宋洪儒，羅石磊，楊 凡

(銅陵學(xué)院 電氣工程學(xué)院，銅陵 244000)

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基于PAC的多軸運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

宋洪儒，羅石磊，楊 凡

(銅陵學(xué)院 電氣工程學(xué)院，銅陵 244000)

以三軸運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)為研究對(duì)象，以GE RX3i集成伺服控制系統(tǒng)為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，采用硬件和軟件設(shè)計(jì)相結(jié)合的方法進(jìn)行設(shè)計(jì)。介紹了RX3i集成控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)，以及如何利用PME編程軟件進(jìn)行程序設(shè)計(jì)和iFIX軟件進(jìn)行組態(tài)控制界面的設(shè)計(jì)過程。結(jié)果表明:以iFIX和RX3i控制器分別作為軟、硬件實(shí)現(xiàn)開發(fā)界面來對(duì)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行控制具有較好的易控性。

運(yùn)動(dòng)控制；IFIX組態(tài)軟件；開發(fā)界面；穩(wěn)定性

運(yùn)動(dòng)軌跡的控制作為數(shù)控車銑床、工業(yè)機(jī)器人等設(shè)備制造企業(yè)的核心內(nèi)容，其性能直接影響系統(tǒng)整體的適應(yīng)性和可靠性。運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)根據(jù)預(yù)先定義的位置、速度、加速度、減速度等參數(shù)，按照設(shè)定的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)速度平滑過渡，以此保證系統(tǒng)正常運(yùn)行的穩(wěn)定性。

運(yùn)動(dòng)控制操作軟件作為運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的重要組成部分，為一體化解決方案的應(yīng)用提供了更廣泛的適用性。這也說明在運(yùn)動(dòng)軌跡控制系統(tǒng)中，很多傳統(tǒng)意義上的設(shè)備解決方案已經(jīng)逐漸被以嵌入式硬件為運(yùn)行基礎(chǔ)的軟件解決方案所替代，而GE(general electric)可編程自動(dòng)控制單元就是面向中高端產(chǎn)品開發(fā)的代表性設(shè)備之一。該設(shè)備的驅(qū)動(dòng)器和伺服電機(jī)由FANUC公司生產(chǎn)，在實(shí)驗(yàn)裝置中配有GE的Quick Panel觸摸屏[1-5]。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

控制系統(tǒng)包含硬件和軟件。硬件部分主要包括GE PAC(programmable automatic control) RX3i集成控制系統(tǒng)、各類輸入輸出模塊、FANUC伺服驅(qū)動(dòng)器、裝有IFIX的計(jì)算機(jī)服務(wù)器節(jié)點(diǎn)；軟件部分包括PME(proficy machine edition)編程軟件和 IFIX 組態(tài)軟件。該控制系統(tǒng)通過伺服系統(tǒng)控制實(shí)現(xiàn)多軸運(yùn)動(dòng)功能，主要采用PAC RX3i集成控制系統(tǒng)與IFIX組態(tài)軟件相結(jié)合，采用總線方式進(jìn)行通訊，實(shí)現(xiàn)多軸之間的聯(lián)動(dòng)控制。同時(shí)，通過iFIX軟件制作運(yùn)動(dòng)控制界面的監(jiān)控畫面組態(tài)，能起到實(shí)時(shí)監(jiān)控多軸運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的目的[6-7]。系統(tǒng)總體構(gòu)成如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體構(gòu)成

實(shí)現(xiàn)控制功能基本內(nèi)容包括：① 通過編寫相應(yīng)的VBA腳本程序?qū)崿F(xiàn)界面切換，并啟用軟按鈕以代替機(jī)械按鍵，在數(shù)據(jù)鏈接生效后直接驅(qū)動(dòng)PAC產(chǎn)生相應(yīng)的動(dòng)作，并進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。② 利用SCADA(監(jiān)視控制和現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集)功能，在作為SCADA服務(wù)器的同時(shí)啟用歷史數(shù)據(jù)庫，將多軸運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行有序保存。SCADA本身具有PDB、輸入/輸出驅(qū)動(dòng)器和界面顯示功能，能夠完成從外部裝置采集數(shù)據(jù)、進(jìn)行算法分析等任務(wù)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 增量式PID控制算法

根據(jù)實(shí)現(xiàn)的控制功能要求，本文采用增量式PID(proportional-integral-differential)控制算法，公式如下:

采用增量式算法時(shí)，輸出的控制增量Δu(k)對(duì)應(yīng)的是本次執(zhí)行機(jī)構(gòu)位置的增量。增量式控制算法提供執(zhí)行機(jī)構(gòu)的增量Δuk，只需要使用前后3次測量值的偏差即可。目前使用較多的是利用算式u(k)=u(k-1)+Δu(k)通過執(zhí)行軟件來完成，增量式PID控制算法的程序流程見圖2。

增量式PID控制算法相對(duì)于傳統(tǒng)的PID控制算法有以下優(yōu)點(diǎn):

1) 由于計(jì)算機(jī)輸出增量，所以誤動(dòng)作時(shí)影響小，必要時(shí)可用邏輯判斷的方法去掉。

2) 手動(dòng)/自動(dòng)切換時(shí)沖擊小，便于實(shí)現(xiàn)無擾動(dòng)切換。此外，當(dāng)計(jì)算機(jī)發(fā)生故障時(shí)，由于輸出通道或執(zhí)行裝置具有信號(hào)的鎖存作用仍然保持原值。

3) 算式中不需要累加。控制增量Δu(k)的確定僅與最近k次的采樣值有關(guān)，所以較容易通過加權(quán)處理而獲得比較好的控制效果[8]。

圖2 增量式PID控制算法的程序流程

2.2 控制系統(tǒng)硬件

硬件設(shè)計(jì)采用通用電氣編程自動(dòng)化控制器和一些輔助模塊，這些模塊具有集成度高、功能齊全且抗干擾能力突出等優(yōu)點(diǎn)，便于根據(jù)實(shí)際需求靈活配置硬件設(shè)置，并能在軟件中直接組態(tài)使用。硬件模塊包括CPU模塊、電源模塊、以太網(wǎng)通訊模塊、數(shù)字量和模擬量模塊、串行通訊總線模塊IC695CMMOO2、PMM335伺服控制器以及拓展接口模塊[8-9]。

1) 中央處理器模塊。該模塊采用高性能的處理芯片，具有高達(dá)10 MB的用戶存儲(chǔ)空間，在執(zhí)行復(fù)雜應(yīng)用的過程中具有優(yōu)異的性能。在模塊通電時(shí)不得將其從背板機(jī)架上拆除并對(duì)其進(jìn)行安裝作業(yè)。

2) Ethernet通訊模塊?？刂破骺赏ㄟ^Ethernet ETM001模塊與裝有GE9驅(qū)動(dòng)的電腦、其他的本系列控制中心以及GE 其他型版本的PLC進(jìn)行連接通訊。

3) 數(shù)字量外部輸入模塊?？稍撃K在本設(shè)計(jì)中作為外部信號(hào)輸入時(shí)，及時(shí)檢測出系統(tǒng)外部狀況，并觸發(fā)系統(tǒng)內(nèi)部的軟件執(zhí)行功能。

4) 數(shù)字量外部輸出模塊。數(shù)字量外部輸出模塊在應(yīng)用時(shí)需要從控制柜的24 V直流電源中獲取能量，直接驅(qū)動(dòng)中間繼電器，再由中間繼電器控制接觸器，用以控制外部強(qiáng)電設(shè)備同電源間的通斷。

5) PMM335伺服控制器。在“Logic”項(xiàng)目中進(jìn)行本次設(shè)計(jì)所需的程序編制工作。在邏輯編程中包含主程序“Main”和其他子程序，在執(zhí)行邏輯程序時(shí)先執(zhí)行主程序，再由主程序運(yùn)用“Call”指令調(diào)用子程序。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 IFIX軟件的界面組態(tài)

IFIX軟件包含各種輸入/輸出驅(qū)動(dòng)器和過程數(shù)據(jù)庫，每個(gè)節(jié)點(diǎn)還含有SCADA服務(wù)器、Iclient客戶端、HMI Pak三種型別。其中輸入/輸出驅(qū)動(dòng)器中有SAC功能，用于對(duì)控制對(duì)象進(jìn)行掃描、控制和監(jiān)視。

3.1.1 動(dòng)畫界面的設(shè)計(jì)

1) 在IFIX畫面設(shè)計(jì)中，所有的畫面都能使用全局變量，全局變量定義的方法為Global-Uer-Variable,并將“Variable”改為“PicNumber”。在屬性設(shè)置時(shí)，將變量類型“Variable Type”中的“Variable”的值改成“PicNumber”，將“Current Value”設(shè)為0。

2) 設(shè)置中間變量“MIDDLE”。例如選擇“X軸”頁面，右鍵選擇“動(dòng)畫”，在命令專家中選擇“關(guān)閉畫面專家”，在界面中選擇“使用別名”，并輸入“MIDDLE”，點(diǎn)擊該按鈕的時(shí)候會(huì)關(guān)閉“MIDDLE”頁面名。然后選擇“打開畫面專家”，在“畫面名”中選擇“X_AXIS.grf”畫面組件，在“畫面別名”中輸入“MIDDLE”，這樣在打開該畫面或關(guān)閉該畫面過程時(shí)就會(huì)自動(dòng)打開一個(gè)以變量名為“MIDDLE”的畫面。根據(jù)上述方法逐一設(shè)置“Y軸”、“Z軸”、“清除錯(cuò)誤”、“急?！卑粹o，就能將控制按鈕和相應(yīng)的控制畫面建立相應(yīng)的聯(lián)系。

3) 將按鈕和畫面進(jìn)行動(dòng)畫連接。如選中“X軸”按鈕，右鍵選擇“動(dòng)畫”選項(xiàng)，在“高級(jí)動(dòng)畫”的“配置”框中選“行為”選項(xiàng)，在對(duì)話框中選中“數(shù)據(jù)源”，在“表達(dá)式編輯器”中選“全局變量”，采用User.PicNumber.Cur-rentValue=2進(jìn)行配置。根據(jù)以上的步驟組態(tài)主界面效果如圖3所示。

圖3 主界面

3.1.2 受控軸地址的設(shè)置格式

在選擇好通信頻道0后，若有多臺(tái)PAC，則要在地址欄中用DEVICE0、DEVICE1等以區(qū)別不同的PAC。在標(biāo)記好PAC序號(hào)后，在裝置號(hào)后面輸入需要讀寫的數(shù)據(jù)類型及地址，如在讀取“X軸”實(shí)時(shí)位置數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)器為R10寄存器，其輸入/輸出設(shè)備地址格式為“Device0:R10”。

3.1.3 軸位置數(shù)據(jù)曲線的制作

電機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，工作臺(tái)會(huì)不斷產(chǎn)生位置數(shù)據(jù)用于觀測軸的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，根據(jù)工作臺(tái)的實(shí)際運(yùn)動(dòng)值來設(shè)置軸運(yùn)動(dòng)的上下限值，有利于判斷軸運(yùn)動(dòng)到達(dá)正、負(fù)限位的位置和時(shí)間。通過軸運(yùn)動(dòng)曲線波動(dòng)的幅度可以觀測軸加速度的變化情況，這樣方便在PME軟件中調(diào)整軸運(yùn)動(dòng)的最大加減速值。具體制作過程有2步：

1) 拖動(dòng)工具條步驟：在繪圖工具箱中點(diǎn)擊“多線圖”按鈕，單擊“實(shí)時(shí)曲線”將其拖到繪圖頁面中。

2) 配置參數(shù)：打開實(shí)時(shí)曲線工具菜單，在“圖表”選項(xiàng)中單擊“筆列表”的“新建”圖標(biāo)，選擇的數(shù)據(jù)源為“Fix32.FIX.X_POSITION.F_CV”，并設(shè)置數(shù)據(jù)的高低限，這樣，整個(gè)界面的數(shù)據(jù)變化將會(huì)在這個(gè)范圍內(nèi)顯示出來，如果軸運(yùn)動(dòng)過界，則多出的部分不能被顯示?！癤軸”界面設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 “X軸”界面設(shè)計(jì)

3.2 PME軟件

PME是一個(gè)高級(jí)的軟件開發(fā)環(huán)境和機(jī)器層面自動(dòng)化維護(hù)環(huán)境，適用于人機(jī)界面開發(fā)、運(yùn)動(dòng)控制及控制應(yīng)用的通用開發(fā)，能提供一個(gè)統(tǒng)一的用戶界面，具有全程拖放和支持項(xiàng)目需要的多目標(biāo)組件的編輯功能。根據(jù)控制要求編寫功能程序塊，實(shí)現(xiàn)各種控制功能。

3.2.1 軸使能功能塊

該功能塊的調(diào)用是在進(jìn)行軸驅(qū)動(dòng)之前，若沒有該功能塊對(duì)所要控制的軸提前進(jìn)行使能，則伺服驅(qū)動(dòng)器中的繼電器處于斷開狀態(tài)，電機(jī)無法運(yùn)動(dòng)。以“X軸”為例進(jìn)行介紹，其功能塊見圖5，相應(yīng)的參數(shù)配置詳情如表1所示。

圖5 “X軸”使能程序塊圖

3.2.2 執(zhí)行回原點(diǎn)功能

“X軸”使能后將執(zhí)行回零功能，主要是為了讓機(jī)床能夠重新記錄機(jī)床坐標(biāo)的原點(diǎn)值，目的是在系統(tǒng)內(nèi)部建立一個(gè)坐標(biāo)系，作為加工零件各個(gè)尺寸的參考點(diǎn)。功能塊如圖6所示，表2為參數(shù)列表。

表1 “X軸”使能功能塊參數(shù)

圖6 “X軸”回設(shè)備原點(diǎn)功能指令塊圖 表2 “X軸”回參考點(diǎn)功能參數(shù)設(shè)置

參數(shù)名稱功能敘述Axis定義受控軸名稱。Execute在上升沿時(shí)模塊回零動(dòng)作開始執(zhí)行。Position指定終點(diǎn)位置,在搜索一個(gè)終點(diǎn)后做出。HomingMode定義回終點(diǎn)模式。BufferMode定義軸動(dòng)作模式。HomeOffset為終點(diǎn)偏移值,用于調(diào)整理想值和編碼器值的差值。FinalHomeVelocity為終點(diǎn)速度值變化。FindHomeVelocity為回參考點(diǎn)速度。Acceleration為最大加速度,在該值范圍內(nèi)有效。Deceleration為最大減速度,在該值范圍內(nèi)有效。Jerk為加加速度,若為0則為無窮大。JerkUnits選擇單位,可選UserUnitsPerSec-ondCubed和PercentJerkLimiting。Done在功能塊完成后置于真值(1)。

3.2.3 手動(dòng)控制指令功能塊

為了更好的調(diào)試程序功能，需要設(shè)置手動(dòng)控制模塊。功能塊見圖7，參數(shù)列表如表3所示。

圖7 X軸手動(dòng)控制模塊功能塊圖 表3 手動(dòng)控制功能塊參數(shù)設(shè)置

符號(hào)名稱功能Axis定義軸的名稱。Enable_Negative設(shè)為1時(shí),軸在反方向上有位移,設(shè)0時(shí)軸在反方向上的運(yùn)動(dòng)停止。Enable_Positive設(shè)為1時(shí),軸在正方向上有位移,設(shè)0時(shí)軸在正方向上的運(yùn)動(dòng)停止。JogVelocity為最大點(diǎn)動(dòng)速度,值總是正的,最大值可以不用達(dá)到,僅作為限制。MinJogDistance設(shè)置最小點(diǎn)動(dòng)距離。Acceleration為工作臺(tái)加速的最大值,總為正,該范圍內(nèi)均有效。Deceleration為工作臺(tái)減速的最大值,總為正,該范圍內(nèi)均有效。Jerk為點(diǎn)動(dòng)加速度且值總是為正。JerkUnitsJerk輸入選擇單位,可以選Use-rUnitsPerSecondCubed和PercentJerkLimiting兩種模式。Busy當(dāng)輸出為1時(shí),功能塊正在執(zhí)行某個(gè)軸的控制,而且尚未完成指定動(dòng)作。Active當(dāng)輸出為1時(shí),功能塊控制的軸正在運(yùn)行。CommendAbor-ted輸出為1時(shí),MC_POWER的輸入使能端設(shè)置為0或另一個(gè)手動(dòng)功能塊正在進(jìn)行控制行動(dòng)。Warning當(dāng)輸出為1時(shí),表明執(zhí)行功能塊過程中產(chǎn)生了1個(gè)警告。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)以上介紹的設(shè)計(jì)過程，在GE9驅(qū)動(dòng)和數(shù)據(jù)庫管理器中對(duì)各類參數(shù)依次進(jìn)行配置，通過調(diào)整P、I、D3個(gè)參數(shù)來減小軸運(yùn)動(dòng)實(shí)際位置與設(shè)定位置之間的誤差，以達(dá)到最終的控制效果。再由iFIX組態(tài)界面分別對(duì)單軸運(yùn)動(dòng)控制和三軸運(yùn)動(dòng)控制進(jìn)行調(diào)試，使控制系統(tǒng)各項(xiàng)功能均可在觸摸屏上完成操作，實(shí)現(xiàn)易操作性。由于系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)數(shù)據(jù)采集功能還不完善，不能實(shí)時(shí)采集到具體的數(shù)據(jù)，因此現(xiàn)在只能用曲線變化圖展示。以“X軸”為例，其運(yùn)行時(shí)的界面見圖8。

圖8 “X軸”運(yùn)動(dòng)運(yùn)行界面

本文是以“X軸”為例進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，在先后點(diǎn)擊“X軸手動(dòng)正”和“X軸手動(dòng)負(fù)”時(shí)，工作臺(tái)將分別向“X軸”正方向運(yùn)動(dòng)和“X軸”負(fù)方向運(yùn)動(dòng)。當(dāng)需要結(jié)束手動(dòng)功能時(shí)，只需要再次點(diǎn)擊即可。

通過運(yùn)行界面能實(shí)時(shí)反映出“X軸”參數(shù)的變化過程，故對(duì)于調(diào)整“X軸”的運(yùn)行狀態(tài)有很大的幫助。當(dāng)控制系統(tǒng)設(shè)置為自動(dòng)狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)，編寫控制程序很重要，也需要在運(yùn)行界面上設(shè)置一個(gè)按鈕作為觸發(fā)信號(hào)使程序能自動(dòng)執(zhí)行。

5 結(jié)束語

本設(shè)計(jì)以“X軸”為例，通過對(duì)GE PAC RX3i系統(tǒng)進(jìn)行比較深入的分析，設(shè)計(jì)利用PME軟件和IFIX組態(tài)軟件設(shè)計(jì)的動(dòng)態(tài)界面來實(shí)現(xiàn)多軸運(yùn)動(dòng)控制。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)運(yùn)行和分析，采用此種設(shè)計(jì)方法能進(jìn)一步提高系統(tǒng)的可控性和易用性，在實(shí)際操作過程中能方便進(jìn)行多軸運(yùn)動(dòng)的參數(shù)設(shè)置，很好地減小誤差，便于實(shí)時(shí)觀察參數(shù)的變化過程。但該設(shè)計(jì)還存在不足之處，軸運(yùn)動(dòng)位置的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集還不完整，需要進(jìn)一步完善該功能。目前，實(shí)現(xiàn)了多軸的單一軸動(dòng)態(tài)界面，下一步準(zhǔn)備實(shí)現(xiàn)多軸在一個(gè)畫面的動(dòng)態(tài)顯示，這樣更有利于監(jiān)控和比較多軸之間的運(yùn)行情況。

[1] 傅忠云,陳平.應(yīng)用 GE PAC 的智能停車場系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)),2014,28(1):105-111.

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(責(zé)任編輯 陳 艷)

Design of Multi Axis Motion Control System Based on PAC

SONG Hong-ru， LUO Shi-lei， YANG Fan

(College of Electrical Engineering, Tongling College, Tongling 244000, China)

This paper presented three-axis motion control system as the research object, and with the GE RX3i integrated servo control system as the experimental platform, the design of hardware and software method was adopted. In this paper, the hardware design of RX3i integrated control system was introduced, and how to use the PME programming software to design the control program and the iFIX software was introduced in detail. Article shows that to realize the development interface to control motor system has better ease of control, taking Ifixes and RX3i controller as of software and hardware respectively.

motion control; IFIX configuration software; interface development; stability

2017-01-15

2015年國家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目(201510383026)；銅陵學(xué)院校級(jí)科研項(xiàng)目(2015tlxy31，2015tlxy34)

宋洪儒(1980—)，男，碩士，主要從事智能算法研究,E-mail:SHRTL2012@163.com。

宋洪儒，羅石磊，楊凡.基于PAC的多軸運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué))，2017(4):115-120.

format：SONG Hong-ru，LUO Shi-lei，YANG Fan.Design of Multi Axis Motion Control System Based on PAC[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2017(4):115-120.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2017.04.019

TP273

A

1674-8425(2017)04-0115-06