基于PLC控制的钢卷尺自动测量系统设计.pdf

2 0 1 4年 8月 第 4 2卷 第 1 6期 机床与液压 MACHI NE TO0L HYDRAUL I C S Au g ． 2 01 4 Vo 1 ． 4 2 No ． 1 6 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 4 ． 1 6 ． 0 3 9 基于 P L C控制的钢卷尺 自动测量系统设计 王 晓岭 浙江省检测科 学研 究院，浙江杭州 3 1 0 0 1 3 摘要介绍基于P L C控制的伺服电机系统在钢卷尺 自动测量系统中的应用，主要阐述了钢卷尺 自动测量系统中基于 P L C控制的电控系统设计，讨论了系统硬件和软件设计，包括电气线路设计、软件编程设计、上位机通信、P L C控制伺服 电机定位和传动工作的设计。实践结果表明 该系统能实现对测量的快速精确控制 ，具有 自动化程度高、可靠性好和操作 方便的特点。 关键词P L C；伺服电机；定位 ；钢卷尺 中图分类号T P 2 7 4 ． 4 文献标识码B 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 4 1 61 2 4 3 De s i g n o f St e e l Ta pe Au t o ma t i c M e a s u r e me n t S y s t e m Ba s e d o n PLC W ANG Xi a o l i n g Z h e j i a n g I n s t i t u t e o f Q u a l i t y I n s p e c t i o n S c i e n c e ，H a n g z h o u Z h e j i a n g 3 1 0 0 1 3 ，C h i n a Ab s t r a c t S e r v o mo t o r b a s e d o n P L C c o n t r o l wa s i n t r o d u c e d i n t h e s t e e l t a p e a u t o ma t i c me a s u r e me n t s y s t e m．El e c t ric c o n t r o l s y s ． t e rn d e s i g n o f t h e s t e e l t a p e a u t o ma t i c me a s u ri n g s y s t e m b a s e d o n P L C w a s e x p o u n d e d ．T h e s y s t e m h a r d w a r e a n d s o f t w are d e s i gn we r e d i s c u s s e d ，i n c l u d i n g t h e e l e c t r i c a l c i r c u i t d e s i g n，s o f t w are p r o g r a mmi n g ，P C c o mmu n i c a t i o n，P L C c o n t r o l l i n g s e n ro mo t o r l o c a t i o n a n d t h e wo r k d riv i n g ．T h e r e s u l t s s h o w t h a t t h i s s y s t e m c a n b e u s e d t o r e ali z e q u i c k a n d a c c u r a t e c o n t r o l t o t h e me a s u r e me n t ．I t h a s c h a r a c t e r i s t i c s o f h i g h d e gre e o f a u t o ma t i o n，g o o d r e l i a b i l i t y a n d e a s y o p e r a t i o n ． Ke y wo r P L C；S e r v o mo t o r ；L o c a t i o n；S t e e l t a p e 通 常，质量检验部 门所用 的钢卷尺检定装置 长检台是运用分度值为 0 ． 0 1 m m的读数显微镜与 标准钢卷尺进行相对 比较来检定钢卷尺的示值误差。 长检 台的一边放置标准钢卷尺 ，另一边放置被检钢卷 尺。两个钢卷尺零位对齐，然后手工移动读数显微 镜 ，在每米处对标准钢卷尺和被检钢卷尺进行比较测 量，并人工记录数据 ，计算示值误差。这种方法劳动 强度大、操作不方便、检定效率低、精度不高，更无 法进行数据的自动存储。对此提出了运用 自动测量装 置的要求 。 根据 中华人 民共 和 国计 量检 定规程 J J G 4 - 1 9 9 9 的要 求 ，钢卷 尺检定 时的张紧力应符合 检定 普通钢 卷尺 和钢 围尺 时的 张紧力 为 4 9 N；标称 长度小于5 m和弧形尺带的钢卷尺在检定时的张紧力 不作规定 ；检定测深钢卷尺时的张紧力，根据其尺花 质量分别为轻陀尺为9 ． 8 N，重陀尺为 1 5 ． 7 N 。为保 证自动测量系统中快速、准确地对钢卷尺送带、测量 定位 ，研发 了钢卷 尺 自动测量系统 的控制装置 。 1 系统组成 根据测试要求和对实际系统的测量 ，该装置由机 械平台、自动加载机构、气动压轮高速送带机构、机 电伺服系统及用于测量的机器视觉系统和计算机系统 软件等组成。运用 P L C技术同时实现机电伺服控制 、 气动控制、视频 图像高速切换；下置式 C C D布局结 构、气动自动加载机构、气动压轮高速送带机构、零 位调节机构等组成了能适应各种钢卷尺的钢卷尺自动 检定装置，如图 1 所示 。 轮 待检钢卷尺 r _ 三 气缸 下 压轮 cc／ D I 置 式 l 工作台 婀 杂 码C D C l 1 I L⋯⋯ - ⋯⋯ 一 运 动控 制及 图 像处 理 部分 图 i P L C控制电路框图 1 ． 1 电气控 制部分 电气控制系统要求安全可靠性高、操作方便，能 够自动地完成系统的各项功能，其系统的流程框图如 图 2所示 。 用户程序存储器是用计算机作暂时缓冲存储用， 并可用于现场监控 ，可编程 P L C的输 出电路分别与 驱动电路、控制电路、报警电路、R S 2 3 2数据处理电 路连接。在该控制系统逻辑框图中，用户程序存储器 是用计算机作为暂时缓冲存储用；工作方式选择电路 收稿 日期 2 0 1 3 0 7 3 0 作者简介王晓岭 1 9 5 8 一 ，男，学士。高级工程师，主要研究方向为机电一体化及电机及电气控制。Em a i l w x l h z 1 63 ．c o rn o 第 l 6期 王晓岭基于 P L C控制的钢卷尺自动测量系统设计 1 2 5 是由控制面板提供 分手动测量和自动测量 ；驱动 电路是 由 P L C与 相接 的驱 动元 件 电磁 阀和伺 服 驱 动器 连接 ；显示 电路 是 由 P L C与 相应 的指示 灯 连 接，用以显示各工作状态 ；报警电路 由 P L C与相应 工位的故障指示灯连接 ，用以显示故障位置。 输入电路 PLC 输 出电路 I 坚 ． 皇堕I I 丝 ．皇堕I I 丝 笪皇堕l I 塑皇墅I ． 皇 ． 主 ．． 主 ． 主 。 J船 J 隔 鼍 j J J控 制 电 路 J J 切 换 lJ制 电 J P c LJ 图2 系统的流程框图 1 ． 2气动部分组成及功能 系统中的气动系统结构示意图如图3所示。高压 气泵输出的高压气体，经二联件过滤后进入气室底 座 ，它通过 P L C控制驱动元件 电磁阀内活塞门 的开关量，改变气室内气体的流动方向，进而控制执 行元件 气缸的运动方向，达到对执行机构的运 动控制 。 P L C卜 _ 驱 动 元 件 卜 气 缸 l 卜 _ 叫 普 通 钢 卷 尺 压 带 - [ 圃 l 高 压 气 泵卜 _ 气 缸 3 呻I 固 定 尺 带l I l I I ] r ] 图3 气动系统结构示意图 其中，4个气缸分别完成钢卷尺的压带、末端尺 带的固定和控制 4 9 N加紧力的增加和释放。 2 软件部分 系统采用两种控制方式 ，分别设为 手动和 自 动。P L C对伺服电机的控制指令程序如图4所示。 D1 0 5 K48 裹 嫠 差 霉 K 0 D 0 ’ K5 0 0 0 0 0 D O‘ 囊 羹 誊 錾 K2 0 0 0 0 D 4。 电机运 薯 藉 囊 D D R V I D O D 4 Y O 0 0 Y O 0 4 】 群 墚 黜 缝 电 器 运 行 信 号 撞 剑 皇 拯 l存 储 嚣 jiIi出 蛐 输 出 确 日 图 4 P L C对伺服电机的控制指令程序 部分 1 手动。这种方式主要用于系统 的调试 、维 修或者应急情况，也就是可以通过 P L C实现点动， 即当选择控制面板上相应 的按键后 ，就可 以使系统相 应地部分 动作 。 2 自动。这是检测系统的正常工作方式 ，该 部分主要 由上位机来控制完成。当整个系统进入 自动 运行状态时，手动状态将失效 ，整个测量过程全部由 上位机通过通信来控制下位机的工作状态 下位机 处 于辅机状 态 。 处于自动检测时的简单程序流程图如图5所示。 玉气 缸按 钲 、、 、 ／ Y 下 1 号气 缸 头 切换 到 兰 董 室 墨 箜 Y 口 换摄像头完月 ～ 主 ￡ 掉3 号 、 4 号气 厂 伺服电机拖动 铜卷 尺前 进 5I 图5 自动检测时的程序流程图 3 P L C部分通信软件 实现 上位机通信程序采用 V C 进行编写 ，主要涉及 多线程技术的应用和按照通信协议完成串口通信程序 的编写。 3 ． 1 线程技 术的应 用 1 如果创建了一个 MD I 应用程序 ，为每个窗 口分配一个独立的线程经常很有用。例如 ，在一个 M D I 通信程序中，通过多个调制器连接到多个主机的 M D I 通信程序中，如果每个窗口拥有 自己的线程与一 台主机通信，那么将会把事情大大地简化 。 2 在一个由于涉及的图形很复杂而需要花费 较大时间来刷新 自己的显示程序 中 例如一个可视 化程序在复杂绘图中可能要 画 1 0 0 0 0多边形来刷新 显示 ，创建一个单独的线程来处理重画将会很有 用。当重画在后台发生时，用户界面通过 自己的线程 保持活动状态。 3 在一个复杂的模拟程序中，例如一个模拟 1 2 6 机床与液压 第 4 2卷 环境 中微生物活动 的程序 ，如果每个实体拥有 自己的 线程 ，那么这个程序的设计在概念上会简单很多。然 后每个实体都相互完全独立，能分别对自己的模拟事 件作 出反应 。 4 如果有 一个 程序 需要 对某个 高优 先级 事件 作出快速的反应，那么使用线程优先级就能轻松解决 这个问题。代码的高优先级部分放在它 自己的线程 ， 给这个线程的优先级 比机器上运行 的其他线程都要 高。然后这个高优先级线程等待事件的发生，一旦等 到它要等待的事件就立即被唤醒，并利用几乎所有的 C P U周期来完成它的任务，然后进入睡眠状态等待 下一个事件 的到来 。 5 如果使用一台具有多个处理器的 N T机器 ， 想要利用所有的 C P U时间，那么可以把应用程序分 解 成多个线程 。N T跨 C P U的分解单位 是线程 ，所 以 如果有一个只包含一线程的应用程序，那么缺省时它 只使用其中的一个 C P U。如果程序把它的工作分解到 多个线程中，N T就能在多个 C P U上运行一个线程。 6 任何需要在后 台发生的任务 用户继续从 事自己的任务都能使用线程来处理。例如，可以 把长时间的计算、页面格式化操作、文件读写操作等 放 在单独的线程 中 ，让这些活动在后 台进行 ，不会 打 扰用户 。 利用线程技术的优点优化整个系统性能，其中上 位机通信程序的发送线程具体实现如下 U I N T S e n d i n g T h r e a d L P V O I D p P a r a m { C S e r i a l P o r t p C o m C S e r i a l P o r t p P a r a m； P OS I TI ON p o s； r e t u r n O L； } 3 ． 2 串口通信程序软件实现 Wi n d o w s 环境 下 的 串 口编 程 与 D O S环境 下 的 串 口编程有很大不同。Wi n d o w s 环境下的最大特征之一 就是设备无关性，它通过设备驱动程序将 Wi n d o w s 应 用程序同不同的外部设备隔离。Wi n d o w s 封装了 Wi n d o w s 的通信机制 ，这种方式称为通信 A P I ，Wi n d o w s 程序员可以利用 Wi n d o w s 通信 A P I 进行编程 ，不用对 硬件直接进行操作。这种体系被称为 Wi n d o w s 开放式 服务体 系 ] 。Wi n 3 2可 以实 现非 实时 通信 ，而 且 Wi n 3 2 通信 A P I 把串口操作和文件操作统一起来 了， 可 以使用类似的操作来实现 。 初始化串口 B O O L I n i t P o r t C Wn d p P o r t O w n e r ， U I N T p o r t n r 1， UI NT b a u d2 4 0 0，c h a r p a rit y ‘ N’，UI NT d a t a b i t s 8， UI NT s t o p b i t s1， DWORD d wCo mmEv e n t sEV R XC HA R， U I N T w r i t e b u ff e r s i z e9 6 0 0 ； 打开串 口 nl h C o mm C r e a t e F i l e s z P o r t ， G E N E RI C RE AD I GENERI C W RI T E，0， NULL， OP EN．EXI S T I NG，FI L E F L A G - O V E R L A P P E D， 0 ； 串口事件的处理 s w i t c h E v e n t { c a s e 0 { - c a s e 2 { Wr i t e C h a r p o r t ； b r e a k； } } } r e t u r n 0； l 串口的整个处理过程都放在线程之中，可利用函 数 A f x B e g i n T h r e a d S e n d i n g T h r e a d ， L P V O I D t h i s ； Mx B e g i n T h r e a d R e c e i v e T h r e a d ， L P Y O I Dt h i s 开 启接收、发送线程。在主程序 中调用 1T I P o r t ． I n i t P o r t t h i s ，1 ，2 4 0 0 和 i n P o r t ． S t a r t M o n i t o r i n g 开始 通信。 4结论 该装置经过现场安装与调试 ，控制、定位准确， 性能比传统的手工操作系统优良。而且体积小 ，结构 也简单，为 日后的维护和功能扩展奠定了良好 的基 础，能够很好地满足精度要求 ，操作也更加简单方 便，大大提高了效率。对操作人员来说，也更加安全 可靠 。 参考文献 [ 1 ]茅振华 ， 杜子平， 张晓， 等． 低成本高精度钢卷尺 自动检 定装置的研究[ J ] ． 中国计量， 2 0 1 1 2 8 8 9 0 ． [ 2 ]全国几何量长度计量技术委员会． J J G 4 - 1 9 9 9钢卷尺检 定规程[ s ] ． 北京 中国计量出版社， 2 0 0 3 ． [ 3 ]于铖灵 ， 臧云歌， 谢文辉． 新型钢卷尺检定装置的研究 [ J ] ． 中国计量， 2 0 1 2 5 7 6 7 7 ． [ 4 ]项荣 ， 单越康， 张志， 等． 钢卷尺 自动切零位系统研究 [ J ] ． 中国计量学院学报， 2 0 0 6， 1 7 4 2 7 2 2 7 6 ． [ 5 ]孙进生， 施宝酉， 张勇气． 基于V B的 P C与 L G P L C的通 信方法[ J ] ． 工业控制计算机， 2 0 0 7， 2 0 9 3 4 3 5 ． [ 6 ]杨青杰． 三菱 F X系列 P L C应用系统设计指南[ M] ． 北 京 机械工业出版社 ， 2 0 0 8 ． [ 7 ] 王泳 ， 叶予， 任德志， 等． F X系列 P L C与计算机的串行 通信[ J ] ． 中国现代教育装备， 2 0 0 7 8 1 7 1 8 ． [ 8 ]林伟， 尹冬至． 基于自由通信协议的多电机的同步控制 [ J ] ． 自动化仪表， 2 0 0 7 ， 2 8 8 6 5 6 9 ．