基于S7-1200 PLC與LabVIEW的泵輪檢測(cè)設(shè)備控制系統(tǒng)

武文凱，李明輝，鞏強(qiáng)令

(陜西科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，陜西西安 710021)

0 引言

液力變矩器是一種傳輸動(dòng)力元件[1]，主要運(yùn)用在汽車行業(yè)或工程機(jī)械的動(dòng)力系統(tǒng)中，而泵輪作為液力變矩器的主要組成之一，其生產(chǎn)質(zhì)量尤為重要[2]，在出廠前必須要進(jìn)行檢測(cè)。

目前，有一些生產(chǎn)企業(yè)對(duì)于泵輪總成還在使用傳統(tǒng)的手工方式進(jìn)行測(cè)量，該方式工作效率較低，人為操作也可能帶來(lái)誤差。為提高泵輪檢測(cè)的效率以及改善人為因素造成誤差的影響，本文利用 S7-1200 PLC和 LabVIEW虛擬軟件相結(jié)合設(shè)計(jì)了泵輪幾何參數(shù)檢測(cè)的控制系統(tǒng)。

1 控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

1.1 工藝要求

該自動(dòng)檢測(cè)設(shè)備的檢測(cè)對(duì)象為液力變矩器中泵輪總成的幾何參數(shù)，包括泵輪內(nèi)徑、外徑、高度、高點(diǎn)、垂直度、圓度和同軸度。泵輪總成由內(nèi)環(huán)、葉片、泵輪外殼及軸套組成，即軸套與泵輪組件經(jīng)裝配而成[3]。

泵輪經(jīng)自動(dòng)傳輸線體送至測(cè)量工位；泵輪軸朝上放置，以檢測(cè)機(jī)構(gòu)不動(dòng)、工件旋轉(zhuǎn)的方式進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量系統(tǒng)由升降氣缸動(dòng)力機(jī)構(gòu)提供升降動(dòng)作以及伺服系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)工件，通過(guò)多組測(cè)量機(jī)構(gòu)完成測(cè)量；由數(shù)據(jù)采集卡將測(cè)量傳感器檢測(cè)的測(cè)量數(shù)據(jù)傳送到 LabVIEW進(jìn)行數(shù)據(jù)分析以及數(shù)據(jù)處理，判定其測(cè)量結(jié)果，并將測(cè)量結(jié)果傳送到 PLC實(shí)現(xiàn)其位置控制，最終根據(jù)測(cè)量結(jié)果，將泵輪從不同的通道傳出。

1.2 系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)

根據(jù)泵輪檢測(cè)設(shè)備的工藝要求的分析，系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)分為硬件和軟件部分，硬件部分主要用來(lái)搭建檢測(cè)系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，軟件部分主要實(shí)現(xiàn)設(shè)備的自動(dòng)運(yùn)行和信號(hào)的控制與處理。其控制系統(tǒng)采用 S7-1200 PLC高速脈沖輸出以及高精度交流伺服系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，S7-1200 PLC為系統(tǒng)的控制核心。采用裝有 LabVIEW軟件的工控機(jī)作為上位機(jī)對(duì)測(cè)量傳感器檢測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和處理，以可編程邏輯控制器(PLC)作為下位機(jī)，通過(guò) LabVIEW軟件設(shè)計(jì)人機(jī)交互界面來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì) PLC的控制，伺服系統(tǒng)通過(guò) PLC位控單元數(shù)字脈沖串實(shí)現(xiàn)位置閉環(huán)控制，從而實(shí)現(xiàn)檢測(cè)設(shè)備的控制。

控制系統(tǒng)的工作原理：采用多組測(cè)量傳感器對(duì)工件進(jìn)行檢測(cè)，加入信號(hào)調(diào)理設(shè)備是對(duì)輸入的信號(hào)進(jìn)行放大、濾波、隔離等處理，使數(shù)據(jù)采集設(shè)備更加精準(zhǔn)地測(cè)量；通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡將測(cè)量傳感器所檢測(cè)的模擬電信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并傳輸?shù)窖b有 LabVIEW軟件的計(jì)算機(jī)上，經(jīng)上位機(jī)虛擬儀器 LabVIEW將采集的信號(hào)進(jìn)行處理與分析，然后經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)采集卡的數(shù)字端口將處理與分析后的信號(hào)輸出到下位機(jī) PLC控制器，以 PLC脈沖輸出實(shí)現(xiàn)伺服系統(tǒng)的位置閉環(huán)控制，同時(shí)通過(guò)電磁閥實(shí)現(xiàn)對(duì)升降氣缸機(jī)構(gòu)的控制，完成工件的升降動(dòng)作?？刂葡到y(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖 1所示。

圖1 控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)框圖

2 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

2.1 測(cè)量傳感器

檢測(cè)機(jī)構(gòu)采用間接測(cè)量的方法，測(cè)量時(shí)測(cè)量傳感器不直接接觸工件測(cè)量表面，而是安裝在高精度專用測(cè)量支架上，通過(guò)支架的側(cè)頭采集數(shù)據(jù)。整個(gè)側(cè)頭機(jī)構(gòu)不動(dòng)，工件由升降氣缸動(dòng)力機(jī)構(gòu)提供升降動(dòng)作，旋轉(zhuǎn)采用伺服系統(tǒng)來(lái)完成。

測(cè)量傳感器采用LVDT位移傳感器 DP/S系列，標(biāo)準(zhǔn) DP系列彈簧推動(dòng)探頭已成為測(cè)量業(yè)內(nèi)應(yīng)用的工具，如圖2所示，具有高的分辨率、良好的線性和高速數(shù)據(jù)傳輸率等特點(diǎn)，其測(cè)頭采用紅寶石材料，對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)能夠保證高精度、高穩(wěn)定性和高可靠性。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)DP系列彈簧推動(dòng)探頭

2.2 數(shù)據(jù)采集卡

數(shù)據(jù)采集卡的主要作用是將外部的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)能夠處理的數(shù)字信號(hào)。本系統(tǒng)采用基于PCI總線M系列的低價(jià)位數(shù)據(jù)采集卡PCI-6221，該采集卡具有16路模擬輸入和2路模擬輸出，24路數(shù)字I/O輸出，分辨率為16位，其采樣速率為250 kS/s，更新速率達(dá)到833 kS/s。

2.3 控制器PLC及伺服電機(jī)選型

檢測(cè)設(shè)備的控制系統(tǒng)以S7-1200 PLC為主控制器，S7-1200控制器使用靈活，功能強(qiáng)大，具有模塊化、結(jié)構(gòu)緊湊以及組態(tài)靈活的特點(diǎn)，可適用于多種場(chǎng)合[4]。

本文選用S7-1200系列的 CPU 1215C，其自帶數(shù)字量輸入14點(diǎn)，輸出10點(diǎn)；模擬量輸入2點(diǎn)，輸出2點(diǎn)；板載6個(gè)高速計(jì)數(shù)器和4個(gè)脈沖數(shù)出；可擴(kuò)展3個(gè)用于串行通信的通信模塊和8個(gè)用于I/O擴(kuò)展的信號(hào)模塊，S7-1200集成2個(gè)PROFINET接口，可用于編程、HMI(人機(jī)界面)、PLC或其他設(shè)備的數(shù)據(jù)通訊，此外還可以通過(guò)開(kāi)放的以太網(wǎng)協(xié)議支持與第三方設(shè)備的通訊[5]。

執(zhí)行機(jī)構(gòu)伺服系統(tǒng)選擇SIMOTICS 1FL6(HI)，與之匹配的伺服驅(qū)動(dòng)器選擇SINAMICSV90。PLC系統(tǒng)的I/O地址分配見(jiàn)表1。

表1 PLC系統(tǒng)的I/O地址分配表

3 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)的軟件部分設(shè)計(jì)分為上位機(jī)的LabVIEW程序設(shè)計(jì)以及下位機(jī)S7-1200 PLC的程序設(shè)計(jì)。

3.1 PLC程序設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)主要采用 S7-1200 PLC作為下位機(jī)，利用S7-1200 PLC的高速脈沖輸出來(lái)進(jìn)行控制，在TIA Portal V14編程環(huán)境下進(jìn)行硬件組態(tài)以及程序編寫。

程序開(kāi)始運(yùn)行時(shí)，PLC首先進(jìn)行初始化程序，然后進(jìn)行自動(dòng)與手動(dòng)狀態(tài)的選擇。若進(jìn)行自動(dòng)模式，則先對(duì)工件是否到位進(jìn)行檢測(cè)。工件到位后，PLC將會(huì)給伺服驅(qū)動(dòng)器和電磁閥發(fā)送脈沖信號(hào)，使得伺服旋轉(zhuǎn)定位系統(tǒng)與升降氣缸機(jī)構(gòu)同時(shí)動(dòng)作。到達(dá)上限位置時(shí)檢測(cè)機(jī)構(gòu)開(kāi)始執(zhí)行檢測(cè)動(dòng)作，并將檢測(cè)數(shù)據(jù)傳送到上位機(jī)LabVIEW進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理。數(shù)據(jù)采集完后歸位并根據(jù)測(cè)量結(jié)果使其輸送到不同的通道。 PLC程序流程圖如圖 3所示。

圖3 PLC控制流程圖

對(duì)于運(yùn)動(dòng)控制的程序設(shè)計(jì)分2部分：工藝對(duì)象的配置和程序的編寫。根據(jù)實(shí)現(xiàn)伺服系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制的要求以及硬件 I/O分配，在TIA軟件中對(duì)工藝對(duì)象運(yùn)動(dòng)軸進(jìn)行設(shè)置。設(shè)置其控制方式為脈沖輸出 PTO控制驅(qū)動(dòng)器，通過(guò)發(fā)送占空比為 50%的脈沖串給伺服驅(qū)動(dòng)器來(lái)控制伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速。 CPU 1215C可以支持4路脈沖串輸出(Pulse1～Pulse4)，每路脈沖信號(hào)支持4種 PTO方式，分別是： PTO(Pulse A and direction B，脈沖 A和方向 B)； PTO(Count up A and count down B，加計(jì)數(shù) A和減計(jì)數(shù)B)； PTO(A/B phase-shifted，A/B相移)； PTO(A/B phase-shifted-fourfold，A/B相移—四倍頻)。其信號(hào)類型選擇 PTO(Pulse A and direction B，脈沖 A和方向 B)，一路(A)產(chǎn)生高速脈沖輸出 Q0.0，另一路(B)控制伺服電機(jī)的運(yùn)動(dòng)方向 Q0.1。此外也要對(duì)其位置限制以及回原點(diǎn)的參數(shù)設(shè)置。需要啟動(dòng)硬限位開(kāi)關(guān) I0.4和 I0.5，分別對(duì)應(yīng)該運(yùn)動(dòng)軸的上下極限位置，并且均為高電平觸發(fā)。主動(dòng)回原點(diǎn)定義為 I0.6，并設(shè)置負(fù)方向?yàn)楸平c(diǎn)的方向[6]。

運(yùn)動(dòng)控制的程序按照控制系統(tǒng)的要求，不同的運(yùn)動(dòng)步驟需要選取不同的 Motion Control模塊，其中主動(dòng)尋回原點(diǎn)選取 MC_Home模塊，伺服電機(jī)暫停選取 MC_Halt模塊，移位選取 MC_MoveRelative模塊，原點(diǎn)歸位選取 MC_MoveAbsolute模塊，程序模塊均在 TIA博途 V14中進(jìn)行編寫。

3.2 LabVIEW程序設(shè)計(jì)

上位機(jī)的軟件設(shè)計(jì)是在LabVIEW2018環(huán)境下進(jìn)行設(shè)計(jì)，是一種圖形化的程序設(shè)計(jì)。虛擬儀器(VI)應(yīng)用程序主要包括3部分的設(shè)計(jì)[7-8]：前面板和流程圖以及圖標(biāo) /連結(jié)器。前面板(front panel)相當(dāng)于真實(shí)物理儀器的操作面板，由具備各種輸入、輸出功能的控件組成，實(shí)現(xiàn)用戶與程序的交互；流程圖(block diagram)相當(dāng)于儀器的電路結(jié)構(gòu)，以數(shù)據(jù)流的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)采集數(shù)據(jù)的處理，是使用 G語(yǔ)言編寫的程序源代碼；接口板(connector)相當(dāng)于儀器中的某個(gè)集成電路，是對(duì)子程序(Sub VIs)的調(diào)用形式，實(shí)現(xiàn)參數(shù)的定義和傳遞的功能，是 Vl程序的可選部分。

前面板是用來(lái)實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互的操作面板，其中包含各種輸入及輸出的控件[9]。運(yùn)行后的主界面如圖 4所示，可以進(jìn)行手動(dòng)自動(dòng)的模式選擇、系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置以及系統(tǒng)狀態(tài)顯示。

圖4 工控機(jī)運(yùn)行主界面

上位機(jī)的控制程序都是在VI程序框圖中完成，程序框圖是G語(yǔ)言進(jìn)行編程，內(nèi)部提供了很多內(nèi)置函數(shù)、常量以及程序執(zhí)行控制結(jié)構(gòu)等，根據(jù)需要調(diào)用函數(shù)及控件，用連線將其合理連接起來(lái)，最終實(shí)現(xiàn)控制[10-11]。

測(cè)量系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)包含數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)以及數(shù)據(jù)處理模塊設(shè)計(jì)。數(shù)據(jù)采集程序框圖如圖 5所示。

圖5 數(shù)據(jù)采集程序框圖

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

自動(dòng)檢測(cè)的數(shù)據(jù)結(jié)果顯示如圖 6所示，通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，檢測(cè)的準(zhǔn)確率高達(dá) 95%以上，相比人工檢測(cè)提高將近15%，其檢測(cè)的效率也明顯得到提高，檢測(cè)系統(tǒng)穩(wěn)定，實(shí)驗(yàn)證明該系統(tǒng)具有一定的可行性。

(a)

(b)圖6 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

5 結(jié)論

本文根據(jù)液力變矩器的發(fā)展現(xiàn)狀以及其組成部件泵輪的檢測(cè)需求，設(shè)計(jì)了基于 S7-1200 PLC與 LabVIEW的泵輪幾何參數(shù)測(cè)量控制系統(tǒng)，提出了總體方案、硬件和軟件的設(shè)計(jì)。該檢測(cè)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化測(cè)量、數(shù)據(jù)的采集和處理分析。根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)能夠自行計(jì)算并判別，將不同判定結(jié)果的工件運(yùn)送到指定位置，滿足工業(yè)的生產(chǎn)需求，有效提高了工作效率。