一种基于S7-1200控制技术的全向移动安装装置设计

芦海涛

中航西安飞机工业集团股份有限公司 陕西 西安 710089

引言

针对传统起落架安装方式存在的不足,本文以S7-1200 PLC作为车载控制器,通过SINAMICS V90实现对麦克纳姆轮驱动,设计了一台可全方向移动的起落架运输和安装装置,实现了某型机飞机起落架的快速对接装配,解决了狭窄空间内飞机起落架难以运输、装配的技术难题。

1 安装装置结构组成及功能

安装装置由车体、车载控制器、蓄电池及驱动轮组、零重力装置等部分组成。车载控制器负责数据计算和轮组运动控制,蓄电池组为控制系统和驱动器提供动力,驱动轮组负责起落架运输及安装定位,零重力装置负责起落架姿态调整和安装对接。

2 车载控制器选择

本安装装置使用于工业控制现场,数据运算量适中,但要求车载控制器必须稳定和可靠,扩展性要强,同时要便于现场调试和后续维护。综合考虑上述因素,选用西门子S7-1200系列PLC作为导引车车载控制器。

3 驱动器选型与通讯方式选择

3.1 驱动器选择 自动导引车普遍采用蓄电池供电,其电压一般在12V-72V左右,驱动器可以选择低压直流型伺服驱动器,也可以选择交流伺服驱动器。选择交流伺服驱动器需要配置交流逆变器,将直流电逆变为需要的交流电压后供给驱动器。

交流伺服电机维护方便,容易调速,控制精度高,本项目选用交流伺服驱动器。蓄电池输出电压直流48伏,采用逆变器将蓄电池输出电压逆变至交流220伏供给驱动器。

3.2 控制器与驱动器通讯协议选择 Profinet是一种新型的以太网通讯系统,基于工业以太网,数据传输速率高,具有很好的实时性,可以直接连接现场设备。为便于项目调试和系统集成,本项目驱动器选择与车载控制器同一品牌的Sinamcs V90驱动器。该驱动器具备高水平的快速定位精度和低纹波的转速波动功能,支持Profinet协议,通过PROFINET接口,只需一根通讯电缆即可实时传送运动控制指令并实时反馈驱动器转速、转矩等过程数据以及诊断数据。

4 轮组驱动方式选择

差动轮通过两轮的差动实现行走和转向,可以实现原地回转等动作,缺点是精度不高,无法适应对精度要求较高的场合。舵轮常用于大吨位物料的搬运,体积较大,在狭小空间范围内使用时移动式灵活性不足。麦克纳姆轮采用全向驱动技术,体积较小,可以灵活的实现任意方向上的平移和原地回转,特别适用于在狭小的空间内全方位移动,且运动精度较高。

5 系统硬件组态配置

5.1 车载控制器硬件组态配置 控制系统由西门子S7-1200控制器和SINAMICS V90伺服驱动器组成,电机选用1FL系列自冷却永磁同步电机。

打开TIA Portal软件,新建项目,在添加新设备窗口中选择CPU 1215C及对应版本。在网络视图中为CPU1215C建立PROFINT网络,并从右侧的硬件目录“其他现场设备→PROFINETIO→Drives→Siemens AG→SINAMICS”中选择“SINAMICS V90 PN V1.0”,鼠标左键点击PROFINT IO网络,在属性窗口中,为PLC和V90PN分配IP地址。完成所有驱动器IP地址设置后将上面的设置下载至S7-1200。接下来组态V90的报文,网络视图中打开V90的设备视图,从右侧目录中“标准报文3,PZD-5/9”拖到左侧的地址列表中。

在工艺对象中插入TO_Positioning Axis,然后对该轴进行组态。将“轴类型”设置为线性轴,硬件接口参数中驱动装置类型选择“PROFIdrive”,再选择驱动装置报文“SINAMICS-V90-PN.驱动_1”,其余参数均保持默认。

5.2 SINAMICS V90伺服驱动器参数配置 SINAMICS V-ASSISTANT工具用于调试和诊断带有PROFINET接口的SINAMICS V90驱动器,用于修改SINAMICS V90 PN的参数并监控其状态。

选择目标驱动器,建立SINAMICSV-ASSISTANT与驱动之间的通讯。单击在线,V-ASSISTANT自动从所连驱动上读取所有参数设置,并在窗口显示驱动器和电机型号、电源规格、额定功率、电流、编码器类型等相关信息。

在主界面左侧选择“设置PROFINET”菜单,选择驱动器所需报文并进行网络IP地址设置,此处IP地址和子站名称设置必须与S7-1200控制器硬件组态相同。根据控制要求点击下拉列表并选择所需报文。

在主界面左侧选择“参数”菜单,分别对电机减速比、速度、硬件限位、软件限位、扭矩保护、控制模式等参数进行设置。

6 系统软件设计

根据麦克纳姆轮结构结构,运行速度与轮组角速度关系的数学模型计算如图1所示,其中l为半车宽,L为半车长,R为轮子半径,α为小辊子与轮轴夹角,θ1、θ2、θ3、θ4分别为四个轮组的角速度。

图1 速度计算数学模型

7 结束语

近年来,随着智能化概念的普及,我国开始大力发展智能制造技术,特别是航空航天制造领域,许多传统工艺装备通过融合智能制造技术进行了升级换代,实现了智能化运输和装配。本文深入探究了如何以S7-1200作为车载控制器,通过选用合适的系统硬件结构和控制算法,设计了一台可全方向移动的起落架运输和安装装置,实现了某型机飞机起落架的快速对接装配,解决了飞机起落架装配空间小、姿态调整难的技术难题。该装置已投入生产使用,行走方便,功能完整,运行安全可靠。