水電工程材料分揀倉儲裝置控制系統設計及仿真

龍真生

(廣西大學行健文理學院， 電氣系， 廣西， 南寧 530022)

0 引言

目前國家鼓勵進行中小型水電建設，地方為鞏固扶貧成果而大力實施小水電建設。但水電工程建設涉及大量零散、種類繁多、數量龐大的工程物資材料分揀倉儲及取用需求。這樣會導致工人的分揀搬運勞動強度大、效率低下。通過技術研究，找出一套簡易可靠實用的分揀倉儲裝置自動控制和仿真監控系統，提供參考方案。

1 主體設計路徑

主體設計路徑為基于現實做設計的理論分析，通過MATLAB對控制器進行理論控制性能分析，然后通過NX MCD軟件建立實際生產線模型進行虛擬調試來驗證控制程序與監控界面。如圖1所示。

2 控制單元

2.1 供配電控制單元

KM1、KM2、KM3、KM4繼電器由PLC控制，PLC使用獨立電源，由PLC控制主/備用電源切換，具體如圖2所示。

2.2 電機控制單元

電機手動控制，旋鈕轉至手動，由3個定值電阻分別接入實現調速，并可由KM6繼電器控制電機正/反轉，KM5為電機啟動總開關，可由就地SB1和觸摸屏按鈕啟動并自鎖，停止按鈕為SB2，L1與L2中配置電壓表，用于監視壓降,如圖3所示。

圖1 主體設計路徑

電機自動控制，電機轉速由增量型編碼器記錄并通過Z相輸出脈沖，將這些脈沖直接送到PLC，并通過計算可得到當前電機轉速,如圖4所示。

圖2 供配電控制單元

圖3 電機手動控制

圖4 電機自動控制

直流電機與旋轉編碼器為同軸，旋轉編碼器輸出矩形波脈沖，PLC可根據頻率進行編程識別出直流電機轉速，最后輸出模擬量電壓來控制直流電機[1]。

2.3 測重單元控制

在待分揀的傳送帶末端設計1個測重的壓感裝置，該裝置由1張平面板、1根豎桿、2根液壓桿以及4個電極組成，當運動電極與固定電極接觸時，輸出高電平信號。如圖5所示。

2.4 分揀抓手單元控制

圖5 測重單元控制

圖6 分揀抓手單元控制

3 設備網絡組態及編程

PS電源為網絡內全部設備進行供電，PLC型號為S7-1200，該CPU為西門子工業控制器中的中端控制器，PC站為工程師站，HMI觸摸屏站為就地現場控制站，各類設備使用以太網進行通訊。設備網絡組態如圖7所示。

3.1 PLC外部接線圖

DCM模塊為直流電機模塊。PLC站使用4個DI拓展模塊，4個DQ拓展模塊，1個AQ拓展模塊。

3.2 PLC程序

背景數據塊FB塊，是程序中最重要的數據處理分析的函數塊，是整個分揀倉儲裝置控制程序的主要數據分析及邏輯控制塊。

圖7 設備網絡組態

可編程控制器中Process_center FB塊的背景數據塊以及程序，如表1和圖8所示。

表1 Process_center FB塊SCL程序

圖8 Process_center FB塊程序段

總共有1、2號提升機及1、2、3號爪手的FB塊。

可編程控制器中負責計算的功能塊Arith FB塊的背景數據塊，該塊為增量式PI算法塊。

Pulse_Z變量為Z相脈沖變量，#SV為設定值，#PV為測量值，#LI為設定值與測量值的差值，通過配置#K與#LI的乘積來控制#LII值，數據寫入#LII變量后再將#LII值賦給#LIII，將#PV值賦給#LPV，然后到下一個1 s脈沖來時，再將#PV的值更新，重新寫入#LI，同樣的寫入#LII，然后通過#LII當前值與上個脈沖寫入的#LIII值對比值以及#LII的值進行分析處理，輸出控制電壓，當#PV的值與#SV的值相等時，#LI的值為0，控制電壓不再變化，這時輸出電壓由#LIII的值控制。

二是復雜的多變性。青年價值觀的多變性體現在三個方面：首先，同輩群體對青年價值取向的影響很大。青年往往喜歡和同伴們在價值取向上保持一致，從而忽略了個體的差異性以及價值觀念的合理性。其次，青年為了獲得他人的認同，樂于追求時髦的事物，有時甚至標新立異，借此來展現自己的與眾不同。再次，價值傾向易受到外部因素的影響，但是出于贏得他人認同而違背自身發展利益形成的價值取向必然不會持久。

表2 Arith FB塊SCL程序

4 直流電機控制

4.1 系統控制電路模型

建立電機電路模型、等效出電阻、電感等部分，如圖9所示。

圖9 電機電路模型

電機系統的等效方框圖為圖10，其中，H1為電機的電學部分，H2為電機的力學部分，將2個部分分開討論，Td與Tm疊加出TE，TE輸入到H2，最后輸出角速度ω。其中，U1為電機的輸入電壓，Td為電機所受到的干擾力矩。

在勵磁電流If恒定時，電動機電磁轉矩Tm和電動機電樞電流i成正比。電動機的反電動勢U2與電動機的轉速ωn成正比[2]。

圖10 電機自控系統方框圖

對于狀態空間設計優化的動態控制器，系統模型如圖11所示。

圖11 電機引入控制器后的方框圖

4.2 MATLAB分析閉環系統

通過分析，在計算出K的基礎上，通過分析法與試湊法配置優化反饋增益矩陣K，以獲得良好的系統性能；通過計算與二分法分析，取K1=[0.0836 2.0484 -10]，此時，具體表達式為圖12，可得本系統的數學模型如下：

圖12 電機系統數學模型

當以ωr作為輸入以ω作為輸出時，子系統的傳遞函數如式(1)：

(1)

系統的階躍響應如圖13所示。

圖13 角速度參考輸入系統階躍響應(K1)

以Td作為輸入，以ω作為輸出時，子系統的傳遞函數如：

(2)

系統的階躍響應如圖14所示。

優化反饋增益矩陣后，系統有著優秀的性能，角速度輸入穩態時間小于0.7 s，超調量小于1%，對于干擾力矩也有較強的抑制性能，系統有著較強的抗干擾能力[3]。MATLAB計算命令行如表3所示。

圖14 干擾力矩輸入系統階躍響應(K1)

表3 MATLAB計算命令行

從表3可以看出，在建立A、B、C、D4個矩陣后，并配置Q、R加權矩陣后使用care函數求解出黎卡提方程的解，然后代入式(3)便可求解出反饋矩陣K。

u*=-R-1BTPx=-Kx

(3)

5 分儲裝置自動控制仿真調試

5.1 信號連接變量表及物體名稱表

通過Siemens NX MCD中的機電一體化概念設計進行分揀控制系統仿真調試，并將列出相關信號連接變量表以及仿真調試結果[4]。

建立關于剛體、碰撞體、運動副、傳感器的物體名稱并連接相關信號，具體名稱如表4所示。

表4 MCD部分物體名稱

剛體為具有物理意義的模型，軟件會生成剛體的力學表達式；碰撞體為去除重力的力學表達式，可用作傳送帶表面等模型；運動副為可運動部件的模型，建立后可進行水平、垂直或旋轉運動；傳感器輸出邏輯信號[5]。

NX MCD軟件中的信號與PLC中的部分IO變量連接如表5所示。

表5 MCD部分變量連接表

5.2 仿真調試

倉儲第1層與第3層即將滿載，提升機即將動作，將物件轉送到其他倉儲層中。分揀貯藏仿真調試如圖15、圖16所示。

倉儲裝置裝載物件已滿的形式，該分揀倉儲裝滿的時間為30 min，同時可以從圖15看出當倉儲裝置已滿時每個裝置將會自動停止運行。

圖15 分揀貯藏進行中仿真調試

圖16 分揀貯藏完成仿真調試

6 總結

基于PLC的PID算法控制應用，亦可將相關算法應用于PLC控制程序中，并通過西門子的機電一體化概念設計NX MCD軟件進行仿真調試，該分揀儲存及取用裝置自動控制及仿真系統多應用于設計及現場調試前的仿真調試，其結論能對工程設計及現場安裝運行提供極高的技術指導意義和設計參考[6]。