水電工程材料分揀倉(cāng)儲(chǔ)裝置控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及仿真

龍真生

(廣西大學(xué)行健文理學(xué)院， 電氣系， 廣西， 南寧 530022)

0 引言

目前國(guó)家鼓勵(lì)進(jìn)行中小型水電建設(shè)，地方為鞏固扶貧成果而大力實(shí)施小水電建設(shè)。但水電工程建設(shè)涉及大量零散、種類(lèi)繁多、數(shù)量龐大的工程物資材料分揀倉(cāng)儲(chǔ)及取用需求。這樣會(huì)導(dǎo)致工人的分揀搬運(yùn)勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低下。通過(guò)技術(shù)研究，找出一套簡(jiǎn)易可靠實(shí)用的分揀倉(cāng)儲(chǔ)裝置自動(dòng)控制和仿真監(jiān)控系統(tǒng)，提供參考方案。

1 主體設(shè)計(jì)路徑

主體設(shè)計(jì)路徑為基于現(xiàn)實(shí)做設(shè)計(jì)的理論分析，通過(guò)MATLAB對(duì)控制器進(jìn)行理論控制性能分析，然后通過(guò)NX MCD軟件建立實(shí)際生產(chǎn)線模型進(jìn)行虛擬調(diào)試來(lái)驗(yàn)證控制程序與監(jiān)控界面。如圖1所示。

2 控制單元

2.1 供配電控制單元

KM1、KM2、KM3、KM4繼電器由PLC控制，PLC使用獨(dú)立電源，由PLC控制主/備用電源切換，具體如圖2所示。

2.2 電機(jī)控制單元

電機(jī)手動(dòng)控制，旋鈕轉(zhuǎn)至手動(dòng)，由3個(gè)定值電阻分別接入實(shí)現(xiàn)調(diào)速，并可由KM6繼電器控制電機(jī)正/反轉(zhuǎn)，KM5為電機(jī)啟動(dòng)總開(kāi)關(guān)，可由就地SB1和觸摸屏按鈕啟動(dòng)并自鎖，停止按鈕為SB2，L1與L2中配置電壓表，用于監(jiān)視壓降,如圖3所示。

圖1 主體設(shè)計(jì)路徑

電機(jī)自動(dòng)控制，電機(jī)轉(zhuǎn)速由增量型編碼器記錄并通過(guò)Z相輸出脈沖，將這些脈沖直接送到PLC，并通過(guò)計(jì)算可得到當(dāng)前電機(jī)轉(zhuǎn)速,如圖4所示。

圖2 供配電控制單元

圖3 電機(jī)手動(dòng)控制

圖4 電機(jī)自動(dòng)控制

直流電機(jī)與旋轉(zhuǎn)編碼器為同軸，旋轉(zhuǎn)編碼器輸出矩形波脈沖，PLC可根據(jù)頻率進(jìn)行編程識(shí)別出直流電機(jī)轉(zhuǎn)速，最后輸出模擬量電壓來(lái)控制直流電機(jī)[1]。

2.3 測(cè)重單元控制

在待分揀的傳送帶末端設(shè)計(jì)1個(gè)測(cè)重的壓感裝置，該裝置由1張平面板、1根豎桿、2根液壓桿以及4個(gè)電極組成，當(dāng)運(yùn)動(dòng)電極與固定電極接觸時(shí)，輸出高電平信號(hào)。如圖5所示。

2.4 分揀抓手單元控制

圖5 測(cè)重單元控制

圖6 分揀抓手單元控制

3 設(shè)備網(wǎng)絡(luò)組態(tài)及編程

PS電源為網(wǎng)絡(luò)內(nèi)全部設(shè)備進(jìn)行供電，PLC型號(hào)為S7-1200，該CPU為西門(mén)子工業(yè)控制器中的中端控制器，PC站為工程師站，HMI觸摸屏站為就地現(xiàn)場(chǎng)控制站，各類(lèi)設(shè)備使用以太網(wǎng)進(jìn)行通訊。設(shè)備網(wǎng)絡(luò)組態(tài)如圖7所示。

3.1 PLC外部接線圖

DCM模塊為直流電機(jī)模塊。PLC站使用4個(gè)DI拓展模塊，4個(gè)DQ拓展模塊，1個(gè)AQ拓展模塊。

3.2 PLC程序

背景數(shù)據(jù)塊FB塊，是程序中最重要的數(shù)據(jù)處理分析的函數(shù)塊，是整個(gè)分揀倉(cāng)儲(chǔ)裝置控制程序的主要數(shù)據(jù)分析及邏輯控制塊。

圖7 設(shè)備網(wǎng)絡(luò)組態(tài)

可編程控制器中Process_center FB塊的背景數(shù)據(jù)塊以及程序，如表1和圖8所示。

表1 Process_center FB塊SCL程序

圖8 Process_center FB塊程序段

總共有1、2號(hào)提升機(jī)及1、2、3號(hào)爪手的FB塊。

可編程控制器中負(fù)責(zé)計(jì)算的功能塊Arith FB塊的背景數(shù)據(jù)塊，該塊為增量式PI算法塊。

Pulse_Z變量為Z相脈沖變量，#SV為設(shè)定值，#PV為測(cè)量值，#LI為設(shè)定值與測(cè)量值的差值，通過(guò)配置#K與#LI的乘積來(lái)控制#LII值，數(shù)據(jù)寫(xiě)入#LII變量后再將#LII值賦給#LIII，將#PV值賦給#LPV，然后到下一個(gè)1 s脈沖來(lái)時(shí)，再將#PV的值更新，重新寫(xiě)入#LI，同樣的寫(xiě)入#LII，然后通過(guò)#LII當(dāng)前值與上個(gè)脈沖寫(xiě)入的#LIII值對(duì)比值以及#LII的值進(jìn)行分析處理，輸出控制電壓，當(dāng)#PV的值與#SV的值相等時(shí)，#LI的值為0，控制電壓不再變化，這時(shí)輸出電壓由#LIII的值控制。

二是復(fù)雜的多變性。青年價(jià)值觀的多變性體現(xiàn)在三個(gè)方面：首先，同輩群體對(duì)青年價(jià)值取向的影響很大。青年往往喜歡和同伴們?cè)趦r(jià)值取向上保持一致，從而忽略了個(gè)體的差異性以及價(jià)值觀念的合理性。其次，青年為了獲得他人的認(rèn)同，樂(lè)于追求時(shí)髦的事物，有時(shí)甚至標(biāo)新立異，借此來(lái)展現(xiàn)自己的與眾不同。再次，價(jià)值傾向易受到外部因素的影響，但是出于贏得他人認(rèn)同而違背自身發(fā)展利益形成的價(jià)值取向必然不會(huì)持久。

表2 Arith FB塊SCL程序

4 直流電機(jī)控制

4.1 系統(tǒng)控制電路模型

建立電機(jī)電路模型、等效出電阻、電感等部分，如圖9所示。

圖9 電機(jī)電路模型

電機(jī)系統(tǒng)的等效方框圖為圖10，其中，H1為電機(jī)的電學(xué)部分，H2為電機(jī)的力學(xué)部分，將2個(gè)部分分開(kāi)討論，Td與Tm疊加出TE，TE輸入到H2，最后輸出角速度ω。其中，U1為電機(jī)的輸入電壓，Td為電機(jī)所受到的干擾力矩。

在勵(lì)磁電流If恒定時(shí)，電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩Tm和電動(dòng)機(jī)電樞電流i成正比。電動(dòng)機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)U2與電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速ωn成正比[2]。

圖10 電機(jī)自控系統(tǒng)方框圖

對(duì)于狀態(tài)空間設(shè)計(jì)優(yōu)化的動(dòng)態(tài)控制器，系統(tǒng)模型如圖11所示。

圖11 電機(jī)引入控制器后的方框圖

4.2 MATLAB分析閉環(huán)系統(tǒng)

通過(guò)分析，在計(jì)算出K的基礎(chǔ)上，通過(guò)分析法與試湊法配置優(yōu)化反饋增益矩陣K，以獲得良好的系統(tǒng)性能；通過(guò)計(jì)算與二分法分析，取K1=[0.0836 2.0484 -10]，此時(shí)，具體表達(dá)式為圖12，可得本系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型如下：

圖12 電機(jī)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

當(dāng)以ωr作為輸入以ω作為輸出時(shí)，子系統(tǒng)的傳遞函數(shù)如式(1)：

(1)

系統(tǒng)的階躍響應(yīng)如圖13所示。

圖13 角速度參考輸入系統(tǒng)階躍響應(yīng)(K1)

以Td作為輸入，以ω作為輸出時(shí)，子系統(tǒng)的傳遞函數(shù)如：

(2)

系統(tǒng)的階躍響應(yīng)如圖14所示。

優(yōu)化反饋增益矩陣后，系統(tǒng)有著優(yōu)秀的性能，角速度輸入穩(wěn)態(tài)時(shí)間小于0.7 s，超調(diào)量小于1%，對(duì)于干擾力矩也有較強(qiáng)的抑制性能，系統(tǒng)有著較強(qiáng)的抗干擾能力[3]。MATLAB計(jì)算命令行如表3所示。

圖14 干擾力矩輸入系統(tǒng)階躍響應(yīng)(K1)

表3 MATLAB計(jì)算命令行

從表3可以看出，在建立A、B、C、D4個(gè)矩陣后，并配置Q、R加權(quán)矩陣后使用care函數(shù)求解出黎卡提方程的解，然后代入式(3)便可求解出反饋矩陣K。

u*=-R-1BTPx=-Kx

(3)

5 分儲(chǔ)裝置自動(dòng)控制仿真調(diào)試

5.1 信號(hào)連接變量表及物體名稱(chēng)表

通過(guò)Siemens NX MCD中的機(jī)電一體化概念設(shè)計(jì)進(jìn)行分揀控制系統(tǒng)仿真調(diào)試，并將列出相關(guān)信號(hào)連接變量表以及仿真調(diào)試結(jié)果[4]。

建立關(guān)于剛體、碰撞體、運(yùn)動(dòng)副、傳感器的物體名稱(chēng)并連接相關(guān)信號(hào)，具體名稱(chēng)如表4所示。

表4 MCD部分物體名稱(chēng)

剛體為具有物理意義的模型，軟件會(huì)生成剛體的力學(xué)表達(dá)式；碰撞體為去除重力的力學(xué)表達(dá)式，可用作傳送帶表面等模型；運(yùn)動(dòng)副為可運(yùn)動(dòng)部件的模型，建立后可進(jìn)行水平、垂直或旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；傳感器輸出邏輯信號(hào)[5]。

NX MCD軟件中的信號(hào)與PLC中的部分IO變量連接如表5所示。

表5 MCD部分變量連接表

5.2 仿真調(diào)試

倉(cāng)儲(chǔ)第1層與第3層即將滿載，提升機(jī)即將動(dòng)作，將物件轉(zhuǎn)送到其他倉(cāng)儲(chǔ)層中。分揀貯藏仿真調(diào)試如圖15、圖16所示。

倉(cāng)儲(chǔ)裝置裝載物件已滿的形式，該分揀倉(cāng)儲(chǔ)裝滿的時(shí)間為30 min，同時(shí)可以從圖15看出當(dāng)倉(cāng)儲(chǔ)裝置已滿時(shí)每個(gè)裝置將會(huì)自動(dòng)停止運(yùn)行。

圖15 分揀貯藏進(jìn)行中仿真調(diào)試

圖16 分揀貯藏完成仿真調(diào)試

6 總結(jié)

基于PLC的PID算法控制應(yīng)用，亦可將相關(guān)算法應(yīng)用于PLC控制程序中，并通過(guò)西門(mén)子的機(jī)電一體化概念設(shè)計(jì)NX MCD軟件進(jìn)行仿真調(diào)試，該分揀儲(chǔ)存及取用裝置自動(dòng)控制及仿真系統(tǒng)多應(yīng)用于設(shè)計(jì)及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試前的仿真調(diào)試，其結(jié)論能對(duì)工程設(shè)計(jì)及現(xiàn)場(chǎng)安裝運(yùn)行提供極高的技術(shù)指導(dǎo)意義和設(shè)計(jì)參考[6]。