基于伺服電機(jī)控制的γ射線探傷機(jī)自動(dòng)控制儀的設(shè)計(jì)

羅 睿

（中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院設(shè)備制造廠，成都 610000）

基于伺服電機(jī)控制的γ射線探傷機(jī)自動(dòng)控制儀的設(shè)計(jì)

羅 睿

（中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院設(shè)備制造廠，成都 610000）

γ射線探傷機(jī)自動(dòng)控制儀是γ射線探傷機(jī)自動(dòng)送收源的電氣產(chǎn)品，有多種安全聯(lián)鎖功能。本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要完成的功能是通過(guò)人機(jī)界面預(yù)置參數(shù)，由可編程控制器（PLC）根據(jù)預(yù)置參數(shù)精確控制伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，完成γ射線探傷源的精確定位，實(shí)現(xiàn)被檢測(cè)工件探傷曝光，同時(shí)能夠有效減少?zèng)_擊對(duì)送源軟軸的損壞。通過(guò)各種可靠的安全連鎖裝置，處理探傷工作中各種異常情況的發(fā)生。運(yùn)動(dòng)過(guò)程采用閉環(huán)控制，整個(gè)系統(tǒng)具有較高的測(cè)量精確度和可靠性，達(dá)到對(duì)γ射線探傷機(jī)自動(dòng)完成“送源—曝光—收源”的精確控制。

伺服驅(qū)動(dòng) PLC高速計(jì)數(shù) 精確定位 閉環(huán)控制

引言

γ射線探傷機(jī)自動(dòng)控制儀是自動(dòng)控制探傷源送到曝光位置進(jìn)行曝光，曝光時(shí)間到后自動(dòng)把探傷源收回到探傷機(jī)主機(jī)（屏蔽體）的電氣控制裝置。

目前，國(guó)內(nèi)γ射線探傷機(jī)生產(chǎn)廠家配備的自動(dòng)控制儀普遍使用直流力矩電機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)探傷源的送收，但體積大、質(zhì)量重，不利于野外探傷；轉(zhuǎn)動(dòng)慣性大，不能實(shí)現(xiàn)精確定位。中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院設(shè)備制造廠的自動(dòng)控制儀，主要是PLC程序上采集源的位移數(shù)據(jù)和送源卡堵的狀態(tài)來(lái)判斷是否達(dá)曝光位置。這樣的設(shè)計(jì)雖然可以保證設(shè)備工作時(shí)探傷源能夠達(dá)到曝光頭，但每次曝光都會(huì)對(duì)軟軸造成一定的沖擊。長(zhǎng)期使用可能造成軟軸的變形，減少設(shè)備的整機(jī)使用壽命。

伺服電機(jī)與普通直流力矩電機(jī)最大的區(qū)別在于擁有電機(jī)轉(zhuǎn)子和反饋裝置。伺服電機(jī)轉(zhuǎn)子表面貼有強(qiáng)力磁鋼片，因此可以通過(guò)定子線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)精確控制轉(zhuǎn)子的位置，并且加減速特性遠(yuǎn)高于普通力矩電機(jī)，運(yùn)動(dòng)速度可調(diào)可控。所以，使用伺服電機(jī)控制可以通過(guò)電機(jī)加減速實(shí)現(xiàn)放射源的平緩移動(dòng)。通過(guò)反饋參數(shù)判斷曝光位置而不必要發(fā)生堵轉(zhuǎn)，可以有效保護(hù)驅(qū)動(dòng)軟軸。

1 設(shè)計(jì)要求

1.1 技術(shù)指標(biāo)

本裝置主要是通過(guò)電機(jī)拖動(dòng)軟軸來(lái)控制探傷源移動(dòng)定位的裝置。具有以下要求：（1）采用臺(tái)達(dá)交流伺服電機(jī)，型號(hào)：ECMA-C30604PS，額定轉(zhuǎn)速：3000r/m，功率：0.4kW；（2）伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，型號(hào)：ASD-A0421-AB；（3）移動(dòng)速度在大于0.5m；（4）中間控制單元采用歐姆龍20點(diǎn)PLC，型號(hào)：CP1H并與人機(jī)界面通訊；（5）定位精度：±2mm。

1.2 安全保護(hù)功能

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，伺服電機(jī)的運(yùn)動(dòng)采用閉環(huán)控制和加、減速度運(yùn)動(dòng)控制，保證裝置定位運(yùn)動(dòng)運(yùn)行平穩(wěn)、可靠，盡可能減少對(duì)輸源軟軸的拉伸破壞。

由于位置參數(shù)采用的伺服電機(jī)的反饋裝置——增量型光電編碼器，設(shè)計(jì)時(shí)重點(diǎn)考慮脈沖的采集與計(jì)算。

在對(duì)貯位信號(hào)檢測(cè)裝置上采用可靠性、精確及耐久的非接觸式接近開關(guān)。

1.3 控制軟件

根據(jù)本系統(tǒng)的要求，軟件設(shè)計(jì)包括PLC梯形圖程序設(shè)計(jì)和人機(jī)界面ADP程序設(shè)計(jì)。

1.3.1 人機(jī)界面控制軟件

需要包含以下幾個(gè)功能：

（1）設(shè)置送源長(zhǎng)度、曝光時(shí)間、延時(shí)時(shí)間的參數(shù)，并發(fā)送給PLC對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)；

（2）向PLC發(fā)送控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)指令，包括送源指令和回源指令；

（3）顯示當(dāng)前設(shè)備的工作狀態(tài)，包括探傷源狀態(tài)、門連鎖狀態(tài)、曝光時(shí)間等；

（4）設(shè)置人性化的功能按鈕，方便操作者操作設(shè)備。

1.3.2 PLC軟件

需要包含以下幾個(gè)功能：

（1）接受人機(jī)界面的信號(hào)，發(fā)出控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)信號(hào)和速度控制脈沖給伺服驅(qū)動(dòng)器；

（2）采集光電編碼器脈沖并進(jìn)行處理和計(jì)算，判斷探傷源的當(dāng)前狀態(tài)；

（3）處理整個(gè)電氣系統(tǒng)的各種組合邏輯關(guān)系，并向觸摸屏、伺服驅(qū)動(dòng)器發(fā)出處理信號(hào)；

（4）采集貯位信號(hào)，保證整個(gè)電氣系統(tǒng)的安全可靠。

2 工作原理

本系統(tǒng)的主要功能是通過(guò)人機(jī)界面和PLC自動(dòng)控制γ射線探傷機(jī)主機(jī)內(nèi)的探傷源自動(dòng)“送源——曝光——收源”的過(guò)程，顯示探傷源工作狀態(tài)和實(shí)現(xiàn)安全聯(lián)鎖控制。

通過(guò)在人機(jī)界面中選擇所需要的曝光距離方案，輸入曝光時(shí)間和延時(shí)時(shí)間，人機(jī)界面就把所輸入的信息傳輸給PLC數(shù)據(jù)寄存器。PLC通過(guò)程序計(jì)算，向伺服驅(qū)動(dòng)器發(fā)送伺服啟動(dòng)信號(hào)，方向信號(hào)和速度脈沖信號(hào)來(lái)控制伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。同時(shí)，PLC的高速計(jì)數(shù)器采集伺服電機(jī)反饋的高速脈沖來(lái)計(jì)算探傷源的位移。當(dāng)計(jì)算的位移達(dá)到所選擇的位置時(shí)，PLC發(fā)出信號(hào)停止伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，開啟曝光時(shí)間，讓探傷機(jī)進(jìn)行曝光作業(yè)。當(dāng)設(shè)置的曝光時(shí)間到后，PLC向伺服驅(qū)動(dòng)器發(fā)出回源指令，讓探傷源收回到探傷機(jī)主機(jī)里面，完成一次探傷作業(yè)。整個(gè)伺服系統(tǒng)采用的是閉環(huán)控制。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)及分析

3.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

如圖1所示，本系統(tǒng)采用人機(jī)界面做為上位機(jī)、PLC做為下位機(jī)的控制模式。根據(jù)系統(tǒng)輸入輸出點(diǎn)、上位機(jī)通信口和高速脈沖計(jì)數(shù)功能，選擇歐姆龍CP1H 20點(diǎn)的PLC作為本系統(tǒng)的控制器。該P(yáng)LC輸入口分別連接防護(hù)門聯(lián)鎖、源貯位聯(lián)鎖、緊急回源信號(hào)和高速AB相脈沖信號(hào)。輸出端口功能是向伺服驅(qū)動(dòng)器發(fā)出各種指令，如伺服開啟、電機(jī)正反轉(zhuǎn)、速度脈沖等。伺服驅(qū)動(dòng)器再根據(jù)PLC發(fā)出的信號(hào)來(lái)控制交流伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)與停止。可編程控制器與人機(jī)界面通過(guò)RS-232接口進(jìn)行通信。

圖1 硬件系統(tǒng)圖

3.2 伺服系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置

控制伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)首先要對(duì)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行設(shè)置，主要是設(shè)置伺服電機(jī)的控制方式、檢出器輸出脈沖數(shù)和數(shù)字輸入接腳規(guī)劃功能，其他參數(shù)都采用系統(tǒng)的默認(rèn)值。

3.3 PLC控制程序設(shè)計(jì)

PLC控制程序在設(shè)計(jì)上主要考慮的任務(wù)是：（1）根據(jù)人機(jī)界面設(shè)置的參數(shù)，經(jīng)過(guò)邏輯判斷和數(shù)值計(jì)算后，給伺服驅(qū)動(dòng)器發(fā)出伺服啟動(dòng)、方向和速度脈沖信號(hào)；（2）處理伺服電機(jī)反饋的高速A/B相脈沖信號(hào)；（3）通過(guò)信息處理結(jié)果進(jìn)行邏輯分析，得出設(shè)備工作狀態(tài)和執(zhí)行相關(guān)動(dòng)作；（4）處理各種安全連鎖信號(hào)等。PLC編采用梯形圖編程，程序根據(jù)如圖2所示的順序執(zhí)行。

3.3.1 伺服電機(jī)加減速驅(qū)動(dòng)控制

伺服控制驅(qū)動(dòng)控制過(guò)程是驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)啟動(dòng)、停止、正反轉(zhuǎn)和速度。伺服電機(jī)啟動(dòng)、停止、正反轉(zhuǎn)控制，直接在程序中指定控制輸出端來(lái)實(shí)現(xiàn)。本系統(tǒng)速度的控制由PLC指定的輸入口輸出程序定義的脈沖完成。本系統(tǒng)中，使用PLC脈沖輸出口0。

為了使電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，防止自控儀電機(jī)的慣性沖擊和電機(jī)本身的電流變化過(guò)快，本控制系統(tǒng)引入了加減速控制模式。同時(shí)，可以使送源精度更加可靠，增加輸源軟軸和電機(jī)的壽命。具體設(shè)計(jì)是使用不同的速度控制指令（指定輸出脈沖PLS2，脈沖頻率ACC），讓脈沖輸出口加速減速輸出脈沖，以控制伺服電機(jī)的速度。

3.3.2 高速計(jì)數(shù)模塊閉環(huán)控制

伺服電機(jī)的運(yùn)動(dòng)使伺服電機(jī)反饋裝置編碼器產(chǎn)生AB相脈沖，需要首先在PLC編程軟件窗口上對(duì)其高速脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)器設(shè)置。確定計(jì)數(shù)模式、計(jì)數(shù)范圍及復(fù)位方式。本系統(tǒng)中使用高速計(jì)數(shù)器0，作為伺服電機(jī)編碼器輸脈沖輸入口。程序運(yùn)行時(shí)，調(diào)用高速計(jì)數(shù)處理指令（當(dāng)前值讀取PRV和動(dòng)作控制INI），以完成對(duì)光電編碼器當(dāng)前值的采集和運(yùn)動(dòng)控制。

圖2 PLC程序流程圖

3.3.3 脈沖量精度設(shè)計(jì)

脈沖量精度設(shè)計(jì)的公式：P=M（編碼）×4（倍頻）/（B×L2）。這里，P為傳給PLC的駐留距離比較數(shù)值；M（編碼）為設(shè)置的編碼器每周的增量值（伺服驅(qū)動(dòng)器設(shè)置為315）；B為減速比（20:1減速箱）；L2為自動(dòng)控制儀每圈軟軸實(shí)際移動(dòng)距離（240mm）。

于是，可以計(jì)算出每毫米的計(jì)數(shù)值：P（1mm）=315×4/（1/20×24）=100。

因此，在暫不考慮機(jī)械因數(shù)的影響下，旋轉(zhuǎn)編碼器每輸出一個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)的距離為0.01mm。

3.4 人機(jī)界面程序設(shè)計(jì)

人機(jī)界面是一種智能化操作控制顯示裝置，是系統(tǒng)和用戶之間進(jìn)行交互和信息交換的媒介；這里主要是向系統(tǒng)控制器PLC輸入用戶探傷作業(yè)的相關(guān)信息、顯示工作的狀態(tài)等功能。本系統(tǒng)人機(jī)界面的主要功能如圖3所示。

圖3 人機(jī)界面ADP程序結(jié)構(gòu)圖

本系統(tǒng)的人機(jī)界面設(shè)計(jì)主要包括參數(shù)輸入、數(shù)據(jù)顯示、狀態(tài)顯示和功能控制四個(gè)方面。根據(jù)在PLC控制程序中所定義的地址信息和邏輯功能，在ADP軟件中把各元件與PLC地址對(duì)應(yīng)起來(lái)，更改元件屬性，包括寫至位、讀取位、制定生效位、按鈕功能等。

人機(jī)界面設(shè)計(jì)根據(jù)功能分成三組界面，分別是初始界面、主控界面和系統(tǒng)設(shè)置界面。整個(gè)系統(tǒng)界面設(shè)置簡(jiǎn)單清晰，功能完整，操作簡(jiǎn)單。

5 創(chuàng)新性和關(guān)鍵技術(shù)

基于伺服電機(jī)控制的γ射線探傷機(jī)自動(dòng)控制儀，其伺服電機(jī)控制模式是一種探傷機(jī)控制系統(tǒng)上的創(chuàng)新，提高了參數(shù)精度。此外，電機(jī)加減速度控制、PLC程序模塊化設(shè)計(jì)和更為可靠的安全聯(lián)塑是本系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。

6 結(jié)論

目前，本系統(tǒng)基本調(diào)試完成，使用6.3m的曝光管進(jìn)行送收源，全行程運(yùn)動(dòng)的定位精度達(dá)到正負(fù)2mm以內(nèi)，各樣指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求。需要說(shuō)明的是，本系統(tǒng)的成功設(shè)計(jì)，使中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院設(shè)備制造廠探傷機(jī)自動(dòng)控制儀的控制精度和可靠性得到進(jìn)一步提高，大大增強(qiáng)了產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

[1]OMRON公司.SYSMAC/CP1H可編程控制器編程手冊(cè)[Z].

[2]ACE PILLAR公司.ADP6軟體編程手冊(cè)[Z].

[3]DELTA公司.ASDA AB伺服驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用技術(shù)手冊(cè)[Z].

[4]宋伯生.PLC編程理論、算法及技巧[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社.

[5]李海發(fā)，王巖.電機(jī)與拖動(dòng)基礎(chǔ)[M].北京：清華大學(xué)出版社.

Design of Automatic Control Instrument for γ-ray Flaw Detector Based on Servo Motor Control

LUO Rui
(China National Nuclear Power Research and Design Institute of Equipment Manufacturing, Chengdu 610000)

The automatic control device of γ-ray detection machine is a kind of electrical product of γ-ray detector, which has many kinds of safety interlocking functions. The main function of this system is to control the servo motor rotation precisely according to preset parameters by programmable controller (PLC) through pre-setting parameters of man-machine interface, to complete the accurate positioning of γ-ray detection source, to realize the detection of workpiece exposure , At the same time can effectively reduce the impact of the damage to the source flexible shaft. Through a variety of reliable safety interlock device, dealing with various anomalies in the detection of the occurrence of the work. The whole system has high precision and reliability, and it can control the γ-ray detector automatically. It can control the source-expose-receive-source automatically.

servo drive, PLC high-speed counting, precise positioning, closed-loop control