武文凱，李明輝，鞏強令

(陜西科技大學機電工程學院，陜西西安 710021)

0 引言

液力變矩器是一種傳輸動力元件[1]，主要運用在汽車行業(yè)或工程機械的動力系統(tǒng)中，而泵輪作為液力變矩器的主要組成之一，其生產(chǎn)質量尤為重要[2]，在出廠前必須要進行檢測。

目前，有一些生產(chǎn)企業(yè)對于泵輪總成還在使用傳統(tǒng)的手工方式進行測量，該方式工作效率較低，人為操作也可能帶來誤差。為提高泵輪檢測的效率以及改善人為因素造成誤差的影響，本文利用 S7-1200 PLC和 LabVIEW虛擬軟件相結合設計了泵輪幾何參數(shù)檢測的控制系統(tǒng)。

1 控制系統(tǒng)總體方案設計

1.1 工藝要求

該自動檢測設備的檢測對象為液力變矩器中泵輪總成的幾何參數(shù)，包括泵輪內徑、外徑、高度、高點、垂直度、圓度和同軸度。泵輪總成由內環(huán)、葉片、泵輪外殼及軸套組成，即軸套與泵輪組件經(jīng)裝配而成[3]。

泵輪經(jīng)自動傳輸線體送至測量工位；泵輪軸朝上放置，以檢測機構不動、工件旋轉的方式進行測量，測量系統(tǒng)由升降氣缸動力機構提供升降動作以及伺服系統(tǒng)旋轉工件，通過多組測量機構完成測量；由數(shù)據(jù)采集卡將測量傳感器檢測的測量數(shù)據(jù)傳送到 LabVIEW進行數(shù)據(jù)分析以及數(shù)據(jù)處理，判定其測量結果，并將測量結果傳送到 PLC實現(xiàn)其位置控制，最終根據(jù)測量結果，將泵輪從不同的通道傳出。

1.2 系統(tǒng)的總體方案設計

根據(jù)泵輪檢測設備的工藝要求的分析，系統(tǒng)的總體設計分為硬件和軟件部分，硬件部分主要用來搭建檢測系統(tǒng)和計算機系統(tǒng)，軟件部分主要實現(xiàn)設備的自動運行和信號的控制與處理。其控制系統(tǒng)采用 S7-1200 PLC高速脈沖輸出以及高精度交流伺服系統(tǒng)來實現(xiàn)，S7-1200 PLC為系統(tǒng)的控制核心。采用裝有 LabVIEW軟件的工控機作為上位機對測量傳感器檢測的數(shù)據(jù)進行采集和處理，以可編程邏輯控制器(PLC)作為下位機，通過 LabVIEW軟件設計人機交互界面來實現(xiàn)對 PLC的控制，伺服系統(tǒng)通過 PLC位控單元數(shù)字脈沖串實現(xiàn)位置閉環(huán)控制，從而實現(xiàn)檢測設備的控制。

控制系統(tǒng)的工作原理：采用多組測量傳感器對工件進行檢測，加入信號調理設備是對輸入的信號進行放大、濾波、隔離等處理，使數(shù)據(jù)采集設備更加精準地測量；通過數(shù)據(jù)采集卡將測量傳感器所檢測的模擬電信號轉換為數(shù)字信號，并傳輸?shù)窖b有 LabVIEW軟件的計算機上，經(jīng)上位機虛擬儀器 LabVIEW將采集的信號進行處理與分析，然后經(jīng)過數(shù)據(jù)采集卡的數(shù)字端口將處理與分析后的信號輸出到下位機 PLC控制器，以 PLC脈沖輸出實現(xiàn)伺服系統(tǒng)的位置閉環(huán)控制，同時通過電磁閥實現(xiàn)對升降氣缸機構的控制，完成工件的升降動作。控制系統(tǒng)總體設計框圖如圖 1所示。

圖1 控制系統(tǒng)的總體設計框圖

2 控制系統(tǒng)的硬件設計

2.1 測量傳感器

檢測機構采用間接測量的方法，測量時測量傳感器不直接接觸工件測量表面，而是安裝在高精度專用測量支架上，通過支架的側頭采集數(shù)據(jù)。整個側頭機構不動，工件由升降氣缸動力機構提供升降動作，旋轉采用伺服系統(tǒng)來完成。

測量傳感器采用LVDT位移傳感器 DP/S系列，標準 DP系列彈簧推動探頭已成為測量業(yè)內應用的工具，如圖2所示，具有高的分辨率、良好的線性和高速數(shù)據(jù)傳輸率等特點，其測頭采用紅寶石材料，對檢測數(shù)據(jù)能夠保證高精度、高穩(wěn)定性和高可靠性。

圖2 標準DP系列彈簧推動探頭

2.2 數(shù)據(jù)采集卡

數(shù)據(jù)采集卡的主要作用是將外部的模擬信號轉化為計算機能夠處理的數(shù)字信號。本系統(tǒng)采用基于PCI總線M系列的低價位數(shù)據(jù)采集卡PCI-6221，該采集卡具有16路模擬輸入和2路模擬輸出，24路數(shù)字I/O輸出，分辨率為16位，其采樣速率為250 kS/s，更新速率達到833 kS/s。

2.3 控制器PLC及伺服電機選型

檢測設備的控制系統(tǒng)以S7-1200 PLC為主控制器，S7-1200控制器使用靈活，功能強大，具有模塊化、結構緊湊以及組態(tài)靈活的特點，可適用于多種場合[4]。

本文選用S7-1200系列的 CPU 1215C，其自帶數(shù)字量輸入14點，輸出10點；模擬量輸入2點，輸出2點；板載6個高速計數(shù)器和4個脈沖數(shù)出；可擴展3個用于串行通信的通信模塊和8個用于I/O擴展的信號模塊，S7-1200集成2個PROFINET接口，可用于編程、HMI(人機界面)、PLC或其他設備的數(shù)據(jù)通訊，此外還可以通過開放的以太網(wǎng)協(xié)議支持與第三方設備的通訊[5]。

執(zhí)行機構伺服系統(tǒng)選擇SIMOTICS 1FL6(HI)，與之匹配的伺服驅動器選擇SINAMICSV90。PLC系統(tǒng)的I/O地址分配見表1。

表1 PLC系統(tǒng)的I/O地址分配表

3 控制系統(tǒng)的軟件設計

控制系統(tǒng)的軟件部分設計分為上位機的LabVIEW程序設計以及下位機S7-1200 PLC的程序設計。

3.1 PLC程序設計

本次設計主要采用 S7-1200 PLC作為下位機，利用S7-1200 PLC的高速脈沖輸出來進行控制，在TIA Portal V14編程環(huán)境下進行硬件組態(tài)以及程序編寫。

程序開始運行時，PLC首先進行初始化程序，然后進行自動與手動狀態(tài)的選擇。若進行自動模式，則先對工件是否到位進行檢測。工件到位后，PLC將會給伺服驅動器和電磁閥發(fā)送脈沖信號，使得伺服旋轉定位系統(tǒng)與升降氣缸機構同時動作。到達上限位置時檢測機構開始執(zhí)行檢測動作，并將檢測數(shù)據(jù)傳送到上位機LabVIEW進行數(shù)據(jù)分析處理。數(shù)據(jù)采集完后歸位并根據(jù)測量結果使其輸送到不同的通道。 PLC程序流程圖如圖 3所示。

圖3 PLC控制流程圖

對于運動控制的程序設計分2部分：工藝對象的配置和程序的編寫。根據(jù)實現(xiàn)伺服系統(tǒng)運動控制的要求以及硬件 I/O分配，在TIA軟件中對工藝對象運動軸進行設置。設置其控制方式為脈沖輸出 PTO控制驅動器，通過發(fā)送占空比為 50%的脈沖串給伺服驅動器來控制伺服電機的轉速。 CPU 1215C可以支持4路脈沖串輸出(Pulse1～Pulse4)，每路脈沖信號支持4種 PTO方式，分別是： PTO(Pulse A and direction B，脈沖 A和方向 B)； PTO(Count up A and count down B，加計數(shù) A和減計數(shù)B)； PTO(A/B phase-shifted，A/B相移)； PTO(A/B phase-shifted-fourfold，A/B相移—四倍頻)。其信號類型選擇 PTO(Pulse A and direction B，脈沖 A和方向 B)，一路(A)產(chǎn)生高速脈沖輸出 Q0.0，另一路(B)控制伺服電機的運動方向 Q0.1。此外也要對其位置限制以及回原點的參數(shù)設置。需要啟動硬限位開關 I0.4和 I0.5，分別對應該運動軸的上下極限位置，并且均為高電平觸發(fā)。主動回原點定義為 I0.6，并設置負方向為逼近原點的方向[6]。

運動控制的程序按照控制系統(tǒng)的要求，不同的運動步驟需要選取不同的 Motion Control模塊，其中主動尋回原點選取 MC_Home模塊，伺服電機暫停選取 MC_Halt模塊，移位選取 MC_MoveRelative模塊，原點歸位選取 MC_MoveAbsolute模塊，程序模塊均在 TIA博途 V14中進行編寫。

3.2 LabVIEW程序設計

上位機的軟件設計是在LabVIEW2018環(huán)境下進行設計，是一種圖形化的程序設計。虛擬儀器(VI)應用程序主要包括3部分的設計[7-8]：前面板和流程圖以及圖標 /連結器。前面板(front panel)相當于真實物理儀器的操作面板，由具備各種輸入、輸出功能的控件組成，實現(xiàn)用戶與程序的交互；流程圖(block diagram)相當于儀器的電路結構，以數(shù)據(jù)流的方式實現(xiàn)對采集數(shù)據(jù)的處理，是使用 G語言編寫的程序源代碼；接口板(connector)相當于儀器中的某個集成電路，是對子程序(Sub VIs)的調用形式，實現(xiàn)參數(shù)的定義和傳遞的功能，是 Vl程序的可選部分。

前面板是用來實現(xiàn)人機交互的操作面板，其中包含各種輸入及輸出的控件[9]。運行后的主界面如圖 4所示，可以進行手動自動的模式選擇、系統(tǒng)的參數(shù)設置以及系統(tǒng)狀態(tài)顯示。

圖4 工控機運行主界面

上位機的控制程序都是在VI程序框圖中完成，程序框圖是G語言進行編程，內部提供了很多內置函數(shù)、常量以及程序執(zhí)行控制結構等，根據(jù)需要調用函數(shù)及控件，用連線將其合理連接起來，最終實現(xiàn)控制[10-11]。

測量系統(tǒng)的程序設計包含數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)存儲以及數(shù)據(jù)處理模塊設計。數(shù)據(jù)采集程序框圖如圖 5所示。

圖5 數(shù)據(jù)采集程序框圖

4 實驗結果

自動檢測的數(shù)據(jù)結果顯示如圖 6所示，通過實驗數(shù)據(jù)可以看出，檢測的準確率高達 95%以上，相比人工檢測提高將近15%，其檢測的效率也明顯得到提高，檢測系統(tǒng)穩(wěn)定，實驗證明該系統(tǒng)具有一定的可行性。

(a)

(b)圖6 實驗數(shù)據(jù)

5 結論

本文根據(jù)液力變矩器的發(fā)展現(xiàn)狀以及其組成部件泵輪的檢測需求，設計了基于 S7-1200 PLC與 LabVIEW的泵輪幾何參數(shù)測量控制系統(tǒng)，提出了總體方案、硬件和軟件的設計。該檢測控制系統(tǒng)實現(xiàn)了自動化測量、數(shù)據(jù)的采集和處理分析。根據(jù)測試數(shù)據(jù)能夠自行計算并判別，將不同判定結果的工件運送到指定位置，滿足工業(yè)的生產(chǎn)需求，有效提高了工作效率。