劉興華，饒志波，蔣其斌，李新國(guó)

（1.重慶大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，重慶 400044；2.中國(guó)石油新疆油田，新疆克拉瑪依 834000）

1 引言

在傳統(tǒng)的機(jī)械中為了實(shí)現(xiàn)各個(gè)運(yùn)動(dòng)單元之間的位置同步及速度同步，通常采用機(jī)械軸和齒輪傳動(dòng)。為了改變各個(gè)傳動(dòng)點(diǎn)之間的速度比和相位關(guān)系還需要安裝無極變速箱和差速箱。這種傳動(dòng)方式為有軸傳動(dòng)。

無軸傳動(dòng)又稱電子軸傳動(dòng)或者獨(dú)立傳動(dòng)、無機(jī)械傳動(dòng)。其特點(diǎn)是每個(gè)傳動(dòng)點(diǎn)都有自己獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，而不是由一個(gè)大電機(jī)拖動(dòng)多個(gè)傳動(dòng)點(diǎn)，因而只需通過簡(jiǎn)單的幾個(gè)參數(shù)設(shè)定就可以取代原來無極變速箱及更多更復(fù)雜的齒輪及連桿機(jī)構(gòu)的功能，傳動(dòng)精度也不會(huì)隨著機(jī)械的老化、磨損越來越差。無軸傳動(dòng)在機(jī)械中的運(yùn)用簡(jiǎn)化了機(jī)械潤(rùn)滑系統(tǒng)，降低了機(jī)器噪音，減少了機(jī)械振動(dòng)，節(jié)省了空間。目前無軸傳動(dòng)的應(yīng)用越來越廣泛［1］。

利用羅克韋爾自動(dòng)化的新一代實(shí)時(shí)控制網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)ControlLogix所具有的強(qiáng)大的聯(lián)網(wǎng)通信能力，提出了網(wǎng)絡(luò)分布式多軸同步控制的方法，設(shè)計(jì)突破了傳統(tǒng)的機(jī)械剛性連接以及使用PLC／運(yùn)動(dòng)控制卡集中控制的多軸同步運(yùn)動(dòng)控制方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)控制多部伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)化控制的分布式實(shí)時(shí)同步控制。在此基礎(chǔ)上，Intouch軟件開發(fā)了上位機(jī)監(jiān)控平臺(tái)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)采集數(shù)據(jù)的處理、保存等操作。

2 伺服平臺(tái)的組成架構(gòu)

該伺服系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)主要是基于ControlLogix控制系統(tǒng)搭建的網(wǎng)絡(luò)型伺服系統(tǒng)。選擇Ethernet／IP作為計(jì)算機(jī)編程和監(jiān)控的網(wǎng)絡(luò)，SERCOS網(wǎng)絡(luò)作為運(yùn)動(dòng)控制網(wǎng)絡(luò)，ControlLogix系統(tǒng)作為伺服系統(tǒng)的控制平臺(tái)；選擇相應(yīng)的伺服驅(qū)動(dòng)器、伺服電動(dòng)機(jī)作為伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，且以兩軸精密定位平臺(tái)作為伺服系統(tǒng)的被控對(duì)象，設(shè)計(jì)出能實(shí)現(xiàn)高精度實(shí)時(shí)控制的無軸傳動(dòng)控制系統(tǒng)。其硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 無軸運(yùn)動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)架構(gòu)

ControlLogix系統(tǒng)是一款功能強(qiáng)大的可編程控制器系統(tǒng)，在ControlLogix控制系統(tǒng)平臺(tái)上，可以實(shí)現(xiàn)順序控制、過程控制以及運(yùn)動(dòng)控制，可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信、數(shù)據(jù)采集和監(jiān)視控制，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)伺服系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩／電流、轉(zhuǎn)速和位置的控制等功能。SERCOS網(wǎng)絡(luò)接口采用1756-M08SE運(yùn)動(dòng)控制模塊，它提供ControlLogix控制系統(tǒng)與伺服驅(qū)動(dòng)器（Ultra3000-SE數(shù)字型數(shù)字驅(qū)動(dòng)器）之間的光纖連接通道。模塊與驅(qū)動(dòng)器之間的通信通過SERCOS光纖網(wǎng)絡(luò)環(huán)實(shí)現(xiàn)。由于光纖介質(zhì)具有良好抗干擾性和高速數(shù)據(jù)傳送的性能，因此光纖環(huán)網(wǎng)的使用極大地提高了通信速率以及驅(qū)動(dòng)器和運(yùn)動(dòng)模塊之間的互連性。

伺服驅(qū)動(dòng)器和伺服電機(jī)是整個(gè)伺服系統(tǒng)的核心，數(shù)據(jù)的主要處理就是在這里進(jìn)行的，該伺服系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)選用的是帶SERCOS接口的Ultra3000-SE型的數(shù)字伺服驅(qū)動(dòng)器和Y系列的伺服電機(jī)。

上位機(jī)監(jiān)控采用的是Intouch9.5組態(tài)軟件開發(fā)平臺(tái)，它是整個(gè)伺服上位機(jī)平臺(tái)的數(shù)據(jù)分析、處理和監(jiān)控平臺(tái)。

3 平臺(tái)的設(shè)計(jì)內(nèi)容及總流程

ControlLogix5555控制器是最新一代的集成化控制系統(tǒng)，它將多種控制方式集成在單一的控制器中，其中包括順序控制、過程控制和驅(qū)動(dòng)控制等。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)應(yīng)用ControlLogix控制系統(tǒng)的編程軟件RSLogix5000編寫控制程序，通過SERCOS網(wǎng)絡(luò)通信實(shí)現(xiàn)兩軸伺服系統(tǒng)在無軸傳動(dòng)下的速度和位置的精確實(shí)時(shí)控制。在此基礎(chǔ)上，系統(tǒng)采用Intouch組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)上位機(jī)的數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控。設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容如下：

（1）建立ControlLogix網(wǎng)絡(luò)通信平臺(tái)：在熟悉ControlLogix網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和相關(guān)通信協(xié)議基礎(chǔ)上，選擇搭建平臺(tái)所需的硬件（ControlLogix5555控制器、1756-M08SE模塊、Ultra3000-SE伺服驅(qū)動(dòng)器、Y系列伺服電機(jī)、PC機(jī)等）組態(tài)兩軸交流伺服運(yùn)動(dòng)控制平臺(tái)。

（2）實(shí)現(xiàn)伺服電機(jī)的同步控制：利用1756-M08SE運(yùn)動(dòng)模塊對(duì)Ultra3000-SE伺服驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行控制，ControlLogix5555控制器通過運(yùn)動(dòng)控制模塊對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)器發(fā)出運(yùn)動(dòng)控制命令，使兩臺(tái)伺服電機(jī)速度同步。

目前信息化技術(shù)主要應(yīng)用在工程施工前的招標(biāo)、投標(biāo)、預(yù)算、設(shè)計(jì)等，在工程施工建設(shè)以及安全管理方面并沒有得到有效應(yīng)用。項(xiàng)目工程管理人主要還是依靠管理者的經(jīng)驗(yàn)以及能力進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)管理，缺少科學(xué)性、系統(tǒng)性、規(guī)范性。

（3）通過RSLogix5000編寫運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用程序：包括添加伺服模塊、創(chuàng)建和組態(tài)運(yùn)動(dòng)軸、建立運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用程序等。

（4）編寫人機(jī)監(jiān)控界面：基于RSLinx通信服務(wù)器，建立Intouch組態(tài)監(jiān)控界面，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)的采集、分析和保存。

其設(shè)計(jì)的總體流程如圖2所示。

4 軟件平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)

該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)系統(tǒng)的軟件總體設(shè)計(jì)流程如圖3所示。

圖2 總體設(shè)計(jì)流程

圖3 軟件設(shè)計(jì)流程

可以看到，運(yùn)動(dòng)控制平臺(tái)主要是基于RSLogix5000平臺(tái)開發(fā)的，上位機(jī)監(jiān)控平臺(tái)主要是基于Intouch9.5開發(fā)的。對(duì)于關(guān)鍵的幾個(gè)模塊我們的設(shè)計(jì)如下：

4.1 RSLogix5000運(yùn)動(dòng)控制平臺(tái)程序設(shè)計(jì)

運(yùn)動(dòng)控制平臺(tái)應(yīng)用ControlLogix控制系統(tǒng)的相應(yīng)編程軟件RSLogix5000編寫控制程序。該軟件支持運(yùn)動(dòng)控制功能和SERCOS網(wǎng)絡(luò)通信，可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)型伺服系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩／電流控制、位置控制、速度控制、多軸同步控制和多軸插補(bǔ)控制。

在編寫運(yùn)動(dòng)控制程序前，應(yīng)先進(jìn)行系統(tǒng)的通訊配置、通訊模塊組態(tài)、位置坐標(biāo)系的組態(tài)、標(biāo)簽變量的創(chuàng)建等工作。

該系統(tǒng)主要使用梯形圖語(yǔ)言來編寫運(yùn)動(dòng)控制程序。MainRoutine為系統(tǒng)默認(rèn)的主程序，用于完成循環(huán)掃描、調(diào)用子程序和返回原點(diǎn)的操作。它包含三個(gè)子程序，如圖4所示。

圖4 運(yùn)動(dòng)控制主程序

（1）AUTO_AB用于運(yùn)行在給定的編寫的伺服程序下的自動(dòng)控制程序；

（2）MANUAL_JOG子程序?qū)崿F(xiàn)兩個(gè)軸的點(diǎn)動(dòng)、移動(dòng)定長(zhǎng)和停止等控制；

（3）MOVE用于定原點(diǎn)、實(shí)現(xiàn)兩軸同步控制功能等操作。

4.2 Intouch上位機(jī)監(jiān)控平臺(tái)實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)使用Intouch9.5軟件中的各種控件，設(shè)計(jì)伺服系統(tǒng)監(jiān)控界面，其監(jiān)控界面總體的功能架構(gòu)如圖5所示。

圖5 監(jiān)控界面總體功能圖

由架構(gòu)圖可知，控制界面主要包括主界面下的手動(dòng)部分、實(shí)時(shí)監(jiān)控部分、歷史趨勢(shì)部分等部分，其各個(gè)部分又由各個(gè)不同的子動(dòng)作部組成，用于實(shí)現(xiàn)各個(gè)驅(qū)動(dòng)器的使能、關(guān)斷和重置控制；實(shí)現(xiàn)各個(gè)軸的零點(diǎn)定位、點(diǎn)動(dòng)、定長(zhǎng)移動(dòng)、急停等控制；檢測(cè)各軸的狀態(tài)信息，如實(shí)際位置、實(shí)際速度等信息。監(jiān)控系統(tǒng)的主界面如圖6所示。

監(jiān)控界面主要包括主界面、登錄界面（EXIT）、使用說明、位置歷史趨勢(shì)及相關(guān)數(shù)據(jù)記錄、速度歷史趨勢(shì)及相關(guān)數(shù)據(jù)記錄和報(bào)警清除及報(bào)警記錄等界面。

主界面用于兩軸伺服運(yùn)行的實(shí)時(shí)監(jiān)控；登錄界面用于用戶的登錄和操作權(quán)限的設(shè)置；位置歷史趨勢(shì)和速度歷史趨勢(shì)界面分別用于其相應(yīng)變量的歷史趨勢(shì)；報(bào)警消除及報(bào)警記錄用于消除一些非硬件問題的報(bào)警和報(bào)警的記錄。

4.3 Intouch與Microsoft Access數(shù)據(jù)庫(kù)的連接

系統(tǒng)中由于要實(shí)現(xiàn)對(duì)相關(guān)的數(shù)據(jù)（報(bào)警數(shù)據(jù)及位置數(shù)據(jù)）的處理和存儲(chǔ)，因此要將一些指定數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)庫(kù)，這里采用的是寫入事先建好的Microsoft Access數(shù)據(jù)庫(kù)。要實(shí)現(xiàn)與Microsoft Access通訊，可以通過在Intouch QuickSript中執(zhí)行SQLConnect（）函數(shù)來實(shí)現(xiàn)。

SQLConnect（）函數(shù)用于將Intouch連接到Microsoft Access數(shù)據(jù)庫(kù)。通過運(yùn)行包含SQLConnect（）函數(shù)的腳本，就可以登錄到數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器，并打開一個(gè)連接，以便運(yùn)行其它SQL函數(shù)。SQLConnect（）使用的連接字符串的格式如下：

SQLConnect（ConnectionId，＂＜attribute＞＝＜value＞ ；＜attribute＞＝＜value＞ ；..＂）；DSN 是 Microsoft Access使用的一個(gè)獨(dú)特屬性，用于確定在“Microsoft ODBC管理器”中配置的數(shù)據(jù)源的名稱。本系統(tǒng)中采用ODBC數(shù)據(jù)接口連接為：

圖6 監(jiān)控主界面

ResultCode ＝ SQLConnect（ConnectionId，＂DSN＝SQLAM_Access＂）；必須注意的是“SQL訪問管理器”支持的有效數(shù)據(jù)類型取決于所使用的ODBC驅(qū)動(dòng)程序的版本。

5 結(jié)論

設(shè)計(jì)的無軸伺服系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采用先進(jìn)的ControlLogix控制系統(tǒng)以及先進(jìn)的控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)兩軸運(yùn)動(dòng)的精確定位和運(yùn)動(dòng)軌跡的控制，先進(jìn)的SERCOS網(wǎng)絡(luò)通信保證了系統(tǒng)的快速性和實(shí)時(shí)性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該系統(tǒng)能確保在較小誤差的情況下按照所設(shè)定的參數(shù)，實(shí)現(xiàn)位置控制和軌跡運(yùn)動(dòng)控制，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、可靠。系統(tǒng)監(jiān)控的界面能夠?qū)崟r(shí)地反映實(shí)時(shí)的運(yùn)動(dòng)軌跡和趨勢(shì)，為操作員提供了一個(gè)直觀、方便的操作界面。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的成功設(shè)計(jì)也為許多工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)無軸傳動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了很好的借鑒。

［1］爾桂花，等.運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2002：365-371.

［2］吳乃優(yōu)，等.SERCOS協(xié)議和同步控制方法［J］.電氣傳動(dòng)，1999，（6）：31-33.