基于伺服電機控制的γ射線探傷機自動控制儀的設計

羅 睿

（中國核動力研究設計院設備制造廠，成都 610000）

基于伺服電機控制的γ射線探傷機自動控制儀的設計

羅 睿

（中國核動力研究設計院設備制造廠，成都 610000）

γ射線探傷機自動控制儀是γ射線探傷機自動送收源的電氣產品，有多種安全聯鎖功能。本系統的設計主要完成的功能是通過人機界面預置參數，由可編程控制器（PLC）根據預置參數精確控制伺服電機轉動，完成γ射線探傷源的精確定位，實現被檢測工件探傷曝光，同時能夠有效減少沖擊對送源軟軸的損壞。通過各種可靠的安全連鎖裝置，處理探傷工作中各種異常情況的發生。運動過程采用閉環控制，整個系統具有較高的測量精確度和可靠性，達到對γ射線探傷機自動完成“送源—曝光—收源”的精確控制。

伺服驅動 PLC高速計數 精確定位 閉環控制

引言

γ射線探傷機自動控制儀是自動控制探傷源送到曝光位置進行曝光，曝光時間到后自動把探傷源收回到探傷機主機（屏蔽體）的電氣控制裝置。

目前，國內γ射線探傷機生產廠家配備的自動控制儀普遍使用直流力矩電機來實現探傷源的送收，但體積大、質量重，不利于野外探傷；轉動慣性大，不能實現精確定位。中國核動力研究設計院設備制造廠的自動控制儀，主要是PLC程序上采集源的位移數據和送源卡堵的狀態來判斷是否達曝光位置。這樣的設計雖然可以保證設備工作時探傷源能夠達到曝光頭，但每次曝光都會對軟軸造成一定的沖擊。長期使用可能造成軟軸的變形，減少設備的整機使用壽命。

伺服電機與普通直流力矩電機最大的區別在于擁有電機轉子和反饋裝置。伺服電機轉子表面貼有強力磁鋼片，因此可以通過定子線圈產生的磁場精確控制轉子的位置，并且加減速特性遠高于普通力矩電機，運動速度可調可控。所以，使用伺服電機控制可以通過電機加減速實現放射源的平緩移動。通過反饋參數判斷曝光位置而不必要發生堵轉，可以有效保護驅動軟軸。

1 設計要求

1.1 技術指標

本裝置主要是通過電機拖動軟軸來控制探傷源移動定位的裝置。具有以下要求：（1）采用臺達交流伺服電機，型號：ECMA-C30604PS，額定轉速：3000r/m，功率：0.4kW；（2）伺服電機驅動器，型號：ASD-A0421-AB；（3）移動速度在大于0.5m；（4）中間控制單元采用歐姆龍20點PLC，型號：CP1H并與人機界面通訊；（5）定位精度：±2mm。

1.2 安全保護功能

本系統設計時，伺服電機的運動采用閉環控制和加、減速度運動控制，保證裝置定位運動運行平穩、可靠，盡可能減少對輸源軟軸的拉伸破壞。

由于位置參數采用的伺服電機的反饋裝置——增量型光電編碼器，設計時重點考慮脈沖的采集與計算。

在對貯位信號檢測裝置上采用可靠性、精確及耐久的非接觸式接近開關。

1.3 控制軟件

根據本系統的要求，軟件設計包括PLC梯形圖程序設計和人機界面ADP程序設計。

1.3.1 人機界面控制軟件

需要包含以下幾個功能：

（1）設置送源長度、曝光時間、延時時間的參數，并發送給PLC對應的數據存儲區；

（2）向PLC發送控制電機運轉指令，包括送源指令和回源指令；

（3）顯示當前設備的工作狀態，包括探傷源狀態、門連鎖狀態、曝光時間等；

（4）設置人性化的功能按鈕，方便操作者操作設備。

1.3.2 PLC軟件

需要包含以下幾個功能：

（1）接受人機界面的信號，發出控制電機的正反轉信號和速度控制脈沖給伺服驅動器；

（2）采集光電編碼器脈沖并進行處理和計算，判斷探傷源的當前狀態；

（3）處理整個電氣系統的各種組合邏輯關系，并向觸摸屏、伺服驅動器發出處理信號；

（4）采集貯位信號，保證整個電氣系統的安全可靠。

2 工作原理

本系統的主要功能是通過人機界面和PLC自動控制γ射線探傷機主機內的探傷源自動“送源——曝光——收源”的過程，顯示探傷源工作狀態和實現安全聯鎖控制。

通過在人機界面中選擇所需要的曝光距離方案，輸入曝光時間和延時時間，人機界面就把所輸入的信息傳輸給PLC數據寄存器。PLC通過程序計算，向伺服驅動器發送伺服啟動信號，方向信號和速度脈沖信號來控制伺服電機的轉動。同時，PLC的高速計數器采集伺服電機反饋的高速脈沖來計算探傷源的位移。當計算的位移達到所選擇的位置時，PLC發出信號停止伺服電機轉動，開啟曝光時間，讓探傷機進行曝光作業。當設置的曝光時間到后，PLC向伺服驅動器發出回源指令，讓探傷源收回到探傷機主機里面，完成一次探傷作業。整個伺服系統采用的是閉環控制。

3 系統設計及分析

3.1 硬件系統設計

如圖1所示，本系統采用人機界面做為上位機、PLC做為下位機的控制模式。根據系統輸入輸出點、上位機通信口和高速脈沖計數功能，選擇歐姆龍CP1H 20點的PLC作為本系統的控制器。該PLC輸入口分別連接防護門聯鎖、源貯位聯鎖、緊急回源信號和高速AB相脈沖信號。輸出端口功能是向伺服驅動器發出各種指令，如伺服開啟、電機正反轉、速度脈沖等。伺服驅動器再根據PLC發出的信號來控制交流伺服電機轉動與停止。可編程控制器與人機界面通過RS-232接口進行通信。

圖1 硬件系統圖

3.2 伺服系統參數設置

控制伺服電機運動首先要對伺服電機驅動器進行設置，主要是設置伺服電機的控制方式、檢出器輸出脈沖數和數字輸入接腳規劃功能，其他參數都采用系統的默認值。

3.3 PLC控制程序設計

PLC控制程序在設計上主要考慮的任務是：（1）根據人機界面設置的參數，經過邏輯判斷和數值計算后，給伺服驅動器發出伺服啟動、方向和速度脈沖信號；（2）處理伺服電機反饋的高速A/B相脈沖信號；（3）通過信息處理結果進行邏輯分析，得出設備工作狀態和執行相關動作；（4）處理各種安全連鎖信號等。PLC編采用梯形圖編程，程序根據如圖2所示的順序執行。

3.3.1 伺服電機加減速驅動控制

伺服控制驅動控制過程是驅動伺服電機啟動、停止、正反轉和速度。伺服電機啟動、停止、正反轉控制，直接在程序中指定控制輸出端來實現。本系統速度的控制由PLC指定的輸入口輸出程序定義的脈沖完成。本系統中，使用PLC脈沖輸出口0。

為了使電機運轉平穩，防止自控儀電機的慣性沖擊和電機本身的電流變化過快，本控制系統引入了加減速控制模式。同時，可以使送源精度更加可靠，增加輸源軟軸和電機的壽命。具體設計是使用不同的速度控制指令（指定輸出脈沖PLS2，脈沖頻率ACC），讓脈沖輸出口加速減速輸出脈沖，以控制伺服電機的速度。

3.3.2 高速計數模塊閉環控制

伺服電機的運動使伺服電機反饋裝置編碼器產生AB相脈沖，需要首先在PLC編程軟件窗口上對其高速脈沖進行計數器設置。確定計數模式、計數范圍及復位方式。本系統中使用高速計數器0，作為伺服電機編碼器輸脈沖輸入口。程序運行時，調用高速計數處理指令（當前值讀取PRV和動作控制INI），以完成對光電編碼器當前值的采集和運動控制。

圖2 PLC程序流程圖

3.3.3 脈沖量精度設計

脈沖量精度設計的公式：P=M（編碼）×4（倍頻）/（B×L2）。這里，P為傳給PLC的駐留距離比較數值；M（編碼）為設置的編碼器每周的增量值（伺服驅動器設置為315）；B為減速比（20:1減速箱）；L2為自動控制儀每圈軟軸實際移動距離（240mm）。

于是，可以計算出每毫米的計數值：P（1mm）=315×4/（1/20×24）=100。

因此，在暫不考慮機械因數的影響下，旋轉編碼器每輸出一個脈沖對應的距離為0.01mm。

3.4 人機界面程序設計

人機界面是一種智能化操作控制顯示裝置，是系統和用戶之間進行交互和信息交換的媒介；這里主要是向系統控制器PLC輸入用戶探傷作業的相關信息、顯示工作的狀態等功能。本系統人機界面的主要功能如圖3所示。

圖3 人機界面ADP程序結構圖

本系統的人機界面設計主要包括參數輸入、數據顯示、狀態顯示和功能控制四個方面。根據在PLC控制程序中所定義的地址信息和邏輯功能，在ADP軟件中把各元件與PLC地址對應起來，更改元件屬性，包括寫至位、讀取位、制定生效位、按鈕功能等。

人機界面設計根據功能分成三組界面，分別是初始界面、主控界面和系統設置界面。整個系統界面設置簡單清晰，功能完整，操作簡單。

5 創新性和關鍵技術

基于伺服電機控制的γ射線探傷機自動控制儀，其伺服電機控制模式是一種探傷機控制系統上的創新，提高了參數精度。此外，電機加減速度控制、PLC程序模塊化設計和更為可靠的安全聯塑是本系統的關鍵技術。

6 結論

目前，本系統基本調試完成，使用6.3m的曝光管進行送收源，全行程運動的定位精度達到正負2mm以內，各樣指標均達到設計要求。需要說明的是，本系統的成功設計，使中國核動力研究設計院設備制造廠探傷機自動控制儀的控制精度和可靠性得到進一步提高，大大增強了產品的市場競爭力。

[1]OMRON公司.SYSMAC/CP1H可編程控制器編程手冊[Z].

[2]ACE PILLAR公司.ADP6軟體編程手冊[Z].

[3]DELTA公司.ASDA AB伺服驅動器應用技術手冊[Z].

[4]宋伯生.PLC編程理論、算法及技巧[M].北京：機械工業出版社.

[5]李海發，王巖.電機與拖動基礎[M].北京：清華大學出版社.

Design of Automatic Control Instrument for γ-ray Flaw Detector Based on Servo Motor Control

LUO Rui
(China National Nuclear Power Research and Design Institute of Equipment Manufacturing, Chengdu 610000)

The automatic control device of γ-ray detection machine is a kind of electrical product of γ-ray detector, which has many kinds of safety interlocking functions. The main function of this system is to control the servo motor rotation precisely according to preset parameters by programmable controller (PLC) through pre-setting parameters of man-machine interface, to complete the accurate positioning of γ-ray detection source, to realize the detection of workpiece exposure , At the same time can effectively reduce the impact of the damage to the source flexible shaft. Through a variety of reliable safety interlock device, dealing with various anomalies in the detection of the occurrence of the work. The whole system has high precision and reliability, and it can control the γ-ray detector automatically. It can control the source-expose-receive-source automatically.

servo drive, PLC high-speed counting, precise positioning, closed-loop control