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组件测量仪分布式控制系统设计研究

 论文栏目:控制系统设计论文     更新时间:2018/7/11 15:21:21   

[摘要]介绍分布式控制系统在测量设备上的具体应用。该系统以工控机为上位机,运动控制器、PLC为下位机,采用分级分层、合作自治的方式,很好的满足了测量设备需求,并具有很高的安全性及可靠性。

[关键词]分布式控制系统;运动控制器;测量设备

1测量系统概述

组件测量仪不但要测量特定组件的外形尺寸,还要对组件的偏心度、倾斜度、直线度、扭曲以及平行度等形位公差进行准确测量。组件外形为细长方体型,组件测量要求在直立状态下进行。测量设备设计有上滑头和下滑架,分别安装在装有直线导轨的立柱上,由齿轮、齿条驱动。上滑头安装有4个测微传感器用于测量组件高度及平行度;下滑架安装有12个测微传感器用于测量组件四个边的形位尺寸。上滑头、下滑架通过读取安装在立柱上的光栅尺获得位置信息。组件测量仪示意图如图1所示。考虑到该测量设备的传感器众多,传感器之间分布零散,且测量过程复杂,综合其整体结构,其电控系统设计选用了分布式控制系统。分布式控制系统又称作集散控制系统,简称DSC。分布式控制系统按功能分散、管理集中的原则设计,采用分层分级、合作自治的结构形式,将通讯、计算、控制、屏幕显示结合为一体,能方便的改变控制模式,实现各种复杂控制,同时,由故障引起的系统危险被分散,提高了控制系统的可靠性,能够很好复杂设备对控制系统提出的要求。

2硬件控制系统

2.1分布式控制系统结构

组件测量仪分布式控制系统由工业控制计算机、运动控制器、PLC可编程控制器、温度传感器等组成,其结构示意图如图2所示。2.1.1运动控制器运动控制器实现对上滑头、下滑架运动位置的精确控制、测量以及测微传感器测量数据的采集。考虑到一定的冗余与备用,选用3个8通道Galil运动控制器进行数据采集及运动控制。两个运动控制器(称为DMC2、DMC3)用于采集16个测微传感器的位置信息及其故障信号,当接收到上位机的询问命令时,这两个运动控制器会将采集到的位置信息及故障信号以特定格式发送给上位机,供上位机显示及记录。在上位机发送回零操作时,初始化16个测微传感器探针位置。另外一个控制器(称为DMC1)用于采集上滑头和下滑架位移信息及故障信号,获取限位、霍尔开关、零位等IO信号,控制上滑头和下滑架运动等。运动执行机构选用ABB公司伺服控制器。DMC1通过特定端口信号完成对上滑头和下滑架全闭环控制,使其按控制要求形成稳定的速率,以达到运动位置准确定位的目的。2.1.2PLC可编程控制器PLC可编程控制器选用的是ORMONCJ系列产品。主要用于控制保护架的打开、闭合以及下滑架12个测微传感器的测量、返回运动等。下滑架12个测微传感器分为四组,成正方形排列,用于检测组件的四个边。每组传感器配备有一个气缸,气缸带动测微传感器向内运动,使得测微传感器的探针接触到测量组件,探针回缩带动内部光栅产生位移信号,从而得到测量值。PLC通过IO信号与DMC1实现运动互锁,保证系统安全。当PLC检测到DMC1运动停止信号时,才会控制电磁阀通断,从而控制气缸充放气,实现保护架打开、关闭以及四组探针的测量及收回运动;而DMC1只有检测到PLC将探针收回且保护架在正确位置时,才会控制电机运动。2.1.3执行机构及传感器分布式控制系统的最后一级由各个执行机构和传感器组成,是分布式控制系统的“手”和“眼睛”。作为“手”的执行机构受控于上一级的控制单元,执行特定动作,如:电机带动上滑头或下滑架运动,保护架气缸带动保护架闭合、打开,测量气缸分别带动测微传感器伸出测量或返回。而作为“眼睛”的传感器则用于信号的采集,如位置信号、温度信号、压力信号以及限位开关防碰撞开关等IO信号,这些不同类型的传感器将采集到的信号反馈给上一级控制单元。本系统中选用的精度达到1μm测微传感器,很好的保证了测量精度与重复测量精度;选用的气缸为双端具有可调缓冲的气缸,可防止由于气缸运动过快所造成的探针对被测件的撞击,保证探针运动平稳;温度传感器为DS18B20一线总线式数字温度传感器,具有体积小、精度高、适用电压宽、可组网等优点,能够很好地保证系统对温度测量的实际要求。

3软件控制系统

3.1上位机软件设计

上位机软件开发环境为MicrosoftVisualC++,采用结构化程序设计,易于扩展,便于升级更新。上位机软件作为人机交互界面,不仅能够实时显示上滑头、下滑架以及16个测微传感器的位置信号,还要实时查看各个测量部件的状态及其故障。故此,上位机软件通过TCP/IP协议与控制单元进行数据交换,发送控制命令,采集数据信息;同时通过RS232分别与PLC可编程控制器、温度传感器模块进行实时通讯,实现传感器运动机构等辅助设备的控制以及温度和气体压力等传感器信息的读取。操作者通过该软件可以设定测量位置、公差范围,控制测量部件运动,记录查看测量数据,生成、打印测量报告等。上位机软件设计有1个主界面和6个辅助功能界面。主界面分为实时数据显示区,测量数据记录区,功能操作区,运动控制区和测量程序显示区。主界面将操作功能集成化,用户只需点击相应按钮,便可控制机床完成相应动作,简单快捷;同时系统的主要测量信息均显示在主界面上,便于操作人员观察。六个辅助界面分别为:用户登录界面,程序创建界面,机床状态及故障界面,调试及精度补偿界面,报告预览打印界面,帮助界面。用户登录界面用于保障软件使用的安全。由于设备的特殊性,应由相关专业人员进行操作,所以未经授权的用户不可使用该软件控制机床运动。程序创建界面用于创建不同测量程序,匹配不同产品的要求,保证设备测量具有一定的通用性。机床状态及故障界面方便操作人员及时了解设备运行状况。该界面在系统发生故障时能够自动弹出,便于操作人员故障定位及排查。调试及精度补偿界面用于维修人员对机床精度进行检测和调整。报告预览用于预览报告、查看测量结果及打印报告。帮助界面为操作人员提供了详细的操作指导。为了提供系统的响应能力,软件系统创建了3个独立的工作线程,用于实现工控机对运动控制器、PLC可编程控制器和温度传感器的监控。其中运动控制器线程完成与其相关联传感器信息的读。备葜鹘缑嬉笙蚩刂破鞣⑺驮硕葱忻睿籔LC可编程控制器线程完成保护架及测微传感器的运动控制等;温度传感器线程则用于读取各点温度信息。

3.2下位机程序编写

DMC运动控制器程序固化在控制器存储器中,使用专用控制指令DMCCode编写。该程序通过设定接口接收上位机指令,完成指令动作;同时将采集到的传感器位置信息及电机状态信息等发送给上位机。控制流程图如下图3所示。PLC可编程控制器程序采用X-One程序编制,主要功能为控制保护架及测微传感器的运动及反馈信号的检测,与DMC1运动控制器实现运动互锁以及外围保障设备的监测与控制。

4结束语

组件测量仪设备采用分布式控制系统设计,将不同类型的控制器集成在一起,使其充分发挥各自的功能,节约了成本,提高了系统的可靠性,缩短了系统研发周期,且安装方便,便于设备维护。分布式控制系统各回路之间以及上下级之间通过数据通道交互信息,具有数据获取、人机交互以及监控管理等功能,且具备有高可靠性,不会因为个别故障导致整个系统失去控制。上位机软件作为控制核心,实时跟踪所有传感器及执行机构状态信息,通过不同的通讯协议控制下层控制单元协调动作,实际使用证明,该分布式系统运行稳定可靠,方便灵活,能够适应多种类型产品的测量要求,很好地满足了用户需要。

参考文献

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作者:张苹 裴晓宇 王俊英 卢元周 单位:航空工业北京航空精密机械研究所

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