基于NX運動控制器的三維太空環監控系統設計

侯芮彬,徐世許,肖克,宮志強

(青島大學 自動化學院,山東 青島 266071)

0 引言

現在三維太空環在科技體驗館和游樂場所中得到普遍使用。常見的三維太空環不具備數據記錄功能,不能實時記錄和顯示設備的運行數據,導致設備運行情況不明。實物見圖1,設備結構如圖2所示。

圖1 三維太空環

圖2 設備結構

本文所研究的三維太空環監控系統將保證設備運行中速度控制精度高,調速范圍廣,運轉過程平穩,提供了超速等多種報警提示,大大提高了設備運行的可靠性和安全性。工作人員可以通過觸摸屏,根據游客的承受能力隨時修改運行速度和運行時間,操作方便靈活,實現了人機交互的功能[1]。

1 監控系統總體設計

監控系統包括運動控制系統和上位機監視系統兩部分。

1.1 運動控制系統需求分析

控制面板由觸摸屏、啟動按鈕、停止按鈕等組成,實現設備啟停、手動/自動模式選擇等操作并設置有聲光報警,實現在出現故障時自動報警功能。本系統擁有信息顯示功能,如實時速度、正轉次數和反轉次數等,同時能夠在觸摸屏上對設備的運行速度、運行時間等參數進行調節,以適應不同游客體驗。控制系統硬件結構如圖3所示。

圖3 三維太空環硬件結構

1.2 上位機監視系統需求分析

三維太空環運行時,上位機實時從控制器獲取參數。在三維太空環設備開機時,監視系統可以自動從控制器獲取需要的實時數據并從上位機中獲取到具體時間,然后存儲到數據庫[2]。系統支持以折線圖形式顯示實時數據,提高數據的可視化,同時用戶可以在網頁端進行數據查詢、刪除等操作[3]。

1.3 通信協議

EtherCAT運行原理如圖4所示,主站可以向從站發送和接收報文,這種數據傳送方式大大提高了傳輸效率,提高了數據利用率。系統中EtherCAT通信網絡主要用于NX運動控制器和伺服驅動器之間的通信,其中NX運動控制器當作主站,伺服驅動器當作從站。

FINS協議的會話有一次請求幀,請求幀中附帶著發起方的節點參數。運動控制器端會確認并將自己的節點參數返回給請求方。由FINS Header、FINS Command Code和FINS Command Data組成,詳細結構如圖5和圖6所示。

圖5 FINS指令幀結構

圖6 FINS響應幀結構

1.4 關鍵技術問題

在系統通信方面,由于在現場需要觸摸屏實時控制,因此采用EtherNet/IP通信協議實現觸摸屏和運動控制器通信。因為上位機監視系統的功能包括從控制器中采集數據,本系統利用FINS通信方式實現了上位機與控制器通信。因為FINS通信是以EtherNet/IP為基礎,所以可以通過EtherNet/IP線纜相連。具體通信流程如圖7所示。

圖7 監控系統通信流程

在運動控制方面為保證系統安全可靠,要求三維太空環運行速度不能太快,必須在后臺限制速度最大值。由于設備運行時慣性太大,容易導致設備超速,必須監控設備實時速度。本系統中選擇速度控制+邏輯控制策略控制設備運行,而且編寫了各部分運動控制程序。

2 運動控制策略

速度控制是指以指定速度連續移動軸的功能。速度控制過程中,如果多重啟動其他運動控制指令后發生中斷,則達到目標速度后切換動作[4];邏輯控制是指經過程序判斷當前選擇的運行模式和是否滿足其他運行條件,來決定設備如何運行。

在MC功能模塊中指定目標位置,以達到將伺服驅動器指定為位置控制模式的目標速度。MC功能模塊依靠指令的分析結果按一定周期執行運動運算,生成針對位置接口單元(脈沖輸出單元)的指令值,生成的指令值為目標位置、目標速度。將生成的指令值當作脈沖串輸出至伺服驅動器,伺服驅動器根據脈沖串的指令值執行位置環控制、速度環控制。速度控制分析如圖8所示。

圖8 速度控制分析

2.1 NX運動控制器通信配置

本系統采用NX102自帶的以太網端口實現控制器、上位機和觸摸屏之間的有效通信,選擇EtherNet/IP協議實現控制器和觸摸屏通信,選擇FINS協議實現上位機和控制器通信,利用1根網線就能夠很簡單地進行通信[5]。

2.2 控制系統軟件設計

主程序選擇使用常用的順序控制,從三維太空環設備的控制要求方面考慮,控制系統程序主要包括手動程序、自動程序、報警輸出程序等設計。

手動程序主要實現了正轉點動、反轉點動和回原點3個功能。

自動模式能讓設備連續自動旋轉,簡化工作人員工作量,在自動模式中,設備能按照工作人員設置的運行速度、運行時間、總時間、準備時間等參數運行。

超速報警能保證三維太空環安全運行,當判斷圈數是否匹配時,實際圈數通過安裝在設備原點的接近傳感器所得,每轉1圈會接收1次信號,電機圈數通過電機所轉的角度得到。圈數差或者速度差大于設定值后,設備報警。報警輸出部分程序如圖9所示。

圖9 報警輸出程序

本系統中可以直接通過功能塊獲取運行時間、運行速度等需要傳輸的變量值,而通過功能塊獲取的轉矩值變化復雜,并且變化范圍大,因此需要做一定的處理,再將值傳輸到觸摸屏顯示,以便觀察轉矩變化,處理后的轉矩為

(1)

式中:Trq,rea為顯示的處理后的轉矩值;Trq為通過功能塊獲取的實際轉矩值;19Nm為伺服電機額定轉矩,除以100是求其百分比。

3 上位機監視系統設計

由于設備的運行數據是通過監測伺服電機的運行數據所得并存儲在控制器中,因此上位機從控制器中采集數據。上位機監視系統中設計了相應數據庫,以便實現運行數據的存儲、刪除、查詢、分析等功能[6]。

3.1 運動控制器數據采集

上位機監視系統和存儲數據的運動控制器之間使用FINS/TCP協議實現數據交互,上位機監視系統和運動控制器直接連接在同一局域網,從運動控制器中采集數據,然后把數據存儲在數據庫并傳輸給上位機。通過FINS指令編程實現運動控制器與上位機的數據交互方法經過了連接、斷開連接、獲取狀態、寫入和讀取5步。

3.2 數據庫配置

在配置服務器后建立了相應的運行數據表,本系統數據庫表存儲的數據包括游客姓名和設備的實時速度、實時轉矩、旋轉方向、運行時間等,游客姓名是工作人員在網頁上輸入之后存儲到數據庫,運行數據是上位機從控制器中采集獲得。

3.3 上位機程序設計

軟件程序架構可以決定系統程序的主體結構、宏觀特性以及擁有的基本功能,因此,本系統按照具體要求采用了3層架構,加快了開發進度,提高了程序合理性。

用戶登錄時需要完成用戶名與密碼的校對,用戶每次進入上位機監視系統時會被要求填寫密碼。

在網頁端實現了對數據的查詢操作,查詢是上位機監視系統的關鍵功能。查詢結果從設定的查詢時間的第一條記錄數據開始顯示,查詢完成后會顯示相關數據,并且可以導出數據保存在計算機上。

4 系統測試結果

在上位機打開數據庫,查詢設備運行數據表,執行結果如圖10所示,由此可以看出設備啟動瞬間上位機監視系統便采集了1次數據,以后每隔1 s采集1次數據。

圖10 三維太空環運行數據表

上位機監視系統獲取到設備運行數據并生成折線圖,得到圖11—圖13所示的速度和轉矩分析圖。通過圖中的轉矩變化折線圖可以得到每個時刻游客受到的沖擊力大小,其中轉矩來回波動的情況是三維太空環上下旋轉引起的。由折線圖可以看出,二維、三維交替旋轉和三維旋轉運轉時的轉矩要比二維旋轉時的轉矩要大,說明游客受到的沖擊力在二維、三維交替和三維旋轉比二維旋轉更大,體驗感更強。

圖11 二維旋轉速度和轉矩分析

圖12 二維三維交替旋轉速度和轉矩分析

圖13 三維旋轉速度和轉矩分析

由圖11—圖13可以看出,在運動控制器、伺服電機和伺服驅動器的配合下,設備在進入勻速狀態后能夠平穩地運行,上位機監視系統也能夠正常采集和顯示相應數據,從而得出三維太空環監控系統能夠正常運行的結論。

5 結語

本文研究了三維太空環監控系統,根據三維太空環的結構特點、運行情況,對硬件要求和軟件要求進行分析,完成了對設備運行參數的實時控制和監測。在此基礎上,為了精準控制,采用了基于速度控制+邏輯控制的策略,確保了速度的快速、精確控制。