基于PLC的泵车智能臂架运动控制器的实现.pdf

2 0 1 1 年第 6期 工业仪表与 自动化装置 3 7 基于 P L C的泵车智能臂架运动控制器 的实现 孙晓沽 ， 叶桦 ， 于荣 ， 孟玉静 东南大学 a ． 自动化学院； b ． 复杂工程 系统测量与控制教育部重点实验室， 南京 2 1 0 0 9 6 摘要 介绍 了基于 P L C的泵车智能臂 架运动控制器的实现过程。针对泵车所处的工作环境 ， 进行了需求分析， 并设计了系统总体框图。选择合适的 P L C及其开发工具， 在设置好端口、 参数和 库文件的基础上 ， 进行 了控制软件 的设计与开发。为 了验证 P L C运动控制器的效果， 还搭 建 了以 数据采集卡和．7 - 控机构成的测试平 台， 提供的人机界 面可以直观地看到各节臂 架的 角度 变化。实 验结果表明， 所设计的 P L C运动控制器可以实现臂架 系统的 自动运行 ， 能够很好地跟踪 目标轨迹。 关键词 智能臂架系统 ； 运动控制 ； P L C； 工控机 中图分类号 T P 2 7 3 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 0 0 6 8 2 2 0 1 1 0 6 0 0 3 7 0 5 The i mpl e me n t a t i o n o f mo t i o n c o n t r o l l e r f o r t he i n t e l l i g e n t bo o m s y s t e m ba s e d o n PLC S U N X i a o j i e ， Y E H u a ， Y U R o n g ， ME N G Y u j i n g a ． S c h o o l o fA u t o m a t io n ； b ．my L a b o r at o r yofMe a s u r e m e n t a n d C o n t r o l of C S EofMi n is t r y o fE d u c a t io n ， S o u t h e a s t U n i v e r s it y ， N a n j i n g 2 1 0 0 9 6 ， C h i n a Abs t r ac t Th e i mp l e me n t a t i o n p r o c e d u r e o f mo t i o n c o nt r o l l e r f o r t he i n t e l l i g e n t b o o m s y s t e m o f t he c o n c r e t e p u mp b a s e d o n PLC i s i n t r o d u c e d i n t hi s p a p e r ． T he s y s t e m r e q u i r e me n t i s a n a l y s e d a n d t he f r a me wo r k i s pr o p o s e d i n v i e w o f t he wo r k i n g e n v i r o nme n t o f t h e c o n c r e t e p ump．Th e c o r r e s p o n d i n g PLC a n d d e v e l o p me n t t o o l s a r e s e l e c t e d． Th e s y s t e m s o f t wa r e i s d e s i g n e d a f t e r s e t t i n g t h e p 0 r t s，p a r a me t e r s a nd l i b r a r y fil e s ．I n o r d e r t o v e r i f y t h e e f f e c t i o n o f P LC mo t i o n c o n t r o l l e r，t h e t e s t p l a t f o r m i s e s t a b l i s h e d b y u s i n g d a t a a c qu i s i t i o n c a r d a n d i n d u s t ria l p e r s o n a l c o mp ut e r ，a n d t h e u s e r i n t e r f a c e o f f e r s t he c h a n g e s o f b o o m i n t ui t i v e l y ．The e x p e r i me n t a l r e s ul t s s h o w t ha t t h e PLC mo t i o n c o n t r o l l e r c a n r e a l i z e t he mo v e m e n t o f t h e b o o m a u t o m a t i c a l l y a n d t r a c k t h e o b j e c t t 阳 j e c t o ry w e l 1 ． Ke y wo r d s i n t e l l i g e n t bo o m s y s t e m ；mo t i o n c o n t r o l ；PLC；i n d us t ria l p e r s o n a l c o mp u t e r 0 引言 与传统的混凝土浇筑方式相比， 混凝土泵车移 动灵活 ， 能方便地改变 出料 口的位置 ， 在各项基础设 施建设中得到了越来越广泛的应用。混凝土泵车一 般 由臂架、 泵送 、 液压、 支撑 、 电控等部分组成 ， 其中 臂架系统是运动的核心部件 ， 由多节金属结构单元 、 混凝土输送管和液压缸组成 ， 主要负责将混凝土浇 注 口运动到指定位置。 目前 ， 绝大多数泵车都只能 采用手动方式 ， 即由操作人员直接控制每一节或两 节臂独立运动。因此 ， 如何提高施工效率 ， 降低劳动 强度 ， 实现混凝土泵车的智 能化运动 E t 趋成为研究 热 点 卜 。 收稿 日期 2 0 1 1 0 7 0 4 作者简介 孙晓洁 1 9 8 2 ， 女 ， 博士 生 ， 研究 方 向为模式 识别 与 智能系统。 该文所设计 的泵车智能臂架运动控制器主要负 责各节臂架 的协调运动 ， 以工业级 P L C为载体 ， 实 现远程遥控指令 的接收 ， 臂架状态信息的采集 ， 执行 自动运动算法并输出 P WM控制信号， 使臂架能够 平稳地跟踪期望轨迹 。为了验证所设计臂架控制器 的有效性 ， 还利用工控机和板卡采集 控制器 的各路 输出 ， 并以列表和图形的方式显示 ， 比较 了开环和闭 环条件下臂架 自动运动的性能差异。 1 总体 方案设计 混凝土泵车的工作环境恶劣多变， 现场的振动 和干扰都很大， 而对其安全性和可靠性的要求又很 高， 控制系统稍有差错就可能导致机构的损坏甚至 威胁到操作人员的安全。因此对智能臂架运动控制 器的具体要求如下 1 选用工业级专用 P L C作为核心控制器 ， 能提 3 8 工业仪表与 自动化装置 2 0 1 1年第 6期 供高速高效的指令执行功能和抗震抗电磁干扰的 性能 ； 2 采用具有高可靠性和 良好 的错误 检测能力 的 C A N总线通信 ； 3 提供安全保护功能 ， 对臂架运行 的速度 和角 度加以限制 ， 具有急停等安全停车方式 ； 4 选用成熟的控制技术， 可靠的控制方案， 使 得臂架运行平稳 。 泵车智能 臂架 系统 的总体框 图如 图 1所示 。 系统分为 3部分 遥控器及无 线接收装置 、 P L C运 动控制器和测试平 台工控机 系统。遥 控器给定臂 架运行的位置和速度 ， 同时还包括其他操作指令， 如启动、 紧急停止、 快速／ 慢速、 锁定／ 解锁 、 自动展 臂／ 收臂等； 无线接收装置获得遥控器的远程指令 后， 将其转发到 C A N总线上。P L C运动控制器是 泵车智能臂架 系统 的核心部分 ， 负 责运行 算法 处 理和安全保护输 出等， 是该文将要介绍的重点。 测试平 台工控 机 系统 的搭 建 目的是 模 拟被 控 臂 架， 接收 P L C运动控制器的输出， 提供友好的人机 界面 ， 显示 当前各节臂架 的状 态和角度 ， 并反 馈到 C A N总线上 。 图 1 总体方案框图 2 运动控 制器 的实现 测 试 部 分 系统选用上海派芬公司推出的一款高速控制器 T I C 1 0 0作为智能臂架运动控制器 的核心。它符合 I E C 6 1 5 0 8的超高安全级别 ， 可以确保分布式系统和 独立系统的模块 安全 ， 内置诊 断系统 ， 抗震动和 冲 击 ， 适用于工程机械 J ， 同时具有丰富的 I ／ O 口， 包 括 8路 模 拟量 输入 0～5 V 、 1 2路 模 拟量 输入 0 1 0 V 、 1 2 路开关量输入、 8路 P WM输出、 4路 开关量输出， 并且还 自 带 2 个 C A N通信接口以及看 门狗。从系统可配置端 口、 功能实现和安全性等方 面考虑， T Y C 1 0 0 都能满足该设计的要求。 2 ． 1 P L C编程环境介绍 采用 C o D e S y s C o n t r o l l e d D e v e l o p m e n t S y s t e m 作为 P L C的编程环境 ， 支持完整 版本 I E C 6 1 1 3 1标 准， 其最大优点在于它把逻辑控制、 运动控制和可视 化集成于一体 ， 不需要其他的组态软件就可以轻松 实现可视化 。C o D e S y s中以工程文件的形式来组织 应用程序的各个对象， 包括程序结构单元 P O U、 数 据类型、 可视化和资源等。 P O U由 函数 、 功 能块 以及 程 序 组成 ， 每 一个 P O U都包含一个局部和主体声明定义， 主体部分可 以用 I E C语言来编写 ， 包括指令列表、 结构化文本 、 顺序功能图、 功能模块图、 梯形 图或连续功能图。实 际编程时， 用户可以在同一项 目中选择不 同的编辑 语言 。新工 程 中创 建 的第一 个 P O U 自动命 名 为 PL C P R G ， 程序从这里开始执行， 并且从这里能够 访问其他 P O U。 C o D e S y s 软件操作界面主要包含对象管理区、 局部变量定义区和程序主体区。在 C o D e S y s 下进行 T Y C 1 0 0工程应用的开发步骤如下 1 配置 P L C ； 2 建立新工程； 3 通信参数设置 ； 4 定义变量并编程 ； 5 运行和调试 。 C o D e S y s 具有2种调试功能 仿真调试可在不 与 P L C连接的情况下运行软件， 测试软件的正确 性 ； 在线调试则是将程序下载到 P L C中， 观测 P L C 运行 的状态。 2 ． 2 端口分配、 参数配置及库文件加载 在运动控制器软件设计前 ， 需要先进行系统输 入输出端口的分配， 软件的参数配置以及一些必要 的库文件加载工作 。系统 的控制对象是 4 7 m五节 臂混凝土泵车臂架 ， 它是由回转机构 、 大臂 、 二臂 、 三 臂 、 四臂 、 五臂和软管等组成 的串联 开链机构 ， 臂架 系统 中各节臂都 由液压 缸控制 ， 即液压缸 的伸缩 可 以使得各节臂伸出或折 回， 而运动控制器 P L C的输 出直接驱动液压缸 。因此， 至少需要 6路 P WM输 出及6路数字量输出， 数字量用于控制臂架和转台 运动 的方 向。3 3 “ C 1 0 0拥有 2个双工 C A N接 口， 由 于 C A N 0作为程序下载接口， 因此文中 C A N通信接 口采用 C A N 1 。通过 C A N总线 ， P L C可 以接收到期 望位 置 指令 和 反馈 的臂架 当前 角 度等 信 息。 T F C 1 0 0 端口使用情况如表 1 所示。 为了对 T r c 1 0 0进行编程开发 ， 必须加载其所需 的库文件， 具体方法为 在 r e s o u r c e s 栏中选择 L i b r a r y Ma n a g e r选 项 ， 右 击 选 择 A d d i t i o n a l L i b r a r y ， 选 择 T r c 1 0 0 ． L I B即可。参数配置是 C o D e S y s 软件实现与 3 F C 1 0 0 通信的必需步骤， 包括节点地址、 通信波特率 以及通信工具选项， 具体参数设置如表 2所示 。 口 2 0 1 1 年第 6期 工业仪表与 自动化装置 3 9 表 1 T T C 1 0 0端口分配表 N o d e I D N o d e S e n d 0ff s e t No d e R e e v 0f f e t C AN b u s b a u d r a t e CAN c a r d d r i v e r 1 05 1 5 3 6 1 40 8 1 2 5 PEAK US B [ 0 ． ． 1 2 7 ] [ 0 ． ． 1 9 2 0 ] [ 0 ． ． 1 9 2 0 ] k B a u d Na me o f CAN c a r d dr i v e r DLL 2 ． 3 运动控制器的软件结构 作为系统的核心 ， 运动控制器 的设计是否合理 直接影响到臂架运动的稳定性及安全性。P L C软件 设计主要包括遥控指令 和臂架数据 的接收、 臂架 自 动运行的算法处理及其安全保护。运动控制器的软 件结构如 图2所示 。 系l 充 移 f 始1 艺 _ 口 主 循 环 ≤ 输 蔓 自 安 出 _ 口 n 数 全 _口 r _ 芝 字 接 垤 保 允 n 量 收 行 护 宝 许 初 初 输 与 算 输 输 初 始 始 出 解 法 出 出 始 化 化 初 析 处 处 化 始 处 理 理 化 理 图 2 运动控制器 总体软件流程图 系统初始化是 整个 控制器正确运行 的前 提条 件 ， 主要包括输出允许初始化 、 P L C初始化 、 C A N通 信初始化、 P WM ／ 数字量输出初始化。 T Y C 1 0 0自带一个输 出开关 ， 要使其输 出有效 ， 就必须先进行输出允许初始化， 使所有输出可用。 P L C初始化主要完成数据类型的定义和全局变量的 赋值。C A N通信初始化包括设置帧格式、 选择接收 发送缓冲区和 I D等 ， 保证 C A N接 口能按照系统 的 要求进行通信。P WM输出初始化主要是设置相应 的P WM输出端 口的频率值以及初始占空比， 在臂 架没有任何动作的时候输出占空比为 0 ， 而数字量 输出初始化为设置数字量输出端口的初值。 主循环部分是运动控制器的执行主体， 考虑臂架 运动的平稳 f生 和连续l 生， 控制周期取为 1 0 m s 。首先需 要进行 C A N数据的接收与解析处理 ， C A N总线上既有 遥控器发送来的运行指令又有臂架反馈的位置信息， 这些是启动臂架自 动运行算法的重要数据。根据制定 的协议， 在 P L C的设置中采用 2个邮箱接收 C AN 总线 数据， 其中邮箱 1 用于远程指令的接收， 邮箱 2 用于臂 架信息的接收， 并设置由M A S K和基准 I D构成的I D 条件过滤器。当有一个 C AN 数据到来时， 控制器会根 据 MA S K所标识的位 MA S K中为 l的位 去比较基准 I D和 C A N数据的 I D对应位是否相等， 如果相等， 此 C A N数据可以到达相应邮箱里， 否则忽略。 当接收到给定臂架末端的运动方向及速度后， 自 动运行算法会实现其逆变换， 将末端的运动分配为各 节臂的运动 ， 使臂架按设定程序到达预定位置。文 中 采用锁臂法 ， 最优原则为能量最省 ， 臂架关节运动小 ， 变量连续 ， 不奇异 ， 即尽量让大臂不动， 先让 四、 五臂 动 ， 如不能实现其运动 即无满足条件的解 再让三、 五臂动， 接着依次是二、 五臂动 ， 三、 四臂动， 二 、 四臂 动， 二 、 三臂 动， 一、 五臂动， 一、 四臂动 ， 一 、 三臂 动， 一 、二臂动， 并使得各节臂的变化量最小。 为了防止臂架 的运动出现过大震荡或者转动速 度过快， 需要对 P L C的输出进行安全保护， 即在 1 0 ms 控制周期内限制臂架转过 的最大角度。当前 臂架角度与前一周期臂架角度之间的差值超过规定 值时， 发出错误警告并进行相应的处理， 使臂架系统 能够安全停车， 防止潜在事故的发生。最后将所得 到的各臂输出角度值转化为 P WM信号， 驱动液压 4 0 工业仪表与自动化装置 2 0 1 1年第6期 缸伸缩 ， 从而实现泵车臂架系统的 自动运行 。 3 系统测试 为了验证所设计的 P L C运动控制器 的可行性 ， 引入了模拟被控对象的工控机 ， 进行 了半实物仿 真 研究 ， 并且分别采用开环和闭环 2种控制方式对系 统的整体功能进行了测试 。 3 ． 1 测试平台的搭建 在系统中， P L C与工控机之 间的信号转换板将 P WM 转 换 为 相 应 的 电 压 量 ， 工 控 机 通 过 研 华 P C L一 8 1 8 H板卡 实现 对 电压 量 和开 关 量 的采 集。 P C L一8 1 8 H数据采集 卡能够提供最常用 的 5种测 量和控制功能 ， 主要包括 1 2位 A ／ D转换 、 D ／ A转 换 、 数字量 输入 、 数 字量输 出及计 数器／ 定 时器功 能 J 。测试系统利用工控机的 V i s u a l C开发平 台 ， 调用板卡提供的动态链接库文件 ， 编程读取相应 通道的模拟量和数字量。主要步骤如下 1 打开设备， 调用函数 D R V D e v ic e O p e n ， 用于 加载一个设备驱动程序到 内存 ， 确定设备的类型， 完成 对设备的初始化 ， 使设备做好 I ／ O的准备等工作； 2 配置输 入输 出通道 范 围 ， 调用 函数 D R V A I C o n fi g 和 D R V D i o G e t C o n f i g ， 用 于配置模拟 量的输入量程和初始化 ， 以及设置要获取数字量 的 通道号和输入输 出格式 ； 3 读取模拟 量与数 字量 ， 调用 函数 D R V A I V o l t a g e I n 和 D R V D i 0 R e a d P 0 r t B y t e ， 用于获取参 数中对应通道的具体数值 ； 4 关闭设备 ， 调用函数 D R V D e v i c e C l o s e 。 设计的参数显示界面如图3所示， 包括各臂和 转台的状态和角度值 ， 同时还能计算得 出臂架末端 的空间坐标值 。 图3 臂架信息显示界面 3 ． 2 测试结果的比较 测试平台搭建好后 ， 对 P L C运动控制器分别进 行 了自动展臂、 自动运行 、 自动收臂功能的测试 ， 每 种情况又分别进行了开环控制和闭环控制。开环控 制是指 P L C控制器 只是通过 自动运行算法获取 当 前应该给出的角度变化量 ， 不利用臂架实际角度的 反馈信息， 输出具有一定 占空比的 P WM波来实现 控制。开环条件下 ， 自动展大臂角度对 比及偏差随 时间的关系曲线见图 4 。 { i 2 1 龊 图4开环条件 F自动展大臂曲线 可以看出， 开环控制时实际转角与 目标期望值 之间存在着较大误差 ， 无法达到预期效果 ， 为了改善 控制效果必须改进控制策略 ， 因此引入了闭环控制 。 在闭环条件下 ， P L C控制器定时采集 C A N总线上反 馈的当前臂架实际角度， 计算给定值与实际值的偏 差 ， 采用 比例控制输 出具 有一定 占空比的 P WM波 。 闭环条件下 ， 自动展大臂角度对 比及偏差 随时间的 关系曲线见 图 5 ， 指定直线运动时臂架末端位移对 比曲线见 图6， 相应 y方 向偏差随时间的关 系曲线 见图 7 。从测试 对 比曲线来看 ， 闭环控制策略能够 使得各臂实际转角紧随给定角度而变化 ， 臂架末端 位移非常接近给定轨迹 ， 最终能运动到期望位置。 征 拙 斗 剁 媛 图5 闭环条件下 自动展大臂曲线 2 0 1 1年第 6 期 工业仪表与自动化装置 4 1 图6 闭环条件下臂架末端位移对比曲线 l O 5 吕 善。 -5 ． 1 0 ／ ／ s 自动运动 方向位移偏差 曲线 ，口 r 一 ， 4 z ⋯ 图7 闭环条件下x y 方 向偏差曲线 4结束语 混凝土泵车智能臂架运动控制器的开发 目的在 于实现臂架系统的智能联 动， 使得 出料 口能按预期 浇注位置平稳运动。该 文选用高性 能高安全性 的 T I C 1 0 0控制 器和 C o D e S y s编 程环境 ， 完 成 了基 于 P L C的智能臂架运动控制器 的开发 ， 并通过搭建测 试平台 ， 比较了开环和闭环算法的控制效果。下一 步还有待与实际现场联调， 解决外部干扰、 臂架柔性 特征 、 控制时延等存在的问题 。 参考文献 [ 1 ] 金年喜． 现代} 昆 凝土泵车技术与发展方向[ J ] ． 广东建 材， 2 0 0 6 1 2 9 91 0 1 ． [ 2 ] 徐怀玉， 沈千里 ， 郑永生． 混凝土泵车的智能化控制 [ 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