基于PLC的土工離心機數字照相系統(tǒng)設計

劉慶杰，高宏力，何邵燦

（西南交通大學機械工程學院，四川 成都 610031）

0 引 言

土工離心機在巖土工程的研究和工程實踐等方面廣泛應用，土工離心機模擬實驗能夠有效地處理很多難處理的巖土工程問題[1]。實驗過程中需要獲得清晰的模型箱內模型變化圖片，傳統(tǒng)的土工離心機所應用的照相設備固定在屋頂上，在離心機高速旋轉過程中，模型箱隨著轉速不斷增大逐漸升起直至擺平，相機透過模型箱外有機玻璃拍攝箱內模型的照片。

目前在土工離心機系統(tǒng)[2-3]中照相機位置固定，拍攝位置固定而且范圍太大，以致拍攝照片數量有限且模糊，為改善傳統(tǒng)相機拍出照片不清晰、數量少、不能實時拍攝等不足，設計出了土工離心機的快速成像系統(tǒng)。

數字照相系統(tǒng)機械結構由支架、導軌、絲杠組成，控制系統(tǒng)由PLC、伺服電機驅動機構組成，照相功能由數碼相機完成。以可編程邏輯控制器（programmable logic controller，PLC）為控制核心，應用比例積分微分（PID）控制理論，由PLC控制兩臺松下Minas A4驅動器，驅動器驅動電機按照PLC發(fā)出的指令運動。通過對伺服電機的精確控制，使相機準確依次運動到待測點的正上方。由PLC發(fā)出對焦、拍照指令,控制佳能EOS 5D Mark II數碼相機透過模型箱透明有機玻璃拍攝內部模型標點的變化照片。

1 土工離心機

土工離心模擬試驗是利用土力學普遍相似原理，將土工相似模型置于高速旋轉的離心機，形成高慣性力場模擬真實環(huán)境下的土工模型，來研究實際土工構筑物原型的綜合性態(tài)。土工離心機是進行試驗的關鍵機械設備。

土工離心機[4]由主機系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)兩部分組成，其中主機系統(tǒng)的結構部分由轉動系統(tǒng)（包括轉臂、吊籃、模型箱、平衡配重等）、傳動系（包括電機、減速器、傳動支承、主軸等）和控制部分（包括計算機、控制裝置等）組成。

工作吊籃起始位置是垂掛在轉臂端部，隨著離心機的轉動掛斗逐漸擺起，直至與轉臂平齊。模型箱的一面為有機玻璃，供靜物攝影與電視攝影的觀察窗口用。

2 照相系統(tǒng)機械結構設計

照相系統(tǒng)的機械結構由支架、導軌、絲杠和相機座組成，支架主要起支承導軌、絲杠及與模型箱連接固定的作用，導軌是相機座運動的平臺，絲杠起傳動力的作用，相機座在絲杠旋轉時沿著導軌運動，相機座處安裝有數碼相機，為防止離心機高速旋轉時數碼相機被破壞，將鏡頭和相機機身分別固定于相機座上，電機旋轉帶動絲杠旋轉，相機座在絲杠的作用下沿導軌往復運動。

圖1所示為照相系統(tǒng)的機械結構安裝于土工離心機的模型箱上，支架位于模型箱帶有透明有機玻璃一側，支架與模型箱間通過數十顆高強度螺栓連接。在離心機高速旋轉過程中，左側模型箱連同支架及右側掛斗隨著離心機轉速不斷增大緩慢升起直至擺到水平位置。

圖2所示為照相系統(tǒng)機械結構主視圖，主要包括底板、導軌、絲杠、相機座、電機等。

由此可見，由導軌、絲杠構成了一個二維運動平面，在電機的驅動作用下，相機座可運動到平面內任意位置。

圖1 照相系統(tǒng)安裝在土工離心機上示意圖

圖2 照相系統(tǒng)機械結構主視圖

3 PID控制算法

模擬調節(jié)器中，PID控制算法[5]的模擬表達式為

式中：u（t）——調節(jié)器輸出信號；

e（t）——調節(jié)器輸入信號；

KP——比例系數；

Td——微分時間常數；

Ti——積分時間常數。

對式（1）進行離散化處理，并考慮到

則可得PID增量式為

式中：Ki——積分常數，表達式為，T為采樣周期；

Kd——微分常數，表達式為；

u（n）——采樣時刻t=n時的輸出量；

e（n）——采樣時刻t=n時的偏差值；

e（n-1）——采樣時刻t=n-1時的偏差值。

如T、KP、Ki和Kd確定，根據前后3次測量偏差即可求出控制增量，加上反饋值，便可得到全量輸出。

運用PID對伺服電機精確控制，使相機準確依次運動到待測點的正上方。

4 PLC閉環(huán)控制

控制系統(tǒng)由PLC基本模塊、松下Minas A4伺服交流系統(tǒng)、行程開關、霍爾開關、EOS 5D Mark II數碼相機和報警燈等組成。以PLC為控制核心，發(fā)出控制驅動動作指令及接收編碼器反饋回來的速度和位置的信息。松下伺服系統(tǒng)根據PLC發(fā)出的指令產生對應脈沖驅動伺服電機動作，伺服電機編碼器產生速度和位置的反饋信號送回PLC?；魻栭_關產生換向信號，在相機座下安裝有一片突出的鋼板，當相機座運動到導軌邊緣時，霍爾開關檢測到鋼板發(fā)出信號至PLC。行程開關為極限位置，當系統(tǒng)出現故障，相機座越過所設定的位置，即會觸動行程開關，發(fā)出報警信號，PLC停止發(fā)出指令，電機停止。EOS 5D Mark II數碼相機為拍照所用設備。

PLC控制系統(tǒng)結構見圖3。采用西門子S7-200系列的CPU 224 CN DC/DC/DC，其體積小，運行速度快，有兩路脈沖輸出（DC），最高頻率為20kHz，數字量輸入14路，數字量輸出10路。伺服系統(tǒng)采用PANASONIC公司生產的Minas A4系列交流伺服系統(tǒng)，電機型號MHMD082P1U，電機額定輸出800 W，電壓規(guī)格200V，額定輸出200 Hz，額定轉速3 000 r/min。旋轉編碼器為增量式編碼器，2500P/r，分辨率10000。

圖3 PLC控制系統(tǒng)結構

相機運動軌跡如圖4所示。A～D為列，1～5為行，所標點都有惟一坐標，如起始點為A1，根據試驗要求制定標點位置。當系統(tǒng)開始運行后，每隔一段距離有一個標點，X軸電機在相機即將到達標點位置時減速直至停止使相機停留在標點位置，PLC發(fā)出指令控制相機對焦、拍照，繼而X軸電機加速運行，相機準備進入第二個標點拍照，當接近開關感應到已走到X軸邊緣處，Y軸電機開始轉動，到達新的一行的標點所在位置處停止，X軸電機繼續(xù)動作，以此往復完成一系列拍照動作。

圖4 相機運動軌跡

圖5 運動控制算法流程圖

5 PLC實現PID控制算法

S7-200系列PLC提供了PID指令[6-9]。該指令需要指定一個以V變量存儲區(qū)地址的PID回路表，以及PID回路號。PID回路表提供了給定值、過程變量以及PID參數等數據輸入口，PID運算的結果也通過回路表輸出。

采用西門子公司的STEP 7軟件編寫控制程序，程序設計采用模塊化、功能化結構，便于維護和擴展?？刂七^程流程圖如圖5所示。

6 結束語

本文采用西門子PLC S7-200系列的CPU 224 CN DC/DC/DC為控制核心，以PID控制技術為理論基礎，形成閉環(huán)控制系統(tǒng)，提高到達標點的準確性，控制松下Minas A4交流伺服電機動作，使相機快速達到預定標點，并對模型箱內的模型進行拍照。實驗結果表明，系統(tǒng)控制電機使相機準確到達標點位置，在土工離心機高速運行時拍攝預定標點位置下的土工模型清晰圖片，達到了實驗要求。

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