基于ControlLogix和Intouch的无轴传动实验平台设计

刘兴华，饶志波，蒋其斌，李新国

（1.重庆大学自动化学院，重庆 400044；2.中国石油新疆油田，新疆克拉玛依 834000）

1 引言

在传统的机械中为了实现各个运动单元之间的位置同步及速度同步，通常采用机械轴和齿轮传动。为了改变各个传动点之间的速度比和相位关系还需要安装无极变速箱和差速箱。这种传动方式为有轴传动。

无轴传动又称电子轴传动或者独立传动、无机械传动。其特点是每个传动点都有自己独立的驱动电机，而不是由一个大电机拖动多个传动点，因而只需通过简单的几个参数设定就可以取代原来无极变速箱及更多更复杂的齿轮及连杆机构的功能，传动精度也不会随着机械的老化、磨损越来越差。无轴传动在机械中的运用简化了机械润滑系统，降低了机器噪音，减少了机械振动，节省了空间。目前无轴传动的应用越来越广泛［1］。

利用罗克韦尔自动化的新一代实时控制网络平台ControlLogix所具有的强大的联网通信能力，提出了网络分布式多轴同步控制的方法，设计突破了传统的机械刚性连接以及使用PLC／运动控制卡集中控制的多轴同步运动控制方法，实现了对控制多部伺服电机驱动器进行网络化控制的分布式实时同步控制。在此基础上，Intouch软件开发了上位机监控平台，以实现对现场采集数据的处理、保存等操作。

2 伺服平台的组成架构

该伺服系统实验平台的设计主要是基于ControlLogix控制系统搭建的网络型伺服系统。选择Ethernet／IP作为计算机编程和监控的网络，SERCOS网络作为运动控制网络，ControlLogix系统作为伺服系统的控制平台；选择相应的伺服驱动器、伺服电动机作为伺服驱动系统，且以两轴精密定位平台作为伺服系统的被控对象，设计出能实现高精度实时控制的无轴传动控制系统。其硬件结构如图1所示。

图1 无轴运动控制实验平台架构

ControlLogix系统是一款功能强大的可编程控制器系统，在ControlLogix控制系统平台上，可以实现顺序控制、过程控制以及运动控制，可以实现网络通信、数据采集和监视控制，同时可以实现伺服系统的转矩／电流、转速和位置的控制等功能。SERCOS网络接口采用1756-M08SE运动控制模块，它提供ControlLogix控制系统与伺服驱动器（Ultra3000-SE数字型数字驱动器）之间的光纤连接通道。模块与驱动器之间的通信通过SERCOS光纤网络环实现。由于光纤介质具有良好抗干扰性和高速数据传送的性能，因此光纤环网的使用极大地提高了通信速率以及驱动器和运动模块之间的互连性。

伺服驱动器和伺服电机是整个伺服系统的核心，数据的主要处理就是在这里进行的，该伺服系统实验平台选用的是带SERCOS接口的Ultra3000-SE型的数字伺服驱动器和Y系列的伺服电机。

上位机监控采用的是Intouch9.5组态软件开发平台，它是整个伺服上位机平台的数据分析、处理和监控平台。

3 平台的设计内容及总流程

ControlLogix5555控制器是最新一代的集成化控制系统，它将多种控制方式集成在单一的控制器中，其中包括顺序控制、过程控制和驱动控制等。该实验平台应用ControlLogix控制系统的编程软件RSLogix5000编写控制程序，通过SERCOS网络通信实现两轴伺服系统在无轴传动下的速度和位置的精确实时控制。在此基础上，系统采用Intouch组态软件实现上位机的数据采集和监控。设计的主要内容如下：

（1）建立ControlLogix网络通信平台：在熟悉ControlLogix网络结构和相关通信协议基础上，选择搭建平台所需的硬件（ControlLogix5555控制器、1756-M08SE模块、Ultra3000-SE伺服驱动器、Y系列伺服电机、PC机等）组态两轴交流伺服运动控制平台。

（2）实现伺服电机的同步控制：利用1756-M08SE运动模块对Ultra3000-SE伺服驱动器进行控制，ControlLogix5555控制器通过运动控制模块对伺服驱动器发出运动控制命令，使两台伺服电机速度同步。

目前信息化技术主要应用在工程施工前的招标、投标、预算、设计等，在工程施工建设以及安全管理方面并没有得到有效应用。项目工程管理人主要还是依靠管理者的经验以及能力进行现场管理，缺少科学性、系统性、规范性。

（3）通过RSLogix5000编写运动控制应用程序：包括添加伺服模块、创建和组态运动轴、建立运动控制应用程序等。

（4）编写人机监控界面：基于RSLinx通信服务器，建立Intouch组态监控界面，实现上位机对数据的采集、分析和保存。

其设计的总体流程如图2所示。

4 软件平台的实现

该实验平台系统的软件总体设计流程如图3所示。

图2 总体设计流程

图3 软件设计流程

可以看到，运动控制平台主要是基于RSLogix5000平台开发的，上位机监控平台主要是基于Intouch9.5开发的。对于关键的几个模块我们的设计如下：

4.1 RSLogix5000运动控制平台程序设计

运动控制平台应用ControlLogix控制系统的相应编程软件RSLogix5000编写控制程序。该软件支持运动控制功能和SERCOS网络通信，可以实现网络型伺服系统的转矩／电流控制、位置控制、速度控制、多轴同步控制和多轴插补控制。

在编写运动控制程序前，应先进行系统的通讯配置、通讯模块组态、位置坐标系的组态、标签变量的创建等工作。

该系统主要使用梯形图语言来编写运动控制程序。MainRoutine为系统默认的主程序，用于完成循环扫描、调用子程序和返回原点的操作。它包含三个子程序，如图4所示。

图4 运动控制主程序

（1）AUTO_AB用于运行在给定的编写的伺服程序下的自动控制程序；

（2）MANUAL_JOG子程序实现两个轴的点动、移动定长和停止等控制；

（3）MOVE用于定原点、实现两轴同步控制功能等操作。

4.2 Intouch上位机监控平台实现

系统使用Intouch9.5软件中的各种控件，设计伺服系统监控界面，其监控界面总体的功能架构如图5所示。

图5 监控界面总体功能图

由架构图可知，控制界面主要包括主界面下的手动部分、实时监控部分、历史趋势部分等部分，其各个部分又由各个不同的子动作部组成，用于实现各个驱动器的使能、关断和重置控制；实现各个轴的零点定位、点动、定长移动、急停等控制；检测各轴的状态信息，如实际位置、实际速度等信息。监控系统的主界面如图6所示。

监控界面主要包括主界面、登录界面（EXIT）、使用说明、位置历史趋势及相关数据记录、速度历史趋势及相关数据记录和报警清除及报警记录等界面。

主界面用于两轴伺服运行的实时监控；登录界面用于用户的登录和操作权限的设置；位置历史趋势和速度历史趋势界面分别用于其相应变量的历史趋势；报警消除及报警记录用于消除一些非硬件问题的报警和报警的记录。

4.3 Intouch与Microsoft Access数据库的连接

系统中由于要实现对相关的数据（报警数据及位置数据）的处理和存储，因此要将一些指定数据写入数据库，这里采用的是写入事先建好的Microsoft Access数据库。要实现与Microsoft Access通讯，可以通过在Intouch QuickSript中执行SQLConnect（）函数来实现。

SQLConnect（）函数用于将Intouch连接到Microsoft Access数据库。通过运行包含SQLConnect（）函数的脚本，就可以登录到数据库服务器，并打开一个连接，以便运行其它SQL函数。SQLConnect（）使用的连接字符串的格式如下：

SQLConnect（ConnectionId，＂＜attribute＞＝＜value＞ ；＜attribute＞＝＜value＞ ；..＂）；DSN 是 Microsoft Access使用的一个独特属性，用于确定在“Microsoft ODBC管理器”中配置的数据源的名称。本系统中采用ODBC数据接口连接为：

图6 监控主界面

ResultCode ＝ SQLConnect（ConnectionId，＂DSN＝SQLAM_Access＂）；必须注意的是“SQL访问管理器”支持的有效数据类型取决于所使用的ODBC驱动程序的版本。

5 结论

设计的无轴伺服系统实验平台采用先进的ControlLogix控制系统以及先进的控制技术实现了对两轴运动的精确定位和运动轨迹的控制，先进的SERCOS网络通信保证了系统的快速性和实时性。实验结果表明：该系统能确保在较小误差的情况下按照所设定的参数，实现位置控制和轨迹运动控制，系统运行稳定、可靠。系统监控的界面能够实时地反映实时的运动轨迹和趋势，为操作员提供了一个直观、方便的操作界面。该实验平台的成功设计也为许多工业现场无轴传动控制系统的设计提供了很好的借鉴。

［1］尔桂花，等.运动控制系统［M］.北京：清华大学出版社，2002：365-371.

［2］吴乃优，等.SERCOS协议和同步控制方法［J］.电气传动，1999，（6）：31-33.