基于国产PLC的高精度提升机构研究

0引言

目前国内使用的高精度提升机构动力传动方式分成两种:液压传动控制和伺服电机传动控制。其中液压传动控制方式控制精度低,设备运行稳定性差,运行停止时会产生振动;伺服电机传动控制方式主要配件大都采用进口产品或品牌国产化产品,存在产品供货周期无法保证、核心数据泄露、易受网络攻击、技术服务依赖国外、定制化需求无法满足等风险^[1]。

针对以上问题,本文设计了一套基于国产PLC的高精度提升机构。该控制系统以实际应用设备为依托,使用国产PLC、伺服产品,搭建软硬件设备系统,在运动控制领域得到实际应用。该高精度提升机构具有独特的运动控制优势,主要表现为:响应和运算速度快、分辨率和定位精度高、稳定性和可靠性强、联锁保护多样等,因而在发射场、航空、大型船舶、重型工程机械等领域有着广阔的应用空间。

1 高精度提升机构和控制组成

1.1 机构结构

高精度提升机构主要由伺服电机、位移传感器、扭力传感器、多级减速机、重型螺杆提升机以及定位系统组成,其中定位系统由4个提升臂的回零部件、位移传感器以及伺服电机组成。

高精度提升机构的机械结构如图1所示,提升机构有4个多级减速轴承控制的移动结构,每个结构上带有位移传感器,位移传感器有正向和负向标尺,位移传感器的零点为各个移动结构的零位置。4个多级减速轴承上装有扭矩传感器,用于检测平台各角的受力情况,在受力不均衡时启动保护流程Ö重型螺杆设备给提升机构提供保持力,使提升设备在断电情况下保持固定状态。

1.2 控制系统

高精度提升机构的控制系统由PLC模块、触摸屏、伺服驱动器、设备反馈信号等构成,控制系统原理图如图2所示。操作人员在触摸屏上进行提升机构参数和移动数据的设置,参数下发到PLC模块;PLC 通过CANopen总线与伺服驱动器进行交互,实现驱动器电机状态数据读取和伺服电机运行控制;PLC通 过AI通道获取位移传感器的数据,得出提升机构各角当前位置、平台倾斜度;PLC通过Modbus通信获取扭矩传感器数据,通过算法模型分析和计算得出提升平台各角受力;提升机构的外围设备包括到位开关、限位传感器、设备故障反馈等^[2—3]。

1.3 CANopen冗余通信

高精度提升机构控制系统采用超御IL40系列 PLC模块,配置了CPU冗余、电源冗余、CANopen冗余。其中CANopen冗余采用超御IL40—E6030双CAN模块,可大幅提高机构控制的可靠性,具有通信故障恢复时间短,数据信息在主、备通信模块同时存在的优势。

2 高精度提升机构的算法方案

2.1位置算法和速度算法分析

高精度提升设备在运行过程中不但涉及对位置的控制,也涉及对速度的控制,因此对位置算法和速度算法的分析和研究至关重要。提升设备的位置运行曲线如图3所示,速度运行曲线如图4所示。

提升机构的位置运行曲线分为启动阶段、等速阶段和停止阶段,其中启动阶段和停止阶段的位置变化为不规则曲线,近似为阶跃变化;而等速阶段位置值的变化为线性变化,每周期位置值变化量是固定的。提升机构的速度运行曲线分为加速阶段、等速阶段和减速阶段,其中加速阶段和减速阶段速度变化为线性曲线,等速阶段速度值在每周期内是固定不变的。

对图3、图4进行整体分析,在提升机构运行启动阶段,机构线性加速运行,启动阶段要求机构拥有快、稳的响应特性,由于启动阶段速度指令在阶跃变化,在此阶段PID算法不能造成积分饱和和微分累积;在提升机构启动阶段,机构位移按不规则曲线进行累积,因此启动阶段的位置算法按PLC每周期进行分解且不能造成太大误差。在提升机构运行等速阶段,机构匀速运行,此阶段速度指令保持恒定且没有阶跃变化,此阶段PID算法应快速补偿速度及位置偏差且能稳定运行;提升机构位置算法进入等速阶段,机构位移曲线为比例特性曲线,在等速阶段的位置算法中PLC只需每周期增加固定位移数值即可。在提升机构运行停止阶段,机构线性减速运行且时间较短,停止阶段要求机构具有防位置过冲、停止位置准确特性,在此阶段PID不能进行大的干预和补偿以防造成补偿过冲;提升机构位置算法进入停止阶段,机构位移按不规则曲线进行累积且和启动阶段基本一致,因此PLC的停止位置算法和启动位置算法函数一致^[4]。下面对高精度提升机构的专用PID算法和运行算法进行说明。

2.2提升机构PID算法

高精度提升机构的PID算法在PLC模块中完成,机构运行包括启动阶段、等速阶段和停止阶段,机构启动和停止阶段要求不能造成积分饱和和微分累积,在启动和停止阶段引入积分分离手段以防止积分饱和,在匀速阶段引入积分和微分项以消除静态误差^[5]。PID算法流程如图5所示。

2.3提升机构位置算法

高精度提升机构的位置控制指标主要包括:控制精度为± 1 mm,响应时间不大于100 ms,机构运 行 范 围为 ±1 500mm,速度设定范围 ±10~± 100 mm/min。

高精度提升机构的控制方式为全闭环控制,提升机构的位置环算法在PLC中完成。位置算法分为三个阶段:启动位置阶段、等速位置阶段和停止位置阶段,启动阶段和等速阶段的切换条件为伺服电机速度是否到达匀速值,等速阶段到减速阶段的切换条件为移动距离是否小于停止阶段距离^[6-7],机构的停止条件为可移动距离是否小于0.02 mm。提升机构的位置算法流程图如图6所示。

3 高精度提升机构应用验证及系统特点

基于国产PLC的高精度提升机构已在某航天设备稳定运行一年多,现对其优点总结如下:

1)位置控制精度可达到±0.8 mm;

2)提升机构速度可设定范围±5~±130 mm/min;

3)控制系统采用CANopen冗余通信,设备可靠性优于同类产品;

4)提升设备控制模式有同升、同降、对角控制等,应用场合和控制灵活性得到进一步提升;

5)提升机构采用多级减速机和螺杆机构配置,安全性显著提高。

4结束语

基于超御系列国产PLC高效的控制及通信功能,并配合专用PID算法及位置控制算法,实现对高精度提升机构的控制,在实际应用中取得了良好的效果,可实现对国外同类产品的替代。随着国产PLC应用领域的不断拓宽,产品的品种会更丰富、规格更齐全,从而能更好地适应各种工业控制场合的需求,在工业控制领域发挥越来越大的作用。

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2024年第22期第2篇