基于激光傳感器的機電一體化設備自動化控制系統

張金德

（東營職業學院 石油裝備與機電工程學院，東營 257091）

隨著機電一體化設備在不同領域的應用，對其控制要求越來越高，在控制技術不斷成熟的背景下，機電一體化設備控制逐漸由人工手動控制轉向自動化控制，對機電一體化控制系統的研究已經成為該領域學者的重點項目[1-3]。文獻[4]設計了設備智能控制系統，該系統以物聯網為基礎，通過感知機電一體化設備不同應用情景，依據機電一體化設備交互原則，通過模式控制和語音控制方式實現機電一體化設備控制，但該系統在應用過程中，其感知機電一體化設備應用情景不夠敏感，導致該系統應用效果不佳；文獻[5]提出基于PLC 設備控制系統，該系統利用可編程邏輯控制器作為核心硬件，使用傳感器采集機電一體化設備運行狀態數據后，通過啟動邏輯控制程序實現機電一體化設備控制，但該系統在運行時控制機電一體化設備靈敏度不足。激光傳感器是通過激光技術進行數據測量采集的傳感器[6]，其由激光發射器、激光檢測器以及測量電路組成，可實現遠距離無接觸測量，具備數據采集精度高、抗電干擾能力較強的特點。為實現機電一體化設備準確、快速控制，本文以激光傳感器為基礎，設計基于激光傳感器的機電一體化設備自動化控制系統。

1 機電一體化設備自動化控制系統設計

1.1 系統總體結構

機電一體化設備自動化控制系統總體結構如圖1 所示，系統由用戶PC 端、數據存儲組、微處理器、應用程序服務器、機電一體化設備運行數據采集器等組成。用戶通過PC 端登錄機電一體化設備自動化控制系統，發送機電一體化設備自動化控制指令，微處理器接收到用戶指令并控制機電一體化設備運行數據采集器采集當前機電一體化設備實時運行數據，并將采集到的數據運用數據存儲組發送到可編程邏輯控制器，可編程邏輯控制器對機電一體化設備實時運行數據進行去噪預處理后，利用多目標設備協同控制方法獲得機電一體化設備自動化控制指令，再通過應用程序服務器連接機電一體化設備單片機，利用機電一體化設備自動化控制指令控制該單片機進行動作，實現機電一體化設備自動化控制。

圖1 機電一體化設備自動化控制系統總體結構Fig.1 Overall structure of mechatronics equipment automation control system

1.2 機電一體化設備運行數據采集器設計

機電一體化設備運行數據采集器負責實時采集機電一體化設備實時運行數據，對該采集器的靈敏度和傳輸能力要求較高。機電一體化設備運行數據采集器結構如圖2 所示。數據采集器由輸入通道、主控制電路和輸出通道組成，輸入通道由激光數字傳感器、鍵盤、JTAG 和其他電路組成，利用JTAG接口連接不同電路和硬件，負責不同電路和硬件之間通信協議的轉換。輸入通道接收到的數據發送到主控電路內，主控電路對機電一體化設備數據信號進行穩定控制、處理以及外向傳輸。輸出通道負責將采集到的機電一體化設備運行數據外向輸出，發送PWM 控制信號，向LCD 顯示器以及其他電路發送顯示數據等，經過上述過程，實現機電一體化設備運行數據實時采集和傳輸。

圖2 機電一體化設備運行數據采集器結構Fig.2 Structure of operation data collector of mechatronics equipment

1.3 激光傳感器選型

激光傳感器對于工作環境要求較低，抗環境干擾能力較強，是通過在空氣中勻速傳播的激光作為探測介質[7]，通過轉鏡、CCD 接收等獲得采集結果。本文采用LMS200 型號的激光傳感器，結構如圖3所示。激光傳感器利用電源控制電路提供穩定電壓，利用激光光源發射激光束，利用步進電機控制激光光束發送頻率時長等，當激光光束通過旋轉鏡和透鏡反射后[8]，利用CCD 接收器接收激光光束并角度識別后得到機電一體化設備實時運行數據。

圖3 激光傳感器結構Fig.3 Laser sensor structure

1.4 可編程邏輯控制器設計

可編程邏輯控制器是機電一體化設備自動化控制系統的核心硬件，結構如圖4 所示。利用編程設備連接可編程邏輯控制器，將編寫好的機電一體化設備自動化控制程序和數據采集程序寫入可編程邏輯控制器，可編程邏輯控制器利用IOBase 收發器、IOBase PCS、IOBase TX 等模塊實現程序的運行，然后連接系統應用程序、用戶程序、用戶數據等，通過MTT 介質、控制器、RX 等部件進行讀取、存儲、以及邏輯運算后，連接被驅動部件，實現被驅動部件的控制。

圖4 可編程邏輯控制器結構圖Fig.4 Programmable logic controller structure diagram

1.5 機電一體化設備運行數據采集器設計

以SD8329 型號控制芯片作為機電一體化設備運行數據采集器的核心芯片，該芯片內置8 核處理器，運行頻率為2 GHz[9]，控制內存可達到4 GB。以該芯片為基礎設計機電一體化設備運行數據采集器，其結構如圖5 所示。機電一體化設備運行數據采集器利用USB 接口連接UART 接口，通過該接口連接中繼器，利用中繼器擴大采集器的網絡傳輸距離，對機電一體化設備運行數據進行再生和還原，再利用UART 接口鏈接以太網接口[10]，通過該接口連接驅動器和穩壓電路，使用驅動器驅動采集器內的硬件，利用穩壓電力連接RS232 接口與交換器，控制激光傳感器采集機電一體化設備實時運行數據后，通過SD8329 芯片再將數據回傳至激光傳感器內，實現機電一體化設備實時運行數據采集。

圖5 機電一體化設備運行數據采集器結構Fig.5 Structure of operation data collector of mechatronics equipment

1.6 可編程邏輯控制器程序設計

可編程邏輯控制器軟件運行流程如圖6 所示。可編程邏輯控制器程序在初始運行時，先對系統進行初始化處理，在利用數據寫入輸入模塊接收機電一體化設備實時運行數據后，利用數據讀入映像區域對數據進行備份處理，再通過用戶程序對數據進行處理后執行通訊任務、數據采集、預處理以及控制等任務后，再執行其他系統任務并循環[11]，實現整個系統的邏輯運行。

圖6 可編程邏輯控制器程序運行流程Fig.6 Programmable logic controller program running flow chart

1.7 可編程邏輯控制器的設備自動化控制方法

為保障自動化控制機電一體化設備順利執行，以可編程邏輯控制器為基礎，結合PID 算法設計機電一體化設備自動化控制算法，通過運行該算法并啟動可編程邏輯控制器執行控制指令。KP、KI、KD分別表示比例、積分和微分系數，機電一體化設備的自動化控制律由H（t）表示：

部分機電一體化設備控制結構為數字式，使用離散化方法進行處理，表達式為

式中：e 為初始可編程邏輯控制器參數；Δe 為離散化后的可編程邏輯控制器參數。

為保障機電一體化設備自動化控制的靈敏性，計算控制器輸出信號的絕對誤差積分，其表達式為

式中：ε 為系統誤差；g 為控制時間積分數值。

以式（3）結果為基礎，對可編程邏輯控制器自動化控制方法進行改進處理，避免出現超調現象，因此引入懲罰函數，則式（3）可改寫為

式中：ψ 為上升時間；η1、η2、η3為控制權重。

利用PID 算法獲得比例、積分和微分控制參數后，通過可編程邏輯控制器輸出自動化控制結果，其表達式為

利用式（5）結果，即可實現機電一體化設備的自動控制，通過調整不同的比例、積分和微分控制參數，在機電一體化設備為非線性狀態時也可實現較好的控制。

2 系統性能測試與分析

以某工廠負責產品包裝的液體包裝機作為實驗對象，該液體包裝機為機電一體化設備，其集液體運輸、灌裝、壓縮、貼標以及條碼噴涂等于一體。利用本文系統對該機電一體化設備進行自動化控制，分析驗證本文系統實際應用效果。

以CPU 占用率和內存占用率作為衡量指標，測試本文系統運行時的兼容性，同時這個CPU 占用率和內存占用率閾值分別為5%和70%，測試結果如表1 所示。分析表1 可知，本文系統在長時間運行時，其CPU 占用率和內存占用率數值呈現波動趨勢，但二者之間的波動幅度極小，說明本文系統在運行時穩定性較強，同時其與其他軟件的兼容性較強，因此CPU 占用率和內存占用率較為穩定。

表1 系統兼容性測試結果Tab.1 System compatibility test results

采集實時運行數據是實現機電一體化設備自動化控制的基礎，本文系統采集機電一體化設備的有功功率，結果如圖7 所示。從圖7 可知，本文系統可有效采集機電一體化設備實時運行時的功率數值，采集到的功率曲線與其實際功率曲線幾乎完全吻合，該結果說明本文系統采集機電一體化設備實時運行數據能力較強，有效為后續機電一體化設備自動化控制提供有效的數據基礎。

圖7 機電一體化設備實時運行數據采集結果Fig.7 Real-time operation data acquisition results of mechatronics equipment

以傳送產品速度作為自動化控制指標，測試結果如表2 所示。分析表2 可知，本文系統可有效執行當前控制指令，具備較強的機電一體化設備自動控制能力。

表2 機電一體化設備自動化控制測試結果Tab.2 Test results of automation control of mechatronics equipment

以命令響應時間作為衡量本文系統靈敏度指標，測試本文系統自動化控制機電一體化設備能力，測試結果如表3 所示。分析表3 可知，在10 次機電一體化設備自動化控制中，本文系統在自動化控制次數不同時其控制響應時間始終在1 s 左右波動，可以達到規范要求。上述結果說明，本文系統在對機電一體化設備進行自動化控制時響應時間較短，系統靈敏度較好。

表3 系統控制靈敏度測試結果Tab.3 Test results of system control sensitivity

3 結語

本文設計了基于激光傳感器的機電一體化設備自動化控制系統，在該系統中運用激光傳感器采集機電一體化設備運行實時數據，結合可編程邏輯控制器實現機電一體化設備自動化控制，經過對本文系統進行實際驗證，從驗證結果中得知本文系統具備較強的應用性，未來可在機電一體化設備控制領域廣泛應用。