基于激光傳感器的機電一體化設(shè)備自動化控制系統(tǒng)

張金德

（東營職業(yè)學(xué)院 石油裝備與機電工程學(xué)院，東營 257091）

隨著機電一體化設(shè)備在不同領(lǐng)域的應(yīng)用，對其控制要求越來越高，在控制技術(shù)不斷成熟的背景下，機電一體化設(shè)備控制逐漸由人工手動控制轉(zhuǎn)向自動化控制，對機電一體化控制系統(tǒng)的研究已經(jīng)成為該領(lǐng)域?qū)W者的重點項目[1-3]。文獻[4]設(shè)計了設(shè)備智能控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)以物聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)，通過感知機電一體化設(shè)備不同應(yīng)用情景，依據(jù)機電一體化設(shè)備交互原則，通過模式控制和語音控制方式實現(xiàn)機電一體化設(shè)備控制，但該系統(tǒng)在應(yīng)用過程中，其感知機電一體化設(shè)備應(yīng)用情景不夠敏感，導(dǎo)致該系統(tǒng)應(yīng)用效果不佳；文獻[5]提出基于PLC 設(shè)備控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用可編程邏輯控制器作為核心硬件，使用傳感器采集機電一體化設(shè)備運行狀態(tài)數(shù)據(jù)后，通過啟動邏輯控制程序?qū)崿F(xiàn)機電一體化設(shè)備控制，但該系統(tǒng)在運行時控制機電一體化設(shè)備靈敏度不足。激光傳感器是通過激光技術(shù)進行數(shù)據(jù)測量采集的傳感器[6]，其由激光發(fā)射器、激光檢測器以及測量電路組成，可實現(xiàn)遠距離無接觸測量，具備數(shù)據(jù)采集精度高、抗電干擾能力較強的特點。為實現(xiàn)機電一體化設(shè)備準(zhǔn)確、快速控制，本文以激光傳感器為基礎(chǔ)，設(shè)計基于激光傳感器的機電一體化設(shè)備自動化控制系統(tǒng)。

1 機電一體化設(shè)備自動化控制系統(tǒng)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

機電一體化設(shè)備自動化控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1 所示，系統(tǒng)由用戶PC 端、數(shù)據(jù)存儲組、微處理器、應(yīng)用程序服務(wù)器、機電一體化設(shè)備運行數(shù)據(jù)采集器等組成。用戶通過PC 端登錄機電一體化設(shè)備自動化控制系統(tǒng)，發(fā)送機電一體化設(shè)備自動化控制指令，微處理器接收到用戶指令并控制機電一體化設(shè)備運行數(shù)據(jù)采集器采集當(dāng)前機電一體化設(shè)備實時運行數(shù)據(jù)，并將采集到的數(shù)據(jù)運用數(shù)據(jù)存儲組發(fā)送到可編程邏輯控制器，可編程邏輯控制器對機電一體化設(shè)備實時運行數(shù)據(jù)進行去噪預(yù)處理后，利用多目標(biāo)設(shè)備協(xié)同控制方法獲得機電一體化設(shè)備自動化控制指令，再通過應(yīng)用程序服務(wù)器連接機電一體化設(shè)備單片機，利用機電一體化設(shè)備自動化控制指令控制該單片機進行動作，實現(xiàn)機電一體化設(shè)備自動化控制。

圖1 機電一體化設(shè)備自動化控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)Fig.1 Overall structure of mechatronics equipment automation control system

1.2 機電一體化設(shè)備運行數(shù)據(jù)采集器設(shè)計

機電一體化設(shè)備運行數(shù)據(jù)采集器負責(zé)實時采集機電一體化設(shè)備實時運行數(shù)據(jù)，對該采集器的靈敏度和傳輸能力要求較高。機電一體化設(shè)備運行數(shù)據(jù)采集器結(jié)構(gòu)如圖2 所示。數(shù)據(jù)采集器由輸入通道、主控制電路和輸出通道組成，輸入通道由激光數(shù)字傳感器、鍵盤、JTAG 和其他電路組成，利用JTAG接口連接不同電路和硬件，負責(zé)不同電路和硬件之間通信協(xié)議的轉(zhuǎn)換。輸入通道接收到的數(shù)據(jù)發(fā)送到主控電路內(nèi)，主控電路對機電一體化設(shè)備數(shù)據(jù)信號進行穩(wěn)定控制、處理以及外向傳輸。輸出通道負責(zé)將采集到的機電一體化設(shè)備運行數(shù)據(jù)外向輸出，發(fā)送PWM 控制信號，向LCD 顯示器以及其他電路發(fā)送顯示數(shù)據(jù)等，經(jīng)過上述過程，實現(xiàn)機電一體化設(shè)備運行數(shù)據(jù)實時采集和傳輸。

圖2 機電一體化設(shè)備運行數(shù)據(jù)采集器結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of operation data collector of mechatronics equipment

1.3 激光傳感器選型

激光傳感器對于工作環(huán)境要求較低，抗環(huán)境干擾能力較強，是通過在空氣中勻速傳播的激光作為探測介質(zhì)[7]，通過轉(zhuǎn)鏡、CCD 接收等獲得采集結(jié)果。本文采用LMS200 型號的激光傳感器，結(jié)構(gòu)如圖3所示。激光傳感器利用電源控制電路提供穩(wěn)定電壓，利用激光光源發(fā)射激光束，利用步進電機控制激光光束發(fā)送頻率時長等，當(dāng)激光光束通過旋轉(zhuǎn)鏡和透鏡反射后[8]，利用CCD 接收器接收激光光束并角度識別后得到機電一體化設(shè)備實時運行數(shù)據(jù)。

圖3 激光傳感器結(jié)構(gòu)Fig.3 Laser sensor structure

1.4 可編程邏輯控制器設(shè)計

可編程邏輯控制器是機電一體化設(shè)備自動化控制系統(tǒng)的核心硬件，結(jié)構(gòu)如圖4 所示。利用編程設(shè)備連接可編程邏輯控制器，將編寫好的機電一體化設(shè)備自動化控制程序和數(shù)據(jù)采集程序?qū)懭肟删幊踢壿嬁刂破鳎删幊踢壿嬁刂破骼肐OBase 收發(fā)器、IOBase PCS、IOBase TX 等模塊實現(xiàn)程序的運行，然后連接系統(tǒng)應(yīng)用程序、用戶程序、用戶數(shù)據(jù)等，通過MTT 介質(zhì)、控制器、RX 等部件進行讀取、存儲、以及邏輯運算后，連接被驅(qū)動部件，實現(xiàn)被驅(qū)動部件的控制。

圖4 可編程邏輯控制器結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Programmable logic controller structure diagram

1.5 機電一體化設(shè)備運行數(shù)據(jù)采集器設(shè)計

以SD8329 型號控制芯片作為機電一體化設(shè)備運行數(shù)據(jù)采集器的核心芯片，該芯片內(nèi)置8 核處理器，運行頻率為2 GHz[9]，控制內(nèi)存可達到4 GB。以該芯片為基礎(chǔ)設(shè)計機電一體化設(shè)備運行數(shù)據(jù)采集器，其結(jié)構(gòu)如圖5 所示。機電一體化設(shè)備運行數(shù)據(jù)采集器利用USB 接口連接UART 接口，通過該接口連接中繼器，利用中繼器擴大采集器的網(wǎng)絡(luò)傳輸距離，對機電一體化設(shè)備運行數(shù)據(jù)進行再生和還原，再利用UART 接口鏈接以太網(wǎng)接口[10]，通過該接口連接驅(qū)動器和穩(wěn)壓電路，使用驅(qū)動器驅(qū)動采集器內(nèi)的硬件，利用穩(wěn)壓電力連接RS232 接口與交換器，控制激光傳感器采集機電一體化設(shè)備實時運行數(shù)據(jù)后，通過SD8329 芯片再將數(shù)據(jù)回傳至激光傳感器內(nèi)，實現(xiàn)機電一體化設(shè)備實時運行數(shù)據(jù)采集。

圖5 機電一體化設(shè)備運行數(shù)據(jù)采集器結(jié)構(gòu)Fig.5 Structure of operation data collector of mechatronics equipment

1.6 可編程邏輯控制器程序設(shè)計

可編程邏輯控制器軟件運行流程如圖6 所示?？删幊踢壿嬁刂破鞒绦蛟诔跏歼\行時，先對系統(tǒng)進行初始化處理，在利用數(shù)據(jù)寫入輸入模塊接收機電一體化設(shè)備實時運行數(shù)據(jù)后，利用數(shù)據(jù)讀入映像區(qū)域?qū)?shù)據(jù)進行備份處理，再通過用戶程序?qū)?shù)據(jù)進行處理后執(zhí)行通訊任務(wù)、數(shù)據(jù)采集、預(yù)處理以及控制等任務(wù)后，再執(zhí)行其他系統(tǒng)任務(wù)并循環(huán)[11]，實現(xiàn)整個系統(tǒng)的邏輯運行。

圖6 可編程邏輯控制器程序運行流程Fig.6 Programmable logic controller program running flow chart

1.7 可編程邏輯控制器的設(shè)備自動化控制方法

為保障自動化控制機電一體化設(shè)備順利執(zhí)行，以可編程邏輯控制器為基礎(chǔ)，結(jié)合PID 算法設(shè)計機電一體化設(shè)備自動化控制算法，通過運行該算法并啟動可編程邏輯控制器執(zhí)行控制指令。KP、KI、KD分別表示比例、積分和微分系數(shù)，機電一體化設(shè)備的自動化控制律由H（t）表示：

部分機電一體化設(shè)備控制結(jié)構(gòu)為數(shù)字式，使用離散化方法進行處理，表達式為

式中：e 為初始可編程邏輯控制器參數(shù)；Δe 為離散化后的可編程邏輯控制器參數(shù)。

為保障機電一體化設(shè)備自動化控制的靈敏性，計算控制器輸出信號的絕對誤差積分，其表達式為

式中：ε 為系統(tǒng)誤差；g 為控制時間積分數(shù)值。

以式（3）結(jié)果為基礎(chǔ)，對可編程邏輯控制器自動化控制方法進行改進處理，避免出現(xiàn)超調(diào)現(xiàn)象，因此引入懲罰函數(shù)，則式（3）可改寫為

式中：ψ 為上升時間；η1、η2、η3為控制權(quán)重。

利用PID 算法獲得比例、積分和微分控制參數(shù)后，通過可編程邏輯控制器輸出自動化控制結(jié)果，其表達式為

利用式（5）結(jié)果，即可實現(xiàn)機電一體化設(shè)備的自動控制，通過調(diào)整不同的比例、積分和微分控制參數(shù)，在機電一體化設(shè)備為非線性狀態(tài)時也可實現(xiàn)較好的控制。

2 系統(tǒng)性能測試與分析

以某工廠負責(zé)產(chǎn)品包裝的液體包裝機作為實驗對象，該液體包裝機為機電一體化設(shè)備，其集液體運輸、灌裝、壓縮、貼標(biāo)以及條碼噴涂等于一體。利用本文系統(tǒng)對該機電一體化設(shè)備進行自動化控制，分析驗證本文系統(tǒng)實際應(yīng)用效果。

以CPU 占用率和內(nèi)存占用率作為衡量指標(biāo)，測試本文系統(tǒng)運行時的兼容性，同時這個CPU 占用率和內(nèi)存占用率閾值分別為5%和70%，測試結(jié)果如表1 所示。分析表1 可知，本文系統(tǒng)在長時間運行時，其CPU 占用率和內(nèi)存占用率數(shù)值呈現(xiàn)波動趨勢，但二者之間的波動幅度極小，說明本文系統(tǒng)在運行時穩(wěn)定性較強，同時其與其他軟件的兼容性較強，因此CPU 占用率和內(nèi)存占用率較為穩(wěn)定。

表1 系統(tǒng)兼容性測試結(jié)果Tab.1 System compatibility test results

采集實時運行數(shù)據(jù)是實現(xiàn)機電一體化設(shè)備自動化控制的基礎(chǔ)，本文系統(tǒng)采集機電一體化設(shè)備的有功功率，結(jié)果如圖7 所示。從圖7 可知，本文系統(tǒng)可有效采集機電一體化設(shè)備實時運行時的功率數(shù)值，采集到的功率曲線與其實際功率曲線幾乎完全吻合，該結(jié)果說明本文系統(tǒng)采集機電一體化設(shè)備實時運行數(shù)據(jù)能力較強，有效為后續(xù)機電一體化設(shè)備自動化控制提供有效的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

圖7 機電一體化設(shè)備實時運行數(shù)據(jù)采集結(jié)果Fig.7 Real-time operation data acquisition results of mechatronics equipment

以傳送產(chǎn)品速度作為自動化控制指標(biāo)，測試結(jié)果如表2 所示。分析表2 可知，本文系統(tǒng)可有效執(zhí)行當(dāng)前控制指令，具備較強的機電一體化設(shè)備自動控制能力。

表2 機電一體化設(shè)備自動化控制測試結(jié)果Tab.2 Test results of automation control of mechatronics equipment

以命令響應(yīng)時間作為衡量本文系統(tǒng)靈敏度指標(biāo)，測試本文系統(tǒng)自動化控制機電一體化設(shè)備能力，測試結(jié)果如表3 所示。分析表3 可知，在10 次機電一體化設(shè)備自動化控制中，本文系統(tǒng)在自動化控制次數(shù)不同時其控制響應(yīng)時間始終在1 s 左右波動，可以達到規(guī)范要求。上述結(jié)果說明，本文系統(tǒng)在對機電一體化設(shè)備進行自動化控制時響應(yīng)時間較短，系統(tǒng)靈敏度較好。

表3 系統(tǒng)控制靈敏度測試結(jié)果Tab.3 Test results of system control sensitivity

3 結(jié)語

本文設(shè)計了基于激光傳感器的機電一體化設(shè)備自動化控制系統(tǒng)，在該系統(tǒng)中運用激光傳感器采集機電一體化設(shè)備運行實時數(shù)據(jù)，結(jié)合可編程邏輯控制器實現(xiàn)機電一體化設(shè)備自動化控制，經(jīng)過對本文系統(tǒng)進行實際驗證，從驗證結(jié)果中得知本文系統(tǒng)具備較強的應(yīng)用性，未來可在機電一體化設(shè)備控制領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。