柳權(quán)，谷淼

（1.湖南中聯(lián)重科智能高空作業(yè)機(jī)械有限公司，湖南長(zhǎng)沙，410219；2.長(zhǎng)沙民政職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子信息工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙，410004）

0 引言

拉線式長(zhǎng)度傳感器是一種將被測(cè)長(zhǎng)度轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的高精度產(chǎn)品，一般被應(yīng)用于長(zhǎng)距離場(chǎng)合測(cè)量，輸出模擬量、編碼器或總線信號(hào)至PLC、單片機(jī)等微控制終端，進(jìn)而達(dá)到報(bào)警或控制目的。拉線式長(zhǎng)度傳感器是起重機(jī)電控系統(tǒng)中重要的檢測(cè)裝置，直接影響起重機(jī)吊裝工作的安全運(yùn)行[1]。拉線式長(zhǎng)度傳感器出廠前和安裝使用前需要進(jìn)行質(zhì)量抽檢，最常用的檢測(cè)方式是模擬拉線式傳感器的工作過(guò)程，通過(guò)反復(fù)伸縮拉線，查看長(zhǎng)度傳感器輸出數(shù)據(jù)是否正常。傳統(tǒng)的檢測(cè)方式是通過(guò)人工進(jìn)行測(cè)試，存在工作效率較低、工作強(qiáng)度較大，且檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確度不高等不足[2～3]。

為提高傳感器檢測(cè)效率及檢測(cè)精度，一些學(xué)者和專家研究將PLC及單片機(jī)等技術(shù)應(yīng)用其中，設(shè)計(jì)了自動(dòng)化檢測(cè)系統(tǒng)，為傳感器自動(dòng)化檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提高了參考[4～5]。基于前人研究的成果，本文針對(duì)拉線式長(zhǎng)度傳感器的檢測(cè)工藝要求，設(shè)計(jì)了一種拉線式長(zhǎng)度傳感器自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)伺服電機(jī)往復(fù)伸縮拉線式長(zhǎng)度傳感器，代替人工操作，實(shí)現(xiàn)了拉線式長(zhǎng)度傳感器出廠或安裝前自動(dòng)檢測(cè)。

1 檢測(cè)系統(tǒng)總體方案

拉線式長(zhǎng)度傳感器自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)是通過(guò)伺服電機(jī)正反轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)度傳感器拉線伸縮，并將傳感器輸出數(shù)據(jù)與拉線實(shí)際長(zhǎng)度進(jìn)行比較，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)度傳感器的檢測(cè)，其系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)中選用的硬件核心是可編程邏輯控制器，其優(yōu)點(diǎn)在于編程簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性及可靠性較好，具有豐富的硬件資源及伺服驅(qū)動(dòng)器控制功能。系統(tǒng)中選用的顯示裝置是觸摸屏，既可以作為輸入設(shè)備又可以作為輸出設(shè)備，具有良好的交互性能，測(cè)試人員可以通過(guò)操作觸摸屏可以對(duì)長(zhǎng)度傳感器拉線進(jìn)行手動(dòng)和自動(dòng)控制，并通過(guò)觸摸屏查看拉線式傳感器實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)。系統(tǒng)中選用的動(dòng)力機(jī)構(gòu)是伺服電機(jī)，其主要原因是伺服電機(jī)具有較好的運(yùn)動(dòng)控制精度，能實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)位置的閉環(huán)控制。系統(tǒng)中的觸摸屏和可編程邏輯控制器采用工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行信息交互，拉線式長(zhǎng)度傳感器與可編程邏輯控制器采用CAN總線進(jìn)行信息交互，為后期多傳感器協(xié)同測(cè)試奠定了基礎(chǔ)。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

檢測(cè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)主要包括系統(tǒng)硬件選型及電氣原理圖設(shè)計(jì)。在全球缺芯的背景下，國(guó)外可編程邏輯控制器產(chǎn)品存在交貨周期長(zhǎng)、價(jià)格高等不利因素。基于系統(tǒng)成本及可靠性的考慮，本方案采用的硬件系統(tǒng)為國(guó)內(nèi)工控龍頭匯川公司的相關(guān)產(chǎn)品。由于長(zhǎng)度傳感器的輸出通常是采用CAN總線接口，要求所選可編程邏輯控制器應(yīng)支持CAN總線且具有伺服驅(qū)動(dòng)能力。

匯川H3U系列可編程邏輯控制器是匯川技術(shù)開(kāi)發(fā)的第三代小型可編程邏輯控制器產(chǎn)品，能夠通過(guò)脈沖+方向的控制方式實(shí)現(xiàn)對(duì)伺服電機(jī)的控制，且支持工業(yè)以太網(wǎng)、CANopen、CANlink等通信方式，滿足檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)可編程邏輯控制器的要求，本設(shè)計(jì)中選用的具體型號(hào)為H3U-3264MT-XP，其實(shí)物如圖2所示。

圖2 匯川H3U PLC實(shí)物

檢測(cè)系統(tǒng)人機(jī)界面采用的是匯川15寸觸摸屏IT7150E。該觸摸屏是基于Linux 開(kāi)發(fā)的新一代全組態(tài)化開(kāi)放式大屏幕HMI，采用強(qiáng)大的A8 內(nèi)核處理器，具有較好的顯示品質(zhì)和更快捷的數(shù)據(jù)處理、響應(yīng)速度，且自帶以太網(wǎng)接口，可以與匯川H3U系列可編程邏輯控制器進(jìn)行通信。伺服系統(tǒng)采用的是匯川SV660PS5R5I驅(qū)動(dòng)器和MS1H1-75B30CB-A331Z伺服電機(jī)，該系統(tǒng)響應(yīng)帶寬可達(dá)3kHz，搭配23bit絕對(duì)值編碼器，其重復(fù)定位精度和絕對(duì)定位精度較高[4-5]

根據(jù)檢測(cè)系統(tǒng)要求，設(shè)計(jì)了圖3所示伺服控制系統(tǒng)電氣原理圖。該伺服系統(tǒng)由交流220V供電，采用斷路器作為電源開(kāi)關(guān)，通過(guò)電磁接觸器進(jìn)行電源自動(dòng)通斷控制?？删幊踢壿嬁刂破髋c伺服驅(qū)動(dòng)器采用IO硬件連接。其中，伺服驅(qū)動(dòng)器上的輸出端伺服報(bào)警、伺服準(zhǔn)備及電磁制動(dòng)等端口與可編程邏輯控制器普通輸入端口連接；伺服驅(qū)動(dòng)器上的伺服使能、警告消除等輸入端口與可編程邏輯控制器普通輸出點(diǎn)連接，指令方向和指令脈沖與可編程邏輯控制器的高速脈沖輸出端口連接。

圖3 伺服控制系統(tǒng)電氣原理圖

3 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)主要包括觸摸屏程序設(shè)計(jì)及可編程邏輯控制器程序設(shè)計(jì)。觸摸屏程序設(shè)計(jì)時(shí)需要將用到的變量與可編程邏輯控制器上的變量進(jìn)行對(duì)應(yīng)，才能實(shí)現(xiàn)兩者的數(shù)據(jù)及命令交互，并且要確保觸摸屏和可編程邏輯控制器通信正常。本方案中采用以太網(wǎng)通信方式實(shí)現(xiàn)人機(jī)界面和觸摸屏的通信，首先要將觸摸屏IP地址設(shè)定為和可編程邏輯控制器IP地址同網(wǎng)段，然后通過(guò)電腦ping通，方可進(jìn)行觸摸屏程序設(shè)計(jì)。

觸摸屏采用的編程軟件是InoTouch Editor ，該軟件是匯川技術(shù) InoTouch 系列 HMI 編程組態(tài)軟件，采用 Windows Visual Studio風(fēng)格，其優(yōu)點(diǎn)在于功能強(qiáng)大、簡(jiǎn)單易用、便于上手。觸摸屏程序主要包括手動(dòng)控制界面和自動(dòng)控制界面。手動(dòng)控制界面如圖4所示，其主要功能是回原點(diǎn)、正反方向點(diǎn)動(dòng)。具體操作流程如下：將手動(dòng)模式開(kāi)關(guān)按下，設(shè)定運(yùn)行速度，持續(xù)按下正向點(diǎn)動(dòng)按鈕，伺服電機(jī)在設(shè)定運(yùn)行速度下朝正方向旋轉(zhuǎn)；設(shè)定運(yùn)行速度，持續(xù)按下反向點(diǎn)動(dòng)按鈕，伺服電機(jī)在設(shè)定運(yùn)行速度下朝反方向旋轉(zhuǎn)；設(shè)定運(yùn)行速度，按下回原點(diǎn)按鈕，伺服電機(jī)在設(shè)定運(yùn)行速度下回歸原點(diǎn)。

圖4 手動(dòng)控制界面

觸摸屏自動(dòng)控制界面如圖5所示。該界面的主要包括設(shè)定運(yùn)動(dòng)次數(shù)、設(shè)定時(shí)間間隔、設(shè)定運(yùn)行速度、設(shè)定單次長(zhǎng)度、顯示實(shí)際長(zhǎng)度、顯示CAN總線反饋值等功能，完成對(duì)長(zhǎng)度傳感器的長(zhǎng)時(shí)間反復(fù)運(yùn)行測(cè)試，以驗(yàn)證其穩(wěn)定性、可靠性。具體操作流程如下：檢驗(yàn)人員根據(jù)工藝要求對(duì)往復(fù)運(yùn)動(dòng)次數(shù)進(jìn)行設(shè)定，對(duì)正、反運(yùn)動(dòng)的長(zhǎng)度進(jìn)行設(shè)定，對(duì)正向運(yùn)行結(jié)束至反向運(yùn)行開(kāi)始時(shí)間間隔進(jìn)行設(shè)定，對(duì)拉線運(yùn)行速度進(jìn)行設(shè)定，點(diǎn)擊啟動(dòng)運(yùn)行按鈕，系統(tǒng)將按照設(shè)定工藝進(jìn)行運(yùn)行，直到運(yùn)行次數(shù)結(jié)束。在此過(guò)程中，拉線實(shí)際長(zhǎng)度、傳感器CAN總線輸出數(shù)據(jù)將顯示在界面上。

圖5 自動(dòng)控制界面

可編程邏輯控制器的編程軟件是匯川技術(shù)開(kāi)發(fā)的一款PLC編程軟件AutoShop。該軟件支持梯形圖(LD)、指令列表(IL)和順序功能圖(SFC)等三種常用編程語(yǔ)言，具有編程簡(jiǎn)單、功能強(qiáng)大、綠色實(shí)用等優(yōu)點(diǎn)。本系統(tǒng)采用了模塊化編程方式進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，系統(tǒng)從主程序入口進(jìn)行程序調(diào)用，分別調(diào)用SBR_伺服軸子程序、SBR_伺服軸手動(dòng)控制程序和SBR_伺服軸自動(dòng)控制程序。圖6為系統(tǒng)主程序，其中M8000為始終接通內(nèi)部觸點(diǎn)，控制程序通過(guò)觸摸屏上的手自動(dòng)控制模式開(kāi)關(guān)M0選擇分別執(zhí)行手、自動(dòng)控制程序。當(dāng)手動(dòng)界面手動(dòng)模式開(kāi)關(guān)按下時(shí)，系統(tǒng)調(diào)用手動(dòng)控制程序，當(dāng)手動(dòng)模式開(kāi)關(guān)未按下時(shí)，系統(tǒng)默認(rèn)調(diào)用自動(dòng)控制程序。SBR_伺服軸子程序的功能是對(duì)伺服軸的一些異常狀態(tài)進(jìn)行告警和設(shè)定，該程序始終處于激活狀態(tài)，即無(wú)論系統(tǒng)處于手動(dòng)控制模式或者自動(dòng)控制模式均生效。SBR_伺服軸手動(dòng)控制程序和SBR_伺服軸自動(dòng)控制程序分別用于實(shí)現(xiàn)拉線式長(zhǎng)度傳感器點(diǎn)動(dòng)控制功能及自動(dòng)測(cè)試功能。鑒于文章篇幅，本文僅對(duì)手動(dòng)部分程序進(jìn)行分析。

圖6 系統(tǒng)主程序

圖7 為手動(dòng)控制程序，該部分程序中的變量與觸摸屏手動(dòng)控制界面的變量具有對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過(guò)操作觸摸屏手動(dòng)界面即調(diào)用該部分程序。具體而言，梯形圖中M0為手動(dòng)控制模式開(kāi)關(guān)，M2和M3分別為點(diǎn)動(dòng)正轉(zhuǎn)和點(diǎn)動(dòng)反轉(zhuǎn)開(kāi)關(guān)，M13和M14為電機(jī)點(diǎn)動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)指示。當(dāng)系統(tǒng)處于手動(dòng)狀態(tài)時(shí)，按下對(duì)應(yīng)點(diǎn)動(dòng)按鈕，可編程邏輯控制器輸出固定頻率脈沖控制伺服電機(jī)運(yùn)行。M6為原點(diǎn)設(shè)定按鈕，當(dāng)按下M6后，M40置位，進(jìn)而使得伺服電機(jī)運(yùn)行至原點(diǎn)位置。

圖7 手動(dòng)控制PLC梯形圖

4 結(jié)論

針對(duì)拉線式長(zhǎng)度傳感器人工檢測(cè)存在的不足，本文提出了一種拉線式長(zhǎng)度傳感器自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)伺服電機(jī)+PLC+人機(jī)界面構(gòu)建硬件系統(tǒng)， 通過(guò)匯川PLC編程軟件Autoshop及觸摸屏編程軟件InoTouch Editor完成了PLC及人機(jī)界面程序設(shè)計(jì)。檢測(cè)人員通過(guò)在系統(tǒng)人機(jī)界面進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，即可啟動(dòng)拉線式長(zhǎng)度傳感器的檢測(cè)。該系統(tǒng)采用總線式硬件結(jié)構(gòu)，具有可拓展性功能，便于后期多拉線長(zhǎng)度傳感器批量化測(cè)試。實(shí)際運(yùn)行結(jié)果表明，該系統(tǒng)一定程度上減少了檢測(cè)人員勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了檢測(cè)效率，提高了檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性，為拉線式長(zhǎng)度傳感器的自動(dòng)化檢測(cè)提供了參考。