基于PLC的土工離心機(jī)數(shù)字照相系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉慶杰，高宏力，何邵燦

（西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，四川 成都 610031）

0 引 言

土工離心機(jī)在巖土工程的研究和工程實(shí)踐等方面廣泛應(yīng)用，土工離心機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛴行У靥幚砗芏嚯y處理的巖土工程問(wèn)題[1]。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中需要獲得清晰的模型箱內(nèi)模型變化圖片，傳統(tǒng)的土工離心機(jī)所應(yīng)用的照相設(shè)備固定在屋頂上，在離心機(jī)高速旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，模型箱隨著轉(zhuǎn)速不斷增大逐漸升起直至擺平，相機(jī)透過(guò)模型箱外有機(jī)玻璃拍攝箱內(nèi)模型的照片。

目前在土工離心機(jī)系統(tǒng)[2-3]中照相機(jī)位置固定，拍攝位置固定而且范圍太大，以致拍攝照片數(shù)量有限且模糊，為改善傳統(tǒng)相機(jī)拍出照片不清晰、數(shù)量少、不能實(shí)時(shí)拍攝等不足，設(shè)計(jì)出了土工離心機(jī)的快速成像系統(tǒng)。

數(shù)字照相系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)由支架、導(dǎo)軌、絲杠組成，控制系統(tǒng)由PLC、伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)組成，照相功能由數(shù)碼相機(jī)完成。以可編程邏輯控制器（programmable logic controller，PLC）為控制核心，應(yīng)用比例積分微分（PID）控制理論，由PLC控制兩臺(tái)松下Minas A4驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)電機(jī)按照PLC發(fā)出的指令運(yùn)動(dòng)。通過(guò)對(duì)伺服電機(jī)的精確控制，使相機(jī)準(zhǔn)確依次運(yùn)動(dòng)到待測(cè)點(diǎn)的正上方。由PLC發(fā)出對(duì)焦、拍照指令,控制佳能EOS 5D Mark II數(shù)碼相機(jī)透過(guò)模型箱透明有機(jī)玻璃拍攝內(nèi)部模型標(biāo)點(diǎn)的變化照片。

1 土工離心機(jī)

土工離心模擬試驗(yàn)是利用土力學(xué)普遍相似原理，將土工相似模型置于高速旋轉(zhuǎn)的離心機(jī)，形成高慣性力場(chǎng)模擬真實(shí)環(huán)境下的土工模型，來(lái)研究實(shí)際土工構(gòu)筑物原型的綜合性態(tài)。土工離心機(jī)是進(jìn)行試驗(yàn)的關(guān)鍵機(jī)械設(shè)備。

土工離心機(jī)[4]由主機(jī)系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)兩部分組成，其中主機(jī)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)部分由轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)（包括轉(zhuǎn)臂、吊籃、模型箱、平衡配重等）、傳動(dòng)系（包括電機(jī)、減速器、傳動(dòng)支承、主軸等）和控制部分（包括計(jì)算機(jī)、控制裝置等）組成。

工作吊籃起始位置是垂掛在轉(zhuǎn)臂端部，隨著離心機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)掛斗逐漸擺起，直至與轉(zhuǎn)臂平齊。模型箱的一面為有機(jī)玻璃，供靜物攝影與電視攝影的觀察窗口用。

2 照相系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

照相系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)由支架、導(dǎo)軌、絲杠和相機(jī)座組成，支架主要起支承導(dǎo)軌、絲杠及與模型箱連接固定的作用，導(dǎo)軌是相機(jī)座運(yùn)動(dòng)的平臺(tái)，絲杠起傳動(dòng)力的作用，相機(jī)座在絲杠旋轉(zhuǎn)時(shí)沿著導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)，相機(jī)座處安裝有數(shù)碼相機(jī)，為防止離心機(jī)高速旋轉(zhuǎn)時(shí)數(shù)碼相機(jī)被破壞，將鏡頭和相機(jī)機(jī)身分別固定于相機(jī)座上，電機(jī)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)絲杠旋轉(zhuǎn)，相機(jī)座在絲杠的作用下沿導(dǎo)軌往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

圖1所示為照相系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)安裝于土工離心機(jī)的模型箱上，支架位于模型箱帶有透明有機(jī)玻璃一側(cè)，支架與模型箱間通過(guò)數(shù)十顆高強(qiáng)度螺栓連接。在離心機(jī)高速旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，左側(cè)模型箱連同支架及右側(cè)掛斗隨著離心機(jī)轉(zhuǎn)速不斷增大緩慢升起直至擺到水平位置。

圖2所示為照相系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)主視圖，主要包括底板、導(dǎo)軌、絲杠、相機(jī)座、電機(jī)等。

由此可見(jiàn)，由導(dǎo)軌、絲杠構(gòu)成了一個(gè)二維運(yùn)動(dòng)平面，在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)作用下，相機(jī)座可運(yùn)動(dòng)到平面內(nèi)任意位置。

圖1 照相系統(tǒng)安裝在土工離心機(jī)上示意圖

圖2 照相系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)主視圖

3 PID控制算法

模擬調(diào)節(jié)器中，PID控制算法[5]的模擬表達(dá)式為

式中：u（t）——調(diào)節(jié)器輸出信號(hào)；

e（t）——調(diào)節(jié)器輸入信號(hào)；

KP——比例系數(shù)；

Td——微分時(shí)間常數(shù)；

Ti——積分時(shí)間常數(shù)。

對(duì)式（1）進(jìn)行離散化處理，并考慮到

則可得PID增量式為

式中：Ki——積分常數(shù)，表達(dá)式為，T為采樣周期；

Kd——微分常數(shù)，表達(dá)式為；

u（n）——采樣時(shí)刻t=n時(shí)的輸出量；

e（n）——采樣時(shí)刻t=n時(shí)的偏差值；

e（n-1）——采樣時(shí)刻t=n-1時(shí)的偏差值。

如T、KP、Ki和Kd確定，根據(jù)前后3次測(cè)量偏差即可求出控制增量，加上反饋值，便可得到全量輸出。

運(yùn)用PID對(duì)伺服電機(jī)精確控制，使相機(jī)準(zhǔn)確依次運(yùn)動(dòng)到待測(cè)點(diǎn)的正上方。

4 PLC閉環(huán)控制

控制系統(tǒng)由PLC基本模塊、松下Minas A4伺服交流系統(tǒng)、行程開(kāi)關(guān)、霍爾開(kāi)關(guān)、EOS 5D Mark II數(shù)碼相機(jī)和報(bào)警燈等組成。以PLC為控制核心，發(fā)出控制驅(qū)動(dòng)動(dòng)作指令及接收編碼器反饋回來(lái)的速度和位置的信息。松下伺服系統(tǒng)根據(jù)PLC發(fā)出的指令產(chǎn)生對(duì)應(yīng)脈沖驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)動(dòng)作，伺服電機(jī)編碼器產(chǎn)生速度和位置的反饋信號(hào)送回PLC。霍爾開(kāi)關(guān)產(chǎn)生換向信號(hào)，在相機(jī)座下安裝有一片突出的鋼板，當(dāng)相機(jī)座運(yùn)動(dòng)到導(dǎo)軌邊緣時(shí)，霍爾開(kāi)關(guān)檢測(cè)到鋼板發(fā)出信號(hào)至PLC。行程開(kāi)關(guān)為極限位置，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障，相機(jī)座越過(guò)所設(shè)定的位置，即會(huì)觸動(dòng)行程開(kāi)關(guān)，發(fā)出報(bào)警信號(hào)，PLC停止發(fā)出指令，電機(jī)停止。EOS 5D Mark II數(shù)碼相機(jī)為拍照所用設(shè)備。

PLC控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3。采用西門(mén)子S7-200系列的CPU 224 CN DC/DC/DC，其體積小，運(yùn)行速度快，有兩路脈沖輸出（DC），最高頻率為20kHz，數(shù)字量輸入14路，數(shù)字量輸出10路。伺服系統(tǒng)采用PANASONIC公司生產(chǎn)的Minas A4系列交流伺服系統(tǒng)，電機(jī)型號(hào)MHMD082P1U，電機(jī)額定輸出800 W，電壓規(guī)格200V，額定輸出200 Hz，額定轉(zhuǎn)速3 000 r/min。旋轉(zhuǎn)編碼器為增量式編碼器，2500P/r，分辨率10000。

圖3 PLC控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

相機(jī)運(yùn)動(dòng)軌跡如圖4所示。A～D為列，1～5為行，所標(biāo)點(diǎn)都有惟一坐標(biāo)，如起始點(diǎn)為A1，根據(jù)試驗(yàn)要求制定標(biāo)點(diǎn)位置。當(dāng)系統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)行后，每隔一段距離有一個(gè)標(biāo)點(diǎn)，X軸電機(jī)在相機(jī)即將到達(dá)標(biāo)點(diǎn)位置時(shí)減速直至停止使相機(jī)停留在標(biāo)點(diǎn)位置，PLC發(fā)出指令控制相機(jī)對(duì)焦、拍照，繼而X軸電機(jī)加速運(yùn)行，相機(jī)準(zhǔn)備進(jìn)入第二個(gè)標(biāo)點(diǎn)拍照，當(dāng)接近開(kāi)關(guān)感應(yīng)到已走到X軸邊緣處，Y軸電機(jī)開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)，到達(dá)新的一行的標(biāo)點(diǎn)所在位置處停止，X軸電機(jī)繼續(xù)動(dòng)作，以此往復(fù)完成一系列拍照動(dòng)作。

圖4 相機(jī)運(yùn)動(dòng)軌跡

圖5 運(yùn)動(dòng)控制算法流程圖

5 PLC實(shí)現(xiàn)PID控制算法

S7-200系列PLC提供了PID指令[6-9]。該指令需要指定一個(gè)以V變量存儲(chǔ)區(qū)地址的PID回路表，以及PID回路號(hào)。PID回路表提供了給定值、過(guò)程變量以及PID參數(shù)等數(shù)據(jù)輸入口，PID運(yùn)算的結(jié)果也通過(guò)回路表輸出。

采用西門(mén)子公司的STEP 7軟件編寫(xiě)控制程序，程序設(shè)計(jì)采用模塊化、功能化結(jié)構(gòu)，便于維護(hù)和擴(kuò)展。控制過(guò)程流程圖如圖5所示。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文采用西門(mén)子PLC S7-200系列的CPU 224 CN DC/DC/DC為控制核心，以PID控制技術(shù)為理論基礎(chǔ)，形成閉環(huán)控制系統(tǒng)，提高到達(dá)標(biāo)點(diǎn)的準(zhǔn)確性，控制松下Minas A4交流伺服電機(jī)動(dòng)作，使相機(jī)快速達(dá)到預(yù)定標(biāo)點(diǎn)，并對(duì)模型箱內(nèi)的模型進(jìn)行拍照。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)控制電機(jī)使相機(jī)準(zhǔn)確到達(dá)標(biāo)點(diǎn)位置，在土工離心機(jī)高速運(yùn)行時(shí)拍攝預(yù)定標(biāo)點(diǎn)位置下的土工模型清晰圖片，達(dá)到了實(shí)驗(yàn)要求。

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