游藝機控制系統的一種設計與應用①

　　摘 要：一種大慣量游藝機的左右擺臂需作跟隨與同步控制，應用S7-200PLC與直流調速裝置系統來實現，達到載人游藝機的恒轉速、多速度等安全應用及連貫運動效果。
　　關鍵詞：游藝機 控制系統 S7-200PLC 直流調速 高速計數器 PPI通信
　　中圖分類號:TB1文獻標識碼：A文章編號：1672-3791(2011)08(b)-0004-01
　　
　　游藝機產品的控制系統在保障產品運行安全、智能檢測、預防告知等自動化控制中擔負著非常重大的作用。各種PLC、上位機、變頻器、直流調速器、傳感器等高新控制技術成功應用于此。
　　陀螺類其中之一的“翻滾洗衣機”游藝機，以其使乘客瞬間產生4.7倍超重、360度翻滾而刺激。其主要特征是慣量大、左右自由臂需單獨驅動又需同步運轉、轎廂自轉等，經設計評審決定控制系統以S7-200PLC為核心，編碼器應用技術、直流調速驅動裝置、直流電機驅力等組成。
　　
　　1 控制要求與設計思想
　　此游藝機的控制要求比較精準，轉臂轉動的角度要求一步到位并且迅速，而不能通過逐步調整的方式實現精準到位—— 因為某些動作的完成需要借助轉臂開始定位的初速，如果通過逐步調整的方式定位，轉臂的初速過小，無法保證后面動作完成的質量，并且負載大小出力都不相同。最重要在于兩臂的配合，如果兩臂角度存在偏差將大影響兩臂的出力，并且與其所處轉角存在一定關系。
　　1.1 模擬量控制直流電機組
　　使用模擬量輸出控制電機轉速可以輕松實現轉臂的正反轉、快慢控制。而且這樣還解決了對于不同負載、轉臂角度對系統的影響：控制系統控制電機的轉速，電機出力則由電機的驅動系統自整定。配合轉速控制方式的特點，在轉臂定位時能夠迅速完成，而不必由于定位并為保持轉臂而對電機驅動系統提供一定的出力輸入，而由驅動系統自整定給出了，無疑要比控制系統的響應及時性、精確性控制要有效得多。
　　在此控制系統方式中，轉速控制方式無疑要比力矩控制方式要優勝得多：其轉向角度不受負載影響，直接由直流調速驅動裝置直接調節完成。而力矩控制不單要隨著轉臂角度不斷改變對驅動系統的輸入值，還得根據不同負載對輸入值作出整定，控制系統必須是在檢測到轉臂發生轉動后才能動作并調整電機出力，一旦調整幅度過大或過小將產生超調，定位精度無法保證，系統的再次反向調整，也將形成振蕩，對定位控制變得復雜。
　　1.2 編碼器與傳感器結合的轉臂檢測
　　編碼器定位解決了對于轉臂角度的全程檢測問題，這個優點是接近開關檢測所不具備。由于編碼器是直接接到電機的轉軸上，應用S7-200的高速計數器可以高精度地檢測轉臂的角度，哪怕轉動只一度，在PLC中的高速計數器也能準確反映，這樣就為轉臂的精準定位提供了依據，實現轉臂的精度定位檢測，而且為解決兩轉臂之間的精準配合控制提供了途徑—— 控制系統可以根據兩轉臂的轉動角度適當調整兩轉臂的轉速，使兩者的動作通過兩臂計數器數值的差別調整模擬量控制輸出，使運動快了的臂減速、慢了的臂加速，達到兩者動作一致。
　　利用接近開關的信號在計數器計數超過一定范圍時作清零處理，重新作計數確定轉角。將兩者結合起來檢測，使得系統對轉臂角度的檢測是連續性的，而且能夠將誤差控制在一定的范圍內。
　　1.3 主控與座艙的PPI通信
　　座艙上有較多檢測信號，如果直接引回主控制系統難以實現—— 過多的線路無法拉回地面控制系統。這些檢測信號直接經銅環傳回主控制PLC，不單要使用大量的銅環，而且由于銅環連接本身的特點造成檢測信號極易受干擾。為此設備設計時跳出了這個常規：通過PPI通信的方式將主控制系統與座艙控制系統的指令、檢測信號相互傳送，最終作出一定的控制輸出動作。
　　這方案不單解決了信8eCqVub2C8CutIq8alJM2QpjhoK3t+VOnHoarAKOdSE=號傳送的線路問題—— 只要兩條通信線即可解決；而且還能有效地解決信號的干擾問題，因為信號是通過兩PLC之間的通信傳送的，PLC系統自己處理了信號的干擾，并對通信數據作出校驗，編程時只要讓PLC只處理校驗正確的信號就可以避免引入干擾信號。
　　1.4 電氣、機械連鎖機制
　　壓桿動作的氣路作多重連鎖，防止誤動作。電氣上對壓桿的打開作出多重檢測確認：主控制PLC檢測到打開條件達到對主控制臺操作開關開放使能，操作開關有效，但還需操作人員雙重確認打開氣路動作、座艙控制開關開放使能操作控制開關，PLC系統才會發出對應動作信號。兩者之中的一個單獨操作都設為沒效。
　　為防止電氣控制回路的控制觸點被意外接通造成控制系統沒信號但閥體卻意外動作，氣路中還串入了一手動的機械閥，實現機械與電氣的連鎖：沒操作人員的最終確認后并打開手動的機械閥，氣動回路的氣源還處于被切斷狀態。
　　
　　2 系統結構
　　根據以上系統的控制要求，及設計規范、準則，采用了S7-200系統分別作為此游藝機的主控核心、轎廂檢測系統。同時由于S7-200系列PLC結構擴展模塊種類齊備、性能可靠等高性價比產品；功能齊全、指令豐富能幫助實現對特殊信號的處理；具有強大的通訊和組網能力。
　　控制系統以S7-200PPI通訊作為核心：主PLC接收控制信號及檢測開關的信號對相應機構作出動作與否，通過PPI網絡接收轎廂PLC的信息及向其發出命令；主PLC通過模擬量輸出控制轉臂驅動機構驅動轉臂；主PLC接收編碼器的脈沖信號與檢測開關信號對兩轉臂作出邏輯運算并作校正。轎廂PLC接收座艙檢測開關的信號通過網絡傳送回主站；接收主PLC的指令控制轎廂的機構動作。
　　
　　3 程序設計
　　結合設備的預設動作情況—— 設備動作時具體的檢測信號變化及動作的連貫性要求，程序采用順序控制方式：以設備分解動作為控制次序，上一動作控制完成后觸發進入下一動作控制。這樣跳出不同動作時可能存在的檢測機構信號相同但要求動作不同的限制，動作控制更加靈活、可靠。
　　
　　4 應用結果
　　控制系統實現了對兩轉臂的精確控制與速度同步，以滿足實現復雜并連貫性動作的要求；控制系統的讀寫網絡通訊功能節省了大量布線的工藝性，對系統的穩定性、信號采集與處理提供了有力保障；功能齊全、指令豐富的軟件為編寫各種控制要求程序提供了靈活多樣性；完善的網絡資源對技術的支持性便利性等。
　　
　　參考文獻
　　[1]S7-200 PLC系統手冊.
　　[2]GBT 2043