一種可擴(kuò)展的多升降臺(tái)協(xié)同控制系統(tǒng)

鄭燦周1，陳育均1，黃偉業(yè)1，劉旭鵬1，鄭譽(yù)煌2

1 概述

隨著社會(huì)需求的發(fā)展，傳統(tǒng)的單升降臺(tái)工作模式已經(jīng)不能滿足實(shí)際工程需要，多升降臺(tái)協(xié)同工作在實(shí)際工程應(yīng)用越來(lái)越廣泛，特別是在大型表演舞臺(tái)中，可能需要采取上百臺(tái)升降臺(tái)一起協(xié)同工作[1]。此時(shí)，1個(gè)多升降臺(tái)協(xié)同控制系統(tǒng)就顯得尤其重要。本文以4個(gè)升降臺(tái)的同步控制為研究對(duì)象，通過(guò)分析4個(gè)升降臺(tái)行程的同步控制機(jī)理，采用多軸同步運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)一套至少包含4個(gè)升降臺(tái)的行程同步控制系統(tǒng)。本系統(tǒng)可以根據(jù)實(shí)際項(xiàng)目需要擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)更多的升降臺(tái)同步控制[2，3]。整體設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

圖1 整體設(shè)計(jì)方案圖

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)圖1，本系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)關(guān)鍵有兩點(diǎn)，一是升降臺(tái)的行程測(cè)量；二是如何實(shí)現(xiàn)多升降臺(tái)同步控制。

2.1 傳感器

本升降臺(tái)采用4臺(tái)升降臺(tái)進(jìn)行升降，因此需要對(duì)4臺(tái)升降臺(tái)的高度進(jìn)行測(cè)量。本升降臺(tái)通過(guò)多次比較了多種測(cè)量高度的測(cè)量?jī)x器，最終決定采取相對(duì)值式拉線編碼器。相對(duì)值式拉線編碼器的工作原理在于拉線長(zhǎng)度的多少和方向可以通過(guò)編碼器發(fā)送的AB兩相脈沖數(shù)相應(yīng)地反映出來(lái)，相比起其他測(cè)量工具，例如，超聲波測(cè)距，紅外線測(cè)距，它受到外界環(huán)境的影響較小，較為穩(wěn)定，精度也是較為準(zhǔn)確。

為了獲得實(shí)際升降臺(tái)行程，需要對(duì)測(cè)到的脈沖數(shù)進(jìn)行量綱變換。根據(jù)升降臺(tái)在降到最低位置hmin上對(duì)應(yīng)的脈沖數(shù)數(shù)值是xmin，升降臺(tái)在升到最高位置hmax上對(duì)應(yīng)的脈沖數(shù)數(shù)值xmax，升降臺(tái)實(shí)際升降行程h與實(shí)時(shí)測(cè)到脈沖數(shù)x滿足公式(1)和(2)

(1)

(2)

值得注意的是，可以通過(guò)拉線編碼器的精度可以很高，但是實(shí)際上要具體針對(duì)升降臺(tái)所能移動(dòng)的精度進(jìn)行適當(dāng)?shù)厝≈?，因?yàn)楸旧蹬_(tái)系統(tǒng)有移動(dòng)到指定高度功能，但由于有些升降臺(tái)不一定能夠執(zhí)行上升1 mm或者更低的高度。因此適當(dāng)?shù)厝∩峥梢宰屔蹬_(tái)在工作的過(guò)程中，執(zhí)行得更加流暢。

2.2 通信網(wǎng)絡(luò)

本項(xiàng)目中采用三菱FX3U系列PLC，由于FX3U只能支持2個(gè)兩相兩計(jì)高速計(jì)數(shù)器，因此每臺(tái)FX3U最多能接入2個(gè)相對(duì)值式拉線編碼器，因此每臺(tái)PLC最多能控制2個(gè)升降臺(tái)。若要控制4臺(tái)升降臺(tái)同步控制，則需要把2臺(tái)PLC組成1:1網(wǎng)絡(luò)，其中1臺(tái)作為主站，另1臺(tái)作為從站。同理，若要控制N個(gè)升降臺(tái)(N為偶數(shù))，則需要0.5N臺(tái)PLC組成1:(0.5N-1)網(wǎng)絡(luò)。

以本系統(tǒng)采取的1：1網(wǎng)絡(luò)為例。本系統(tǒng)需要設(shè)置主站和從站，采取輔助寄存器M8000在PLC通電后長(zhǎng)閉，然后在主站和從站程序中通過(guò)分別連接輸出輔助寄存器M8070和M8071(如圖2和圖3)，讓其在PLC工作過(guò)程中長(zhǎng)期得電，即可設(shè)置2臺(tái)PLC的主站和從站關(guān)系。當(dāng)然要實(shí)現(xiàn)對(duì)模擬量的測(cè)量，還需要兩臺(tái)PLC都通過(guò)輔助寄存器M8000令計(jì)數(shù)器C251和計(jì)數(shù)器C253長(zhǎng)時(shí)間地得電(如圖4)，這樣編碼器發(fā)送的脈沖數(shù)才能輸送到計(jì)數(shù)器里面。這樣我們便實(shí)現(xiàn)了對(duì)編碼器脈沖數(shù)的采集，最后，需要把采集到的脈沖數(shù)輸送到2臺(tái)PLC的共享數(shù)據(jù)寄存器中，這樣，從站獲取的脈沖數(shù)便可如實(shí)地傳送到主站中去。主站通過(guò)對(duì)共享數(shù)據(jù)寄存器的讀取，就可以得到從站連接的第三四臺(tái)升降臺(tái)的實(shí)時(shí)高度，實(shí)現(xiàn)對(duì)第三和第四臺(tái)升降臺(tái)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

2.3 觸摸屏

本系統(tǒng)通過(guò)采取PLC和觸摸屏通信，把對(duì)4臺(tái)升降臺(tái)監(jiān)控的高度實(shí)時(shí)地反映在觸摸屏地界面上。觸摸屏還可以該系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，真正意義上地實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。在升降臺(tái)系統(tǒng)工作的過(guò)程中，觸摸屏通過(guò)RS232串口線和PLC進(jìn)行通訊，觸摸屏通過(guò)調(diào)用相關(guān)的寄存器，觸摸屏便可以實(shí)時(shí)地得到PLC各個(gè)寄存器的狀態(tài)，也可以得到PLC通過(guò)量綱變換計(jì)算出來(lái)的高度值，這樣各升降臺(tái)的高度便可以如實(shí)反饋給人們。當(dāng)然人們也可以通過(guò)觸摸屏對(duì)相應(yīng)的數(shù)據(jù)寄存器進(jìn)行賦值，然后傳送給PLC(如圖5)。

圖2 主站控制

圖3 從站控制

圖4 從站發(fā)送測(cè)量脈沖到主站

圖5 觸摸屏界面

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

多臺(tái)升降臺(tái)的系統(tǒng)工作是在單臺(tái)升降臺(tái)工作衍生出來(lái)的，也是本多升降臺(tái)系統(tǒng)一大特色。多臺(tái)升降臺(tái)的系統(tǒng)工作的原理在于，通過(guò)前面四臺(tái)升降臺(tái)反饋的高度，進(jìn)行自身監(jiān)控，自身控制，使得四臺(tái)升降臺(tái)能保持在同一高度上，進(jìn)行協(xié)同上升和協(xié)同下降，當(dāng)然也可以讓四臺(tái)升降臺(tái)上升至指定的高度，復(fù)位(觸摸屏控制界面如圖6)等。通過(guò)整個(gè)系統(tǒng)的協(xié)同控制，使得在升降臺(tái)的功能更加人性化。在協(xié)同工作的過(guò)程中，輸出到計(jì)數(shù)器上可以得到上升的增量，在把當(dāng)前高度和增量相加，可以得到要上升的位置高度。再把得到的位置高度跟4臺(tái)升降臺(tái)當(dāng)前高度進(jìn)行比較，可以讓升降臺(tái)上升到該位置。在此，本升降臺(tái)系統(tǒng)設(shè)定了高度限制，在到達(dá)最高點(diǎn)后不再繼續(xù)上升，這對(duì)升降臺(tái)起到了一個(gè)保護(hù)作用。協(xié)同下降同理。除此之外，因?yàn)閰f(xié)同上升和協(xié)同下降都是點(diǎn)動(dòng)操作，所以本系統(tǒng)也設(shè)置松手后延時(shí)一段時(shí)間會(huì)對(duì)相應(yīng)的計(jì)數(shù)器和相關(guān)寄存器清零，以便下一次的操作。

當(dāng)然，本多升降臺(tái)協(xié)同控制系統(tǒng)雖然只用4臺(tái)升降臺(tái)，但是只要PLC的數(shù)量足夠，本系統(tǒng)可以把升降臺(tái)的個(gè)數(shù)拓展到10幾臺(tái)甚至上百臺(tái)，從而解決了多升降臺(tái)的協(xié)同工作和擴(kuò)展問(wèn)題。

圖6 觸摸屏控制界面