嵌入式PLC與現(xiàn)場(chǎng)總線的機(jī)械裝備監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

嵌入式PLC與現(xiàn)場(chǎng)總線的機(jī)械裝備監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李劍斌1，公丕平2，孫琰1，楊小強(qiáng)1

(1.解放軍理工大學(xué)，江蘇 南京 210007；2.工程兵學(xué)院，江蘇 徐州 221004)

MonitoringSystemofEngineeringMachineBasedonEmbeddedPLCandFieldBus

LIJianbin1，GONG Piping2，SUN Yan1，YANG Xiaoqiang1

(1.PLAUniversityofScienceandTechnology，Nanjing210007，China；2.PLACollegeofEngineeringCorps，

Xuzhou221004，China)

摘要：某重型機(jī)械化橋采用SPT-K-2023和SPT-K-2034嵌入式軟PLC控制器，作為電液控制系統(tǒng)的核心部件。一個(gè)作為主控制器，另一個(gè)為輔控制器，由主控制器直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載敏感電液比例多路電磁閥，通過(guò)CANopen總線實(shí)現(xiàn)2個(gè)控制器、主控盒和作業(yè)顯示終端的組網(wǎng)，與液壓、機(jī)械系統(tǒng)配合完成機(jī)械化橋的架設(shè)與撤收。同時(shí)，控制器通過(guò)傳感器感知外界環(huán)境信息，在線監(jiān)測(cè)作業(yè)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了架設(shè)過(guò)程中的故障報(bào)警與安全防護(hù)。

關(guān)鍵詞：機(jī)械化橋；軟PLC控制系統(tǒng)；CAN總線；電液比例多路閥

中圖分類(lèi)號(hào)：TH213.3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1001-2257(2015)04-0040-04

收稿日期：2014-12-18

基金項(xiàng)目：江蘇省青年科研基金資助項(xiàng)目(BK2012061)

作者簡(jiǎn)介：李劍斌(1990-)，男，山東諸城人，碩士研究生，研究方向?yàn)檠b備保障與故障檢測(cè)；公丕平(1985-)，男，山東臨沂人，教員，研究方向?yàn)楣こ萄b備使用與維修。

Abstract：The embedded PLC SPT-K-2023 and SPT-K-2024 are used as key units of electric-hydraulic control system of heavy mechanized bridge. One of PLC controller is master and the other is slave. The master controller drives the load-sensing proportional directional spool valve. Herein，two controllers，main control chassis and display terminal are mounted to make up a network based on CANopen bus so that it can implemented bridge erection and dismounting. The PLC controllers can acquire the outside ambient information and monitor the real time operating parameters，thus it guarantees the failure warning and safety protection in the process of bridge erection and dismounting.

Keywords：mechanizedbridge;embeddedPLCcontrolsystem;CANbus;electric-hydraulicproportionaldirectionalvalve

0引言

某型軍用機(jī)械化橋梁裝備電控系統(tǒng)主要為執(zhí)行機(jī)構(gòu)提供操縱控制及驅(qū)動(dòng)信號(hào)，與液壓、機(jī)械系統(tǒng)配合完成橋梁的安全架設(shè)，同時(shí)具有環(huán)境感知能力，保障架設(shè)過(guò)程的安全和可靠。

嵌入式PLC系統(tǒng)具有體積小、成本低、抗干擾性強(qiáng)和可靠性高等特點(diǎn)，在軍用現(xiàn)場(chǎng)控制中得到廣泛應(yīng)用。尤其是軟PLC所采用的開(kāi)放式模塊化體系結(jié)構(gòu)與所具有的網(wǎng)絡(luò)通訊能力，使其能夠完成復(fù)雜的機(jī)械裝備現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控任務(wù)，比較好地滿足了機(jī)械裝備現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)的柔性化和開(kāi)放性要求。因此，將嵌入式軟PLC技術(shù)應(yīng)用于電控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，實(shí)現(xiàn)了電控和液壓系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)。

1電控系統(tǒng)的組成與工作原理

作業(yè)裝置電控系統(tǒng)由控制箱、作業(yè)顯示終端(虛擬儀表)、主控盒、副控盒(移動(dòng)操作盒)、指示盒、信號(hào)中繼盒、前懸臂中繼盒、功率輸出盒及安裝在車(chē)體和作業(yè)機(jī)構(gòu)上的傳感器等組成。從功能上分為以下幾個(gè)部分。

a.傳感器。包括開(kāi)關(guān)量檢測(cè)傳感器和模擬量檢測(cè)傳感器等兩大類(lèi)，主要用來(lái)采集橋梁設(shè)備架設(shè)過(guò)程中的狀態(tài)信息參數(shù)。輸出信號(hào)類(lèi)型有開(kāi)關(guān)量信號(hào)、模擬量信號(hào)、計(jì)數(shù)脈沖信號(hào)和壓差信號(hào)，直接送入PLC控制器SPT-K-2023和SPT-K-2024中。

b.控制器。接收位置檢測(cè)傳感器、油缸位移傳感器和馬達(dá)計(jì)數(shù)傳感器等的開(kāi)關(guān)信號(hào)、模擬信號(hào)和脈沖信號(hào)，由控制器中的CPU處理后，數(shù)據(jù)分兩部分輸出：一部分?jǐn)?shù)據(jù)送往作業(yè)顯示終端，顯示油缸等的位置信息、狀態(tài)報(bào)警信息等；另一部分?jǐn)?shù)據(jù)送往電液比例閥等執(zhí)行元件，控制油缸、馬達(dá)等的動(dòng)作，完成橋梁的架設(shè)和撤收。

c.顯示器(作業(yè)顯示終端)。作業(yè)顯示終端采用顯示器與主機(jī)集成設(shè)計(jì)，主要用來(lái)顯示系統(tǒng)狀態(tài)參數(shù)、橋跨連接位置的視頻輸入顯示、架設(shè)/撤收作業(yè)向?qū)Чδ芗靶旭倢?dǎo)航功能。

d.操作控制。操作控制面板上設(shè)置有液壓系統(tǒng)的操作控制手柄、切換旋鈕、撥檔開(kāi)關(guān)、自鎖按鈕和指示燈等，操作人員通過(guò)這些按鈕，控制橋梁的架設(shè)/撤收等。操作控制部分所產(chǎn)生的模擬信號(hào)和開(kāi)關(guān)信號(hào)調(diào)制為CAN總線信號(hào)格式后輸入到控制器，由其進(jìn)行處理轉(zhuǎn)換后輸出到控制執(zhí)行元件。

e.執(zhí)行元件。采用PSL型電控比例多路閥，該閥為德國(guó)哈威公司生產(chǎn)，可控制液壓執(zhí)行元件的運(yùn)動(dòng)方向和無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)獨(dú)立于負(fù)載的運(yùn)動(dòng)速度?？刂破鬏敵鯬WM信號(hào)至電磁閥線圈，通過(guò)激勵(lì)電流大小控制閥的流量大小，從而控制液壓元件的執(zhí)行速度。

PLC控制系統(tǒng)的原理如圖1所示。

圖1　 PLC控制系統(tǒng)原理

2PLC控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

機(jī)械化橋架設(shè)時(shí)，操縱人員主要通過(guò)操作主控盒上的前懸臂/輔助臂手柄和后擺架/推橋馬達(dá)手柄，產(chǎn)生4路模擬量控制信號(hào)，通過(guò)CAN總線傳入到控制柜，控制相關(guān)的電液比例負(fù)載敏感控制閥，使前懸臂等液壓缸和推橋馬達(dá)驅(qū)動(dòng)橋節(jié)動(dòng)作，完成機(jī)械化橋的架設(shè)和撤收等操作。由于機(jī)械化橋的架設(shè)步驟多達(dá)40步，且架設(shè)和撤收過(guò)程中設(shè)置了防誤操作和限位報(bào)警功能，液壓系統(tǒng)各執(zhí)行元件的動(dòng)作順序間設(shè)置了保護(hù)功能。因而控制系統(tǒng)比較復(fù)雜，輸入?yún)?shù)和輸出控制參數(shù)較多，所以采用了2臺(tái)嵌入式軟PLC控制器。一臺(tái)作為主控制器，主要完成主控盒動(dòng)作參數(shù)、推橋計(jì)數(shù)傳感器脈沖量、液壓油缸位移傳感器的數(shù)據(jù)采集和電液比例閥的控制等功能，而輔控制器主要完成液壓缸位置檢測(cè)傳感器、液壓缸位移傳感器、車(chē)體縱橫向傾角傳感器、液壓系統(tǒng)壓力溫度傳感器和液壓油堵塞傳感器等信號(hào)的采集和處理功能。主、輔控制器及主控盒之間通過(guò)CAN總線互連，數(shù)據(jù)通訊采用CANopen協(xié)議。

2.1PLC的特點(diǎn)與選型

控制系統(tǒng)采用SPT-K系統(tǒng)控制器，該控制器為一種嵌入式的高性能工程機(jī)械專(zhuān)用軟控制器，集成PLC、比例放大電路、數(shù)模/模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、繼電器輸出和PWM輸出驅(qū)動(dòng)為一體，特別適合在惡劣的環(huán)境條件下工作，該系列控制器的特點(diǎn)如下。

a.內(nèi)置的嵌入式比例放大器，將多片閥的放大器集成為一體，輸出可直接驅(qū)動(dòng)電液比例閥，減少了外圍輔助電路，有效提高了系統(tǒng)的可靠性。

b.模擬信號(hào)輸入端子具備處理不同輸入信號(hào)的能力，可連接電位計(jì)、熱敏電阻、電流/電壓信號(hào)變送器等多種工程信號(hào)，并可使用軟件編程進(jìn)行靈活設(shè)定。

c.基于CAN總線開(kāi)發(fā)，提供了CANopen與CAN2.0兩種總線接口，便于使用多個(gè)控制器組網(wǎng)。

由于機(jī)械化橋的液壓系統(tǒng)比較復(fù)雜，共有14個(gè)開(kāi)關(guān)量輸入，2個(gè)脈沖量輸入，4個(gè)模擬量輸入，8個(gè)PWM輸出，另有主控盒上的控制手柄和操作開(kāi)關(guān)的信號(hào)輸入，控制點(diǎn)多，控制邏輯復(fù)雜，因此采用2臺(tái)控制器(SPT-K-2023和SPT-K-2024)，構(gòu)成主從式結(jié)構(gòu)。另外，設(shè)置了作業(yè)顯示終端，進(jìn)行狀態(tài)參數(shù)的顯示和架設(shè)/撤收過(guò)程參數(shù)的顯示。各個(gè)部分之間通過(guò)CAN總線連接。

2.2控制器資源配置

控制器的I/O資源配置如表1和表2所示。

表1SPT-K-2023的I/O資源配置表

端口類(lèi)型地址說(shuō)明XM1.1AI%IW100輔助臂油缸位移傳感器XM1.2AI%IW101前懸臂油缸位移傳感器XM1.3AI%IW102后擺架變幅油缸位移傳感器XM1.9PI%IW155推橋計(jì)數(shù)傳感器A路信號(hào)XM1.10PI%IW154推橋計(jì)數(shù)傳感器B路信號(hào)XM1.5PWM%QW103開(kāi)橋油缸控制閥電磁線圈XM1.6PWM%QW102輔助臂油缸控制閥電磁線圈XM1.7PWM%QW100前懸臂油缸控制閥電磁線圈XM1.8PWM%QW101推橋馬達(dá)控制閥電磁線圈XM2.1PWM%QW104前支撐器油缸控制閥電磁線圈XM2.2PWM%QW105插銷(xiāo)油缸控制閥電磁線圈XM2.3PWM%QW107固定器油缸控制閥電磁線圈XM2.4PWM%QW106后擺架變幅油缸控制閥電磁線圈

表2SPT-K-2024的I/O資源配置表

端口類(lèi)型地址說(shuō)明XM1.1DI%IX1.4開(kāi)橋位接近開(kāi)關(guān)信號(hào)XM1.2DI%IX1.5開(kāi)橋原位接近開(kāi)關(guān)信號(hào)XM1.3DI%IX1.7限出位開(kāi)關(guān)信號(hào)XM1.4DI%IX1.6橋節(jié)原位開(kāi)關(guān)信號(hào)XM1.7DI%IX0.0固定器固定位開(kāi)關(guān)信號(hào)XM1.8DI%IX0.1固定器原位開(kāi)關(guān)信號(hào)XM1.14DI%IX0.3丙丁落位檢測(cè)開(kāi)關(guān)信號(hào)XM1.15DI%IX0.2插銷(xiāo)油缸原位開(kāi)關(guān)信號(hào)XM1.16DI%IX1.3插銷(xiāo)油缸插銷(xiāo)位開(kāi)關(guān)信號(hào)XM1.17DI%IX1.2出油濾清器堵塞XM1.22DI%IX1.1回油濾清器堵塞XM3.13AI%IW110溫度傳感器電流輸入XM3.5AI%IW106壓力傳感器XM3.6AI%IW107橫向傾角傳感器XM3.7AI%IW108縱向傾角傳感器

2.3電液比例閥的驅(qū)動(dòng)方式

機(jī)械化橋所有電磁閥的工作電壓均為24V，負(fù)載敏感多路換向閥每聯(lián)電磁閥的工作電流小于3A，可由PLC直接驅(qū)動(dòng)閥芯動(dòng)作。SPT-K-2023嵌入式PLC的PWM輸出采用大功率MOS管圖騰柱結(jié)構(gòu)的推動(dòng)級(jí)方式，輸出引腳的特性為“正向電流輸出型”。

嵌入式PLC的PWM輸出口可以直接驅(qū)動(dòng)電液比例閥。控制手柄操作電磁閥時(shí)，PLC采集角度傳感器信號(hào)，經(jīng)處理后改變PWM的輸出驅(qū)動(dòng)電流值，從而達(dá)到調(diào)整電液比例換向閥開(kāi)度大小的目的。在控制過(guò)程中，PLC通過(guò)內(nèi)置采樣電阻來(lái)獲取驅(qū)動(dòng)電流的反饋信息，因此雙向電液比例閥電磁線圈的驅(qū)動(dòng)電路接線需采用2個(gè)輸出引腳。由于雙向電液比例閥的2個(gè)電磁線圈不會(huì)同時(shí)通電工作，所以對(duì)其驅(qū)動(dòng)可采用3個(gè)引腳的接線方式，2個(gè)引腳接線圈的驅(qū)動(dòng)輸入接頭，而第3引腳的電流返回線由2個(gè)驅(qū)動(dòng)引腳共用。每個(gè)PWM電流返回引腳都具有單獨(dú)的地址，能夠與8個(gè)PWM輸出端口的任何一個(gè)配合。為保護(hù)PLC輸出級(jí)的CMOS功率管，在電液比例閥的電磁線圈端口上必須并聯(lián)續(xù)流二極管，其接線方式如圖2所示。

圖2　雙向比例閥的驅(qū)動(dòng)接線

3嵌入式PLC的操作系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1SPT-K控制器的初始化

基于CANopen協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)為主從式結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)號(hào)最小的控制器設(shè)置為主模式(MASTER)，其他的節(jié)點(diǎn)設(shè)置為輔助(SLAVE)模式，這是因?yàn)楣?jié)點(diǎn)號(hào)越小，控制器的優(yōu)先級(jí)越高。系統(tǒng)使用標(biāo)準(zhǔn)的CAN數(shù)據(jù)格式，ID為11位，有效數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為8個(gè)字節(jié)，CANopen數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為“CANID，DLC，D0，D1，D2，D3，D4，D5，D6，D7”。

如果控制器需向CAN總線上發(fā)送數(shù)據(jù)，那么在初始化完成后，控制器從虛擬節(jié)點(diǎn)往總線上發(fā)送4幀TPDO(CANOPEN_START_INIT、CANOPEN_END_INIT)，第1幀PDO數(shù)據(jù)的ID為“0X180+控制器的節(jié)點(diǎn)號(hào)”，隨后3幀依次為“0X280”、“0X380”和“0X480”與控制器的節(jié)點(diǎn)號(hào)相加。

如果發(fā)送時(shí)數(shù)據(jù)沒(méi)有變化，則每隔300ms控制器向總線發(fā)送1次數(shù)據(jù)。如數(shù)據(jù)變化了，則控制器會(huì)立即將更新后的數(shù)據(jù)發(fā)送到總線上。

3.2操作系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

操作系統(tǒng)程序基于CoDeSys開(kāi)發(fā)環(huán)境編寫(xiě)，并按功能塊結(jié)構(gòu)進(jìn)行程序設(shè)計(jì)。

模塊之間通訊程序的編寫(xiě)，包括CAN總線的初始化、PDO數(shù)據(jù)的發(fā)送、PDO數(shù)據(jù)的接收和參數(shù)設(shè)定等。根據(jù)系統(tǒng)需求與特點(diǎn)，將EPEC2023的節(jié)點(diǎn)ID定義為1，EPEC2024的節(jié)點(diǎn)ID定義為4，主控盒節(jié)點(diǎn)定義為3。由于作業(yè)顯示終端只需要從總線上接收信號(hào)而無(wú)輸出信號(hào)，因而不需要定義節(jié)點(diǎn)ID。

標(biāo)度變換功能塊、故障處理與報(bào)警功能塊、邏輯互鎖功能調(diào)用模塊和數(shù)據(jù)顯示模塊，主要完成坐標(biāo)參數(shù)與狀態(tài)參數(shù)的變換，故障的處理和報(bào)警、機(jī)械化橋架設(shè)與撤收過(guò)程中的順序保護(hù)、互鎖和防誤操作，以及液壓系統(tǒng)狀態(tài)參數(shù)、車(chē)體傾斜、GPS導(dǎo)航等信息的顯示等功能。

通過(guò)功能模塊調(diào)用，在機(jī)械化橋的行走、架設(shè)、撤收和導(dǎo)航等工況下，根據(jù)系統(tǒng)要求，保證電控系統(tǒng)的正常運(yùn)行，控制液壓系統(tǒng)按要求實(shí)現(xiàn)自動(dòng)、手動(dòng)和車(chē)外遠(yuǎn)程操作等。

4結(jié)束語(yǔ)

選用嵌入式PLC完成了軍用裝備的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控與自動(dòng)化操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中進(jìn)行了通信總線的選型與實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了控制器、數(shù)據(jù)采集傳感器和現(xiàn)場(chǎng)總線的優(yōu)化匹配。研制過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，對(duì)于機(jī)電液等復(fù)雜的軍用工程裝備，總線和傳感器的匹配非常重要，考慮到作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的惡劣環(huán)境，采用CAN總線、高可靠性的進(jìn)口接近開(kāi)關(guān)和嵌入式PLC為核心，組成測(cè)控系統(tǒng)，才能滿足軍用裝備的使用需求。本研制方案為同類(lèi)工程機(jī)械的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控、無(wú)人化操作和智能化改造，提供了重要的技術(shù)參考。

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