基于ControlLogix和Intouch的無軸傳動實驗平臺設計

劉興華，饒志波，蔣其斌，李新國

（1.重慶大學自動化學院，重慶 400044；2.中國石油新疆油田，新疆克拉瑪依 834000）

1 引言

在傳統(tǒng)的機械中為了實現(xiàn)各個運動單元之間的位置同步及速度同步，通常采用機械軸和齒輪傳動。為了改變各個傳動點之間的速度比和相位關系還需要安裝無極變速箱和差速箱。這種傳動方式為有軸傳動。

無軸傳動又稱電子軸傳動或者獨立傳動、無機械傳動。其特點是每個傳動點都有自己獨立的驅動電機，而不是由一個大電機拖動多個傳動點，因而只需通過簡單的幾個參數(shù)設定就可以取代原來無極變速箱及更多更復雜的齒輪及連桿機構的功能，傳動精度也不會隨著機械的老化、磨損越來越差。無軸傳動在機械中的運用簡化了機械潤滑系統(tǒng)，降低了機器噪音，減少了機械振動，節(jié)省了空間。目前無軸傳動的應用越來越廣泛［1］。

利用羅克韋爾自動化的新一代實時控制網絡平臺ControlLogix所具有的強大的聯(lián)網通信能力，提出了網絡分布式多軸同步控制的方法，設計突破了傳統(tǒng)的機械剛性連接以及使用PLC／運動控制卡集中控制的多軸同步運動控制方法，實現(xiàn)了對控制多部伺服電機驅動器進行網絡化控制的分布式實時同步控制。在此基礎上，Intouch軟件開發(fā)了上位機監(jiān)控平臺，以實現(xiàn)對現(xiàn)場采集數(shù)據的處理、保存等操作。

2 伺服平臺的組成架構

該伺服系統(tǒng)實驗平臺的設計主要是基于ControlLogix控制系統(tǒng)搭建的網絡型伺服系統(tǒng)。選擇Ethernet／IP作為計算機編程和監(jiān)控的網絡，SERCOS網絡作為運動控制網絡，ControlLogix系統(tǒng)作為伺服系統(tǒng)的控制平臺；選擇相應的伺服驅動器、伺服電動機作為伺服驅動系統(tǒng)，且以兩軸精密定位平臺作為伺服系統(tǒng)的被控對象，設計出能實現(xiàn)高精度實時控制的無軸傳動控制系統(tǒng)。其硬件結構如圖1所示。

圖1 無軸運動控制實驗平臺架構

ControlLogix系統(tǒng)是一款功能強大的可編程控制器系統(tǒng)，在ControlLogix控制系統(tǒng)平臺上，可以實現(xiàn)順序控制、過程控制以及運動控制，可以實現(xiàn)網絡通信、數(shù)據采集和監(jiān)視控制，同時可以實現(xiàn)伺服系統(tǒng)的轉矩／電流、轉速和位置的控制等功能。SERCOS網絡接口采用1756-M08SE運動控制模塊，它提供ControlLogix控制系統(tǒng)與伺服驅動器（Ultra3000-SE數(shù)字型數(shù)字驅動器）之間的光纖連接通道。模塊與驅動器之間的通信通過SERCOS光纖網絡環(huán)實現(xiàn)。由于光纖介質具有良好抗干擾性和高速數(shù)據傳送的性能，因此光纖環(huán)網的使用極大地提高了通信速率以及驅動器和運動模塊之間的互連性。

伺服驅動器和伺服電機是整個伺服系統(tǒng)的核心，數(shù)據的主要處理就是在這里進行的，該伺服系統(tǒng)實驗平臺選用的是帶SERCOS接口的Ultra3000-SE型的數(shù)字伺服驅動器和Y系列的伺服電機。

上位機監(jiān)控采用的是Intouch9.5組態(tài)軟件開發(fā)平臺，它是整個伺服上位機平臺的數(shù)據分析、處理和監(jiān)控平臺。

3 平臺的設計內容及總流程

ControlLogix5555控制器是最新一代的集成化控制系統(tǒng)，它將多種控制方式集成在單一的控制器中，其中包括順序控制、過程控制和驅動控制等。該實驗平臺應用ControlLogix控制系統(tǒng)的編程軟件RSLogix5000編寫控制程序，通過SERCOS網絡通信實現(xiàn)兩軸伺服系統(tǒng)在無軸傳動下的速度和位置的精確實時控制。在此基礎上，系統(tǒng)采用Intouch組態(tài)軟件實現(xiàn)上位機的數(shù)據采集和監(jiān)控。設計的主要內容如下：

（1）建立ControlLogix網絡通信平臺：在熟悉ControlLogix網絡結構和相關通信協(xié)議基礎上，選擇搭建平臺所需的硬件（ControlLogix5555控制器、1756-M08SE模塊、Ultra3000-SE伺服驅動器、Y系列伺服電機、PC機等）組態(tài)兩軸交流伺服運動控制平臺。

（2）實現(xiàn)伺服電機的同步控制：利用1756-M08SE運動模塊對Ultra3000-SE伺服驅動器進行控制，ControlLogix5555控制器通過運動控制模塊對伺服驅動器發(fā)出運動控制命令，使兩臺伺服電機速度同步。

目前信息化技術主要應用在工程施工前的招標、投標、預算、設計等，在工程施工建設以及安全管理方面并沒有得到有效應用。項目工程管理人主要還是依靠管理者的經驗以及能力進行現(xiàn)場管理，缺少科學性、系統(tǒng)性、規(guī)范性。

（3）通過RSLogix5000編寫運動控制應用程序：包括添加伺服模塊、創(chuàng)建和組態(tài)運動軸、建立運動控制應用程序等。

（4）編寫人機監(jiān)控界面：基于RSLinx通信服務器，建立Intouch組態(tài)監(jiān)控界面，實現(xiàn)上位機對數(shù)據的采集、分析和保存。

其設計的總體流程如圖2所示。

4 軟件平臺的實現(xiàn)

該實驗平臺系統(tǒng)的軟件總體設計流程如圖3所示。

圖2 總體設計流程

圖3 軟件設計流程

可以看到，運動控制平臺主要是基于RSLogix5000平臺開發(fā)的，上位機監(jiān)控平臺主要是基于Intouch9.5開發(fā)的。對于關鍵的幾個模塊我們的設計如下：

4.1 RSLogix5000運動控制平臺程序設計

運動控制平臺應用ControlLogix控制系統(tǒng)的相應編程軟件RSLogix5000編寫控制程序。該軟件支持運動控制功能和SERCOS網絡通信，可以實現(xiàn)網絡型伺服系統(tǒng)的轉矩／電流控制、位置控制、速度控制、多軸同步控制和多軸插補控制。

在編寫運動控制程序前，應先進行系統(tǒng)的通訊配置、通訊模塊組態(tài)、位置坐標系的組態(tài)、標簽變量的創(chuàng)建等工作。

該系統(tǒng)主要使用梯形圖語言來編寫運動控制程序。MainRoutine為系統(tǒng)默認的主程序，用于完成循環(huán)掃描、調用子程序和返回原點的操作。它包含三個子程序，如圖4所示。

圖4 運動控制主程序

（1）AUTO_AB用于運行在給定的編寫的伺服程序下的自動控制程序；

（2）MANUAL_JOG子程序實現(xiàn)兩個軸的點動、移動定長和停止等控制；

（3）MOVE用于定原點、實現(xiàn)兩軸同步控制功能等操作。

4.2 Intouch上位機監(jiān)控平臺實現(xiàn)

系統(tǒng)使用Intouch9.5軟件中的各種控件，設計伺服系統(tǒng)監(jiān)控界面，其監(jiān)控界面總體的功能架構如圖5所示。

圖5 監(jiān)控界面總體功能圖

由架構圖可知，控制界面主要包括主界面下的手動部分、實時監(jiān)控部分、歷史趨勢部分等部分，其各個部分又由各個不同的子動作部組成，用于實現(xiàn)各個驅動器的使能、關斷和重置控制；實現(xiàn)各個軸的零點定位、點動、定長移動、急停等控制；檢測各軸的狀態(tài)信息，如實際位置、實際速度等信息。監(jiān)控系統(tǒng)的主界面如圖6所示。

監(jiān)控界面主要包括主界面、登錄界面（EXIT）、使用說明、位置歷史趨勢及相關數(shù)據記錄、速度歷史趨勢及相關數(shù)據記錄和報警清除及報警記錄等界面。

主界面用于兩軸伺服運行的實時監(jiān)控；登錄界面用于用戶的登錄和操作權限的設置；位置歷史趨勢和速度歷史趨勢界面分別用于其相應變量的歷史趨勢；報警消除及報警記錄用于消除一些非硬件問題的報警和報警的記錄。

4.3 Intouch與Microsoft Access數(shù)據庫的連接

系統(tǒng)中由于要實現(xiàn)對相關的數(shù)據（報警數(shù)據及位置數(shù)據）的處理和存儲，因此要將一些指定數(shù)據寫入數(shù)據庫，這里采用的是寫入事先建好的Microsoft Access數(shù)據庫。要實現(xiàn)與Microsoft Access通訊，可以通過在Intouch QuickSript中執(zhí)行SQLConnect（）函數(shù)來實現(xiàn)。

SQLConnect（）函數(shù)用于將Intouch連接到Microsoft Access數(shù)據庫。通過運行包含SQLConnect（）函數(shù)的腳本，就可以登錄到數(shù)據庫服務器，并打開一個連接，以便運行其它SQL函數(shù)。SQLConnect（）使用的連接字符串的格式如下：

SQLConnect（ConnectionId，＂＜attribute＞＝＜value＞ ；＜attribute＞＝＜value＞ ；..＂）；DSN 是 Microsoft Access使用的一個獨特屬性，用于確定在“Microsoft ODBC管理器”中配置的數(shù)據源的名稱。本系統(tǒng)中采用ODBC數(shù)據接口連接為：

圖6 監(jiān)控主界面

ResultCode ＝ SQLConnect（ConnectionId，＂DSN＝SQLAM_Access＂）；必須注意的是“SQL訪問管理器”支持的有效數(shù)據類型取決于所使用的ODBC驅動程序的版本。

5 結論

設計的無軸伺服系統(tǒng)實驗平臺采用先進的ControlLogix控制系統(tǒng)以及先進的控制技術實現(xiàn)了對兩軸運動的精確定位和運動軌跡的控制，先進的SERCOS網絡通信保證了系統(tǒng)的快速性和實時性。實驗結果表明：該系統(tǒng)能確保在較小誤差的情況下按照所設定的參數(shù)，實現(xiàn)位置控制和軌跡運動控制，系統(tǒng)運行穩(wěn)定、可靠。系統(tǒng)監(jiān)控的界面能夠實時地反映實時的運動軌跡和趨勢，為操作員提供了一個直觀、方便的操作界面。該實驗平臺的成功設計也為許多工業(yè)現(xiàn)場無軸傳動控制系統(tǒng)的設計提供了很好的借鑒。

［1］爾桂花，等.運動控制系統(tǒng)［M］.北京：清華大學出版社，2002：365-371.

［2］吳乃優(yōu)，等.SERCOS協(xié)議和同步控制方法［J］.電氣傳動，1999，（6）：31-33.