,系統(tǒng)復(fù)雜且安全性要求高。以缸臂銷伸縮系統(tǒng)為例,帶臂伸縮控制原理如圖2所示。

圖2 帶臂伸縮控制原理圖

圖2中,通過泵、閥控制伸縮油缸,同時配合缸臂銷動作將第N+1節(jié)臂的臂銷插入第N節(jié)臂臂銷孔完成伸臂動作。為避免油缸過伸導(dǎo)致意外事故,需進(jìn)行伸縮安全控制,方法如下:

(1) 利用測長線獲取伸縮油缸長度。

(2) 實時計算缸頭和第N+1節(jié)臂位置。

(3) 設(shè)計限速、限動,如式(1)、式(2)所示:

(1)

(2)

其中:SD、SS分別為限速和限動狀態(tài),值為1表示觸發(fā)限速或限動,為0表示未觸發(fā);LR、LΔ和LT分別為伸縮油缸實時長度、結(jié)構(gòu)距離和目標(biāo)距離;PD和PS分別為限速點和限動點。

2.2 控制模型

基于帶臂伸縮控制原理,依據(jù)MBD模式建立如圖3所示伸縮系統(tǒng)模型。模型包括測試用例模型、伸縮控制模型和伸縮運(yùn)動模型。其中,測試用例模型模擬操縱輸入和故障注入等;伸縮控制模型包含基于安全控制邏輯和算法,為系統(tǒng)核心;伸縮運(yùn)動模型根據(jù)控制輸出模擬油缸動作。

圖3 伸縮系統(tǒng)模型

2.3 仿真驗證

選取N=5,即控制第6節(jié)臂伸至目標(biāo)點。模擬伸縮控制輸入為0～100%,伸縮安全控制仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 伸縮安全控制仿真結(jié)果

由圖4可知:伸縮泵電流和臂長隨控制輸入的增加而增加,伸臂速度增大;到達(dá)限速點后,伸縮泵電流顯著減小,伸臂速度減小;觸發(fā)限動后,即使存在較大控制輸入,泵控電流也遞減為零,伸臂停止,安全控制功能正常。

3 工程應(yīng)用

3.1 代碼生成

利用Simulink PLC Coder將控制模型映射為PLC ST代碼,生成代碼和報告,如圖5所示。

圖5 代碼和報告

3.2 實車測試

以某型汽車起重機(jī)為測試對象,將生成代碼導(dǎo)入CodeSys,編譯下載至車載控制器進(jìn)行實車測試,如圖6所示。

圖6 代碼集成和實車測試

經(jīng)測試,代碼運(yùn)行正常,實車伸縮功能正常。記錄操縱手柄、伸縮泵電流、臂長等數(shù)據(jù)曲線,如圖7所示。

圖7 實車測試曲線

由圖7可知,伸縮油缸到達(dá)限速點和限動點后,實車自動防過伸限速限動功能正常觸發(fā),安全控制功能準(zhǔn)確實現(xiàn);曲線與仿真結(jié)果一致,仿真驗證為實車測試奠定了基礎(chǔ)。

4 結(jié)論

針對現(xiàn)有工程機(jī)械控制軟件開發(fā)模式的不足,本文引入MBD模式并建立工具鏈。以伸縮系統(tǒng)為例,構(gòu)建模型并生成PLC ST代碼,通過代碼集成和實車測試,實現(xiàn)了MBD模式在工程機(jī)械PLC控制領(lǐng)域的應(yīng)用。工程機(jī)械電液系統(tǒng)架構(gòu)多樣、需求多變,本文建立的硬件無關(guān)模型使生成代碼不受電液系統(tǒng)變化影響,可實現(xiàn)跨平臺快速部署。