游艺机控制系统的一种设计与应用①

　　摘 要：一种大惯量游艺机的左右摆臂需作跟随与同步控制，应用S7-200PLC与直流调速装置系统来实现，达到载人游艺机的恒转速、多速度等安全应用及连贯运动效果。
　　关键词：游艺机 控制系统 S7-200PLC 直流调速 高速计数器 PPI通信
　　中图分类号:TB1文献标识码：A文章编号：1672-3791(2011)08(b)-0004-01
　　
　　游艺机产品的控制系统在保障产品运行安全、智能检测、预防告知等自动化控制中担负着非常重大的作用。各种PLC、上位机、变频器、直流调速器、传感器等高新控制技术成功应用于此。
　　陀螺类其中之一的“翻滚洗衣机”游艺机，以其使乘客瞬间产生4.7倍超重、360度翻滚而刺激。其主要特征是惯量大、左右自由臂需单独驱动又需同步运转、轿厢自转等，经设计评审决定控制系统以S7-200PLC为核心，编码器应用技术、直流调速驱动装置、直流电机驱力等组成。
　　
　　1 控制要求与设计思想
　　此游艺机的控制要求比较精准，转臂转动的角度要求一步到位并且迅速，而不能通过逐步调整的方式实现精准到位—— 因为某些动作的完成需要借助转臂开始定位的初速，如果通过逐步调整的方式定位，转臂的初速过小，无法保证后面动作完成的质量，并且负载大小出力都不相同。最重要在于两臂的配合，如果两臂角度存在偏差将大影响两臂的出力，并且与其所处转角存在一定关系。
　　1.1 模拟量控制直流电机组
　　使用模拟量输出控制电机转速可以轻松实现转臂的正反转、快慢控制。而且这样还解决了对于不同负载、转臂角度对系统的影响：控制系统控制电机的转速，电机出力则由电机的驱动系统自整定。配合转速控制方式的特点，在转臂定位时能够迅速完成，而不必由于定位并为保持转臂而对电机驱动系统提供一定的出力输入，而由驱动系统自整定给出了，无疑要比控制系统的响应及时性、精确性控制要有效得多。
　　在此控制系统方式中，转速控制方式无疑要比力矩控制方式要优胜得多：其转向角度不受负载影响，直接由直流调速驱动装置直接调节完成。而力矩控制不单要随着转臂角度不断改变对驱动系统的输入值，还得根据不同负载对输入值作出整定，控制系统必须是在检测到转臂发生转动后才能动作并调整电机出力，一旦调整幅度过大或过小将产生超调，定位精度无法保证，系统的再次反向调整，也将形成振荡，对定位控制变得复杂。
　　1.2 编码器与传感器结合的转臂检测
　　编码器定位解决了对于转臂角度的全程检测问题，这个优点是接近开关检测所不具备。由于编码器是直接接到电机的转轴上，应用S7-200的高速计数器可以高精度地检测转臂的角度，哪怕转动只一度，在PLC中的高速计数器也能准确反映，这样就为转臂的精准定位提供了依据，实现转臂的精度定位检测，而且为解决两转臂之间的精准配合控制提供了途径—— 控制系统可以根据两转臂的转动角度适当调整两转臂的转速，使两者的动作通过两臂计数器数值的差别调整模拟量控制输出，使运动快了的臂减速、慢了的臂加速，达到两者动作一致。
　　利用接近开关的信号在计数器计数超过一定范围时作清零处理，重新作计数确定转角。将两者结合起来检测，使得系统对转臂角度的检测是连续性的，而且能够将误差控制在一定的范围内。
　　1.3 主控与座舱的PPI通信
　　座舱上有较多检测信号，如果直接引回主控制系统难以实现—— 过多的线路无法拉回地面控制系统。这些检测信号直接经铜环传回主控制PLC，不单要使用大量的铜环，而且由于铜环连接本身的特点造成检测信号极易受干扰。为此设备设计时跳出了这个常规：通过PPI通信的方式将主控制系统与座舱控制系统的指令、检测信号相互传送，最终作出一定的控制输出动作。
　　这方案不单解决了信8eCqVub2C8CutIq8alJM2QpjhoK3t+VOnHoarAKOdSE=号传送的线路问题—— 只要两条通信线即可解决；而且还能有效地解决信号的干扰问题，因为信号是通过两PLC之间的通信传送的，PLC系统自己处理了信号的干扰，并对通信数据作出校验，编程时只要让PLC只处理校验正确的信号就可以避免引入干扰信号。
　　1.4 电气、机械连锁机制
　　压杆动作的气路作多重连锁，防止误动作。电气上对压杆的打开作出多重检测确认：主控制PLC检测到打开条件达到对主控制台操作开关开放使能，操作开关有效，但还需操作人员双重确认打开气路动作、座舱控制开关开放使能操作控制开关，PLC系统才会发出对应动作信号。两者之中的一个单独操作都设为没效。
　　为防止电气控制回路的控制触点被意外接通造成控制系统没信号但阀体却意外动作，气路中还串入了一手动的机械阀，实现机械与电气的连锁：没操作人员的最终确认后并打开手动的机械阀，气动回路的气源还处于被切断状态。
　　
　　2 系统结构
　　根据以上系统的控制要求，及设计规范、准则，采用了S7-200系统分别作为此游艺机的主控核心、轿厢检测系统。同时由于S7-200系列PLC结构扩展模块种类齐备、性能可靠等高性价比产品；功能齐全、指令丰富能帮助实现对特殊信号的处理；具有强大的通讯和组网能力。
　　控制系统以S7-200PPI通讯作为核心：主PLC接收控制信号及检测开关的信号对相应机构作出动作与否，通过PPI网络接收轿厢PLC的信息及向其发出命令；主PLC通过模拟量输出控制转臂驱动机构驱动转臂；主PLC接收编码器的脉冲信号与检测开关信号对两转臂作出逻辑运算并作校正。轿厢PLC接收座舱检测开关的信号通过网络传送回主站；接收主PLC的指令控制轿厢的机构动作。
　　
　　3 程序设计
　　结合设备的预设动作情况—— 设备动作时具体的检测信号变化及动作的连贯性要求，程序采用顺序控制方式：以设备分解动作为控制次序，上一动作控制完成后触发进入下一动作控制。这样跳出不同动作时可能存在的检测机构信号相同但要求动作不同的限制，动作控制更加灵活、可靠。
　　
　　4 应用结果
　　控制系统实现了对两转臂的精确控制与速度同步，以满足实现复杂并连贯性动作的要求；控制系统的读写网络通讯功能节省了大量布线的工艺性，对系统的稳定性、信号采集与处理提供了有力保障；功能齐全、指令丰富的软件为编写各种控制要求程序提供了灵活多样性；完善的网络资源对技术的支持性便利性等。
　　
　　参考文献
　　[1]S7-200 PLC系统手册.
　　[2]GBT 2043