肖 克，徐世許，張 震，石朝陽

（青島大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，青島266071）

隨著社會(huì)高度信息化、智能化的發(fā)展，人們對體育器材的要求也越來越高，將自動(dòng)化技術(shù)應(yīng)用在體育器材行業(yè)成為一種趨勢。其中伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的抗眩暈器材相比于傳統(tǒng)的器材有高精度、高穩(wěn)定性的特點(diǎn)，具有更好的訓(xùn)練效果。但是伺服電機(jī)存在著運(yùn)行狀態(tài)不可視的問題，因此為了保證訓(xùn)練人員的人身安全必須保證電機(jī)運(yùn)行的安全性。本文基于NX 運(yùn)動(dòng)控制器設(shè)計(jì)的伺服電機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，用來控制伺服電機(jī)并且負(fù)責(zé)監(jiān)視記錄電機(jī)運(yùn)行的數(shù)據(jù)，電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)出現(xiàn)異常時(shí)方便操作員及時(shí)發(fā)現(xiàn)并且便于后期維修人員檢查數(shù)據(jù)庫中的運(yùn)行數(shù)據(jù)，找出異常原因，快速解決問題，提升了自動(dòng)化程度。

1 總體設(shè)計(jì)

電機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件包括歐姆龍NX102-1000 運(yùn)動(dòng)控制器、伺服驅(qū)動(dòng)器、伺服電機(jī)、減速機(jī)和上位機(jī)，NX102-1000 運(yùn)動(dòng)控制器支持高速計(jì)數(shù)器，具有增量脈沖輸入模式、增/減脈沖輸入模式，以及實(shí)現(xiàn)與伺服驅(qū)動(dòng)器和上位機(jī)的通信，此外NX中還自帶轉(zhuǎn)速、位置以及轉(zhuǎn)矩變量。系統(tǒng)上位機(jī)與NX 以EtherNet/IP 通信方式連接，當(dāng)伺服電機(jī)需要啟動(dòng)時(shí)，上位機(jī)向NX 發(fā)送電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)需要保持的轉(zhuǎn)速以及最終需要到達(dá)的圈數(shù)。在此系統(tǒng)中，主站是NX，主站發(fā)出的命令經(jīng)過EtherCAT 通信發(fā)送到從站伺服驅(qū)動(dòng)器[1]，5 臺(tái)電機(jī)分別由5 個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)來控制。伺服電機(jī)自帶的編碼器監(jiān)測電機(jī)轉(zhuǎn)速、位置，伺服電機(jī)用模擬量控制轉(zhuǎn)矩，在此直接監(jiān)控模擬量就可以間接得到轉(zhuǎn)矩的大小。轉(zhuǎn)速、位置和轉(zhuǎn)矩信號一起經(jīng)過伺服驅(qū)動(dòng)器處理傳輸?shù)絅X[2]，并根據(jù)應(yīng)用需求利用位置信息生成需要的圈數(shù)，NX 將信號通過EtherNet/IP 通信傳回上位機(jī)，在上位機(jī)中通過CX-Supervisor 組態(tài)軟件將電機(jī)轉(zhuǎn)速、位置和轉(zhuǎn)矩等信息寫入SQL Server 數(shù)據(jù)庫中并且顯示在上位機(jī)界面上，同時(shí)CX-Supervisor 具有在出現(xiàn)轉(zhuǎn)矩超限、網(wǎng)絡(luò)故障等狀況的時(shí)候發(fā)出報(bào)警的功能，代替了以往的人工監(jiān)視，提高了工作的可靠性。操作人員還可以在顯示界面對設(shè)定圈數(shù)和設(shè)定轉(zhuǎn)速進(jìn)行編輯，滿足實(shí)際訓(xùn)練中的各種需求。通過讓電機(jī)轉(zhuǎn)速和圈數(shù)等信息實(shí)時(shí)可視化可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)電機(jī)運(yùn)行是否故障，從而第一時(shí)間解決問題，提高了伺服電機(jī)運(yùn)行效率。使用數(shù)據(jù)庫對電機(jī)的轉(zhuǎn)速、位置以及轉(zhuǎn)矩信息進(jìn)行及時(shí)地保存，保證電機(jī)信息實(shí)時(shí)更新，有利于電機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。電機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Hardware system structure

2 通信設(shè)計(jì)

NX 運(yùn)動(dòng)控制器CPU 單元內(nèi)置EIP 端口，與CX-Supervisor 組態(tài)軟件的通訊遵循EtherNet/IP 協(xié)議。使用屏蔽雙絞線作為傳輸介質(zhì)，通過工業(yè)交換機(jī)網(wǎng)，在同一網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下即可進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的傳輸。NX 與CX-Supervisor 建立通信十分簡便，不需編寫通信程序，只需通過簡單的設(shè)置即可完成數(shù)據(jù)交換，提高了開發(fā)人員的開發(fā)效率。

建立通信的步驟如下：

步驟1在Sysmac Studio 軟件上對NX 的IP地址進(jìn)行設(shè)置與修改，默認(rèn)地址為192.168.250.1。

步驟2修改上位機(jī)的IP，使其與NX 處于同一網(wǎng)絡(luò)。

步驟3設(shè)置Sysmac Gateway Console 軟件參數(shù)，將網(wǎng)口IP 地址設(shè)定為上位機(jī)的IP 地址[3]。

步驟4在上位機(jī)軟件上添加NX 運(yùn)動(dòng)控制器設(shè)備，選擇Sysmac-Device 設(shè)備類型，CX-Supervisor會(huì)自動(dòng)識別可連接設(shè)備的信息：IP 地址、產(chǎn)品序列號、產(chǎn)品名稱等。

步驟5在CX-Supervisor 中新增外部變量，并將其與控制器中全局變量相關(guān)聯(lián)，如圖2所示。

圖2 新增變量Fig.2 Increment variable

3 上位機(jī)監(jiān)控軟件

為使電機(jī)轉(zhuǎn)速信息以及運(yùn)行情況可視化，同時(shí)減少操作人員的工作難度、提高工作效率設(shè)計(jì)了上位機(jī)監(jiān)控軟件。使用CX-Supervisor 編寫上位機(jī)監(jiān)控界面，能夠使采集系統(tǒng)擁有上位機(jī)和NX 間進(jìn)行通信的能力，監(jiān)視電機(jī)從啟動(dòng)到停止的全部過程。使用該軟件編寫上位機(jī)界面，可實(shí)現(xiàn)一鍵模擬，只需點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵即可實(shí)現(xiàn)模擬仿真，并且CX-Supervisor 支持多種腳本語言，可以提高編寫效率。該組態(tài)軟件能夠用任意數(shù)據(jù)庫收集并存儲(chǔ)機(jī)器數(shù)據(jù)便于進(jìn)行過程分析。在本系統(tǒng)中，當(dāng)抗眩暈器材啟動(dòng)前，可以在監(jiān)控界面設(shè)置轉(zhuǎn)速和圈數(shù)，啟動(dòng)后在監(jiān)控界面顯示器材的設(shè)定轉(zhuǎn)速、設(shè)定圈數(shù)、當(dāng)前轉(zhuǎn)速、當(dāng)前位置和當(dāng)前圈數(shù)，在運(yùn)行時(shí)，每Sample_interval ms向SQL Server 數(shù)據(jù)庫寫入一次數(shù)據(jù)，方便以后查看。

3.1 系統(tǒng)控制程序設(shè)計(jì)

CX-Supervisor 向NX 傳輸控制命令，NX 執(zhí)行運(yùn)動(dòng)控制程序，控制伺服電機(jī)完成任務(wù)，NX 控制器使用Sysmac Studio 進(jìn)行編程，不僅具備類似于PLC的梯形圖指令與ST 語法指令，可以實(shí)現(xiàn)基本PLC的編程功能，還有著自己獨(dú)特的指令和語言。NX 的很多指令使用功能（FUN）或者功能塊（FB）表示。功能可以在程序、功能以及功能塊之間調(diào)用。但功能塊只能從程序和功能塊之中調(diào)用。

NX 的CPU 單元內(nèi)置了運(yùn)動(dòng)控制功能模塊，簡稱MC 功能模塊。

在運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中，運(yùn)動(dòng)控制的控制對象為軸或軸組。軸可以是一個(gè)通過EtherCAT 連接的實(shí)際的伺服驅(qū)動(dòng)或者編碼器，或者是在MC 功能模塊中虛擬的伺服驅(qū)動(dòng)或編碼器。

3.2 系統(tǒng)上位機(jī)監(jiān)控設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的上位機(jī)監(jiān)控軟件既能夠?qū)崿F(xiàn)整個(gè)采集監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通訊功能，又能夠完成狀態(tài)監(jiān)視，數(shù)據(jù)管理儲(chǔ)存[4]。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的界面極具人性化特點(diǎn)，特點(diǎn)有數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示和報(bào)警信息顯示記錄等，軟件設(shè)計(jì)的功能如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)功能Fig.3 System function

在CX-Supervisor 中增加電機(jī)轉(zhuǎn)速、位置、轉(zhuǎn)矩和圈數(shù)變量之后，設(shè)計(jì)該系統(tǒng)的界面布局，并設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)，使文本與顯示的數(shù)值類型相對應(yīng)。同時(shí)，將設(shè)定轉(zhuǎn)速、設(shè)定圈數(shù)和采集間隔對應(yīng)的參數(shù)設(shè)置為顯示數(shù)字鍵盤，這樣可以方便操作人員在顯示界面根據(jù)實(shí)際情況修改伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速、圈數(shù)，提高工作效率。

為便于電機(jī)的數(shù)據(jù)采集和后期檢查，上位機(jī)監(jiān)控軟件會(huì)根據(jù)電機(jī)的當(dāng)前轉(zhuǎn)速和當(dāng)前位置每隔Sample_interval ms 向SQL Server 數(shù)據(jù)庫寫入一次數(shù)據(jù)，其中Sample_interval 由操作人員設(shè)定。5 臺(tái)電機(jī)運(yùn)行的數(shù)據(jù)庫表格分開保存，便于后期工作人員檢查。利用CX-Supervisor 組態(tài)軟件中的ADO 控件完成對數(shù)據(jù)庫記錄的增加、修改、查詢及更新。在上位機(jī)的CX-Supervisor 中通過ADO 控件與數(shù)據(jù)庫相關(guān)聯(lián)，對SQL Server 數(shù)據(jù)庫進(jìn)行實(shí)時(shí)更新。將Datagrid 控件的數(shù)據(jù)源設(shè)置為ADO 控件的recordset 對象，就可以顯示ADO 控件中的數(shù)據(jù)內(nèi)容，1 號電機(jī)的記錄數(shù)據(jù)庫相關(guān)代碼如下：

將電機(jī)的轉(zhuǎn)速、位置以及圈數(shù)信息顯示在監(jiān)控界面上，同時(shí)在該軟件中加入了網(wǎng)絡(luò)故障和轉(zhuǎn)矩超限警報(bào)，能夠方便現(xiàn)場的操作人員實(shí)時(shí)了解伺服電機(jī)工作情況，出現(xiàn)故障時(shí)可以方便維修人員及時(shí)排查故障原因，可以實(shí)現(xiàn)更快的完成維修。位置記數(shù)模式為循環(huán)模式，模最大位置設(shè)定值360°，模最小位置設(shè)定值0°，當(dāng)前角度在0～360°間變化，電機(jī)每轉(zhuǎn)1 圈，已轉(zhuǎn)圈數(shù)加1。上位機(jī)監(jiān)控界面如圖4所示。

圖4 上位機(jī)監(jiān)控界面Fig.4 Host computer monitoring interface

3.3 采集監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行

系統(tǒng)運(yùn)行前要對NX 的通信協(xié)議進(jìn)行設(shè)置，該設(shè)置必須和上位機(jī)保持一致。在上位機(jī)界面中將設(shè)定轉(zhuǎn)速和設(shè)定圈數(shù)設(shè)置完成之后，點(diǎn)擊“啟動(dòng)”按鈕，界面中會(huì)不斷更新顯示電機(jī)的轉(zhuǎn)速和圈數(shù)信息，同時(shí)每隔Sample_interval 向數(shù)據(jù)庫寫入一次數(shù)據(jù)，其中Sample_interval 設(shè)定為2000 ms。

應(yīng)用CX-Supervisor 的數(shù)據(jù)跟蹤功能，將運(yùn)行過程中1 號電機(jī)的轉(zhuǎn)速、位置以及轉(zhuǎn)矩的變化過程用折線圖顯示出來，可以使工作人員更加明顯地看出電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的數(shù)據(jù)變化，運(yùn)行結(jié)果如圖5所示。

折線圖和數(shù)據(jù)庫表中的數(shù)據(jù)可以看出，設(shè)計(jì)的本套伺服電機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能夠精準(zhǔn)的控制電機(jī)運(yùn)行并且可以準(zhǔn)確的采集監(jiān)視電機(jī)數(shù)據(jù)，滿足使用要求。

圖5 系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果Fig.5 System running results

4 結(jié)語

針對控制體育器材的伺服電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)不可視的問題，本文設(shè)計(jì)了基于NX 運(yùn)動(dòng)控制器的伺服電機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。使用該系統(tǒng)，既能控制器材的轉(zhuǎn)速和圈數(shù)，又可以精確地顯示器材的轉(zhuǎn)速等數(shù)據(jù)，并且在出現(xiàn)故障狀況的時(shí)候發(fā)出警報(bào)，提醒工作人員做出必要措施，使器材的工作性能以及安全性能取得更大的進(jìn)步。操作人員只需通過上位機(jī)監(jiān)控界面就可以了解其運(yùn)動(dòng)情況，并且轉(zhuǎn)速、位置以及轉(zhuǎn)矩?cái)?shù)據(jù)無需人工記錄，不僅減少人力、物力，同時(shí)提高系統(tǒng)的可靠性。