王曉飛

（洛陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院 信息技術(shù)與城建學(xué)院，洛陽 471000）

0 引言

PLC控制芯片是應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域的重要產(chǎn)品，其能夠?qū)崿F(xiàn)目標(biāo)的位移控制、加減速控制等眾多指標(biāo)的控制。發(fā)電機(jī)、離心壓縮機(jī)、汽輪機(jī)等機(jī)械設(shè)備是目前常用的旋轉(zhuǎn)機(jī)械。目前，旋轉(zhuǎn)機(jī)械已成為工程領(lǐng)域中必不可少的設(shè)備之一[1]。

伴隨著工業(yè)行業(yè)自動化水平的不斷提升，眾多領(lǐng)域的研究學(xué)者對旋轉(zhuǎn)機(jī)械展開深入研究。旋轉(zhuǎn)機(jī)械利用增速減速用齒輪作為傳動裝置，旋轉(zhuǎn)機(jī)械的設(shè)備間存在緊密聯(lián)系。

旋轉(zhuǎn)機(jī)械電動振動臺是控制旋轉(zhuǎn)機(jī)械穩(wěn)定運(yùn)行的重要設(shè)備，高效控制旋轉(zhuǎn)機(jī)械電動振動臺可保障旋轉(zhuǎn)設(shè)備良好運(yùn)行，對于保障建筑等領(lǐng)域的生產(chǎn)安全、提升設(shè)備安全水平來說具有重要作用。

旋轉(zhuǎn)機(jī)械電動振動臺是激振型設(shè)備，通過電動振動臺獲取機(jī)械產(chǎn)品零部件的構(gòu)架強(qiáng)度以及運(yùn)行狀態(tài)的相關(guān)信息。旋轉(zhuǎn)機(jī)械電動振動臺具有較寬的工作頻段，具有容易控制的優(yōu)勢。電動式是電動振動臺的主要驅(qū)動方式，電動振動臺利用線圈帶動臺面實現(xiàn)振動工作。

目前，針對PLC控制器的研究較多，如基于隔振加動力吸振方法的振動控制器[2]和基于變頻控制器的高頻搖振控制器[3]等。本文在傳統(tǒng)研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一種新的旋轉(zhuǎn)機(jī)械電動振動臺的PLC自動控制器，實現(xiàn)對旋轉(zhuǎn)機(jī)械電動振動臺的高效控制。

1 PLC自動控制器設(shè)計

1.1 PLC自動控制器總體設(shè)計

充分考慮應(yīng)用于工程中的旋轉(zhuǎn)機(jī)械電動振動臺控制需求，選取PLC控制芯片作為控制核心，設(shè)計適用于工程中的PLC自動控制器總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 PLC自動控制器

PLC自動控制器包括通訊模塊、顯示模塊、上位機(jī)、報警模塊、控制模塊等模塊。利用電源模塊為控制器提供電能，電源模塊中將電流濾波器串聯(lián)至電源變壓器中，提升控制器的抗干擾能力。控制器利用PLC控制模塊實現(xiàn)應(yīng)用于工程中的旋轉(zhuǎn)機(jī)械電動振動臺的精準(zhǔn)控制。

PLC控制器利用上位機(jī)控制LED顯示模塊顯示旋轉(zhuǎn)機(jī)械電動振動臺各項運(yùn)行參數(shù)以及振動運(yùn)行情況，通過加載單神經(jīng)元PID控制算法實現(xiàn)電動振動臺的控制?？刂破骼脭?shù)據(jù)采集模塊以及數(shù)據(jù)存儲模塊采集以及保存數(shù)據(jù)，通過通訊模塊實現(xiàn)控制器內(nèi)信息的傳輸。此外，本研究在控制器中還設(shè)置了報警模塊，用于提升控制過程的安全性。

1.2 硬件設(shè)計

1.2.1 PLC控制模塊

將PLC控制芯片與計算機(jī)結(jié)合設(shè)計PLC控制器的控制模塊。PLC自動控制器的控制模塊結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 PLC控制模塊

通過上位機(jī)實現(xiàn)電動振動臺的控制。通過上位機(jī)輸入控制器參數(shù)完成控制過程顯示，利用上位機(jī)實現(xiàn)PLC控制程序的修改以及LED顯示界面的控制。PLC自動控制器具有底層控制作用，可控制應(yīng)用于工業(yè)工程中的旋轉(zhuǎn)機(jī)械電動振動臺變頻器輸出頻率控制，通過振動方向的選擇控制自動增益放大器。

選取臺達(dá)DVP12SA211型號的PLC控制芯片作為PLC自動控制器的控制芯片。該控制芯片為晶體管輸出，供電大小為24VDC，包括8個輸入接口以及4個輸出接口，主站與從站通訊接口分別為RS-232以及RS-485[4]。PLC控制芯片利用RS-485總線控制電流的頻率變化。

1.2.2 報警模塊

PLC自動控制器可能存在無法控制振動臺的情況，采用報警模塊對電動振動臺管理人員發(fā)出警報，報警模塊電路圖如圖3所示。

圖3 報警模塊電路圖

圖3中，PLC自動控制器設(shè)置的報警模塊采用蜂鳴器結(jié)構(gòu)一體化設(shè)置，蜂鳴器結(jié)構(gòu)一體化是重要的發(fā)生器。蜂鳴器主要包括無源蜂鳴器以及有源蜂鳴器兩部分，兩種蜂鳴器分別利用方波驅(qū)動以及輸入的低電平驅(qū)動，實現(xiàn)蜂鳴器應(yīng)用于報警模塊中的發(fā)生[5]。選取有源蜂鳴器應(yīng)用于工程中旋轉(zhuǎn)機(jī)械電動振動臺的PLC自控控制器中，作為報警模塊的警報輸出。選取型號為8550的PNP三極管應(yīng)用于報警模塊中。PLC自動控制器復(fù)位過程中，其中包含的全部管腳均輸出高電平，控制器輸出高電平時，利用非門將高電平反向轉(zhuǎn)換至低電平，PNP三極管經(jīng)過轉(zhuǎn)換后呈現(xiàn)飽和狀態(tài)，處于導(dǎo)通狀態(tài)，此時蜂鳴器可以發(fā)生警報聲音。報警模塊中的蜂鳴器的電壓大小為+6V，PNP三極管由于飽和處于導(dǎo)通情況，電壓轉(zhuǎn)換為0.8V，將報警模塊中限流電阻的電壓設(shè)置為5.2V。

1.2.3 時鐘電路

PLC自動控制器的時鐘電路結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

圖4 時鐘電路圖

圖4時鐘電路圖可以看出，時鐘模塊中包含兩個外部晶振作為輸入端和輸出端的反相放大器，構(gòu)成并聯(lián)諧振回路。時鐘模塊中設(shè)置大小為32pF的微調(diào)電容，利用微調(diào)電容令電流接通上電過程中的晶振起振，設(shè)置13MHz作為晶振頻率。

1.3 軟件設(shè)計

1.3.1 PLC控制程序

選取模塊化編程思想進(jìn)行PLC自動控制器的軟件編程。PLC控制程序編程流程圖如圖5所示。

圖5 電動振動臺PLC控制流程

圖5中，PLC控制程序包含多個子程序模塊，各子程序模塊利用主程序組合與調(diào)用。

1.3.2 單神經(jīng)元PID控制算法

本研究選取單神經(jīng)元PID控制算法作為PLC自動控制器的控制策略。PLC自動控制器輸出誤差需為最小，通過單神經(jīng)元修正PID控制算法的輸出誤差，提升PLC自動控制器對環(huán)境變化的適應(yīng)性能。PLC自動控制器的輸出誤差表達(dá)式如下：

式(1)中，ym與y分別表示理想輸出與實際輸出。

采用單神經(jīng)元修正控制器輸出誤差的輸出表達(dá)式如下：

式(2)中，u（k）與u（k-1）分別表示k與k-1的輸出信號，K表示控制參數(shù)，wi表示加權(quán)系數(shù)，xi表示單神經(jīng)元學(xué)習(xí)PID控制算法的三個參量。

三個參量表達(dá)式分別如下：

式(3)～式(5)中，r（k）與y（k）分別表示控制器給定參數(shù)以及控制器的實際輸出。

以上分析可知，單神經(jīng)元控制方法與PID控制方法存在較高的相似性。結(jié)合單神經(jīng)元控制方法與PID控制方法，建立PLC自動控制器控制的目標(biāo)函數(shù)如下：

引入加權(quán)系數(shù)wi，令wi沿著所建立的PLC自動控制器目標(biāo)函數(shù)搜索wi的負(fù)梯度方向，搜索結(jié)果表達(dá)式如下：

式(7)中，vi表示PID控制算法中的參數(shù)P、I、D的學(xué)習(xí)速度。

規(guī)范化處理以上公式，可得應(yīng)用于PLC自動控制器中的單神經(jīng)元PID控制算法表達(dá)式如下：

通過以上過程完成控制器的控制。

2 實例分析

為驗證本文設(shè)計的有效性，將所設(shè)計的PID控制器應(yīng)用于某施工中的建筑工程項目中的SR155-C10型旋轉(zhuǎn)鉆機(jī)電動振動臺中。

SR155-C10型旋轉(zhuǎn)鉆機(jī)是應(yīng)用于土木工程建筑工地中的重要設(shè)備，是建筑工地中打樁設(shè)備，鉆孔直徑為1500mm。該設(shè)備具有較高的靈活性，具有整機(jī)尺寸小的特點(diǎn)，且其運(yùn)輸便利、可靠性高。選取昆山海達(dá)精密儀器有限公司的HD-G826電動振動臺作為測試PLC自動控制器控制性能的儀器。該電動振動臺最大負(fù)載可高達(dá)1000kg，主動機(jī)功率為4kW～56kW，頻率范圍為5Hz～4000Hz。

通過自閉環(huán)實驗驗證所設(shè)計PLC自動控制器的控制性能。設(shè)置掃頻測試的頻率點(diǎn)為10Hz，所設(shè)計控制器濾波前后的時域波形對比結(jié)果如圖6所示。

圖6 濾波前后時域波形

分析圖6實驗結(jié)果可以看出，采用本文方法設(shè)計的PLC自動控制器可有效降低電動振動臺的信號噪聲，提升電動振動臺運(yùn)行過程中的信噪比。圖6實驗結(jié)果驗證所設(shè)計PLC自動控制器具有較高的控制性能，可滿足振動控制對濾波精度的需求，還可以有效改善振動信號的信噪比。這是因為本文方法對電動振動臺信號進(jìn)行濾波，可以獲取更加準(zhǔn)確的信號，提升控制器的控制精度。未濾波前獲取的電動振動臺時域信號未出現(xiàn)正弦特征，采用所設(shè)計的PLC自動控制器濾波后，電動振動臺輸出的時域信號具有典型的正弦特征。所設(shè)計PLC自動控制器具有較高的抗干擾能力，該控制器將電流濾波器串聯(lián)至電源變壓器中，避免高頻噪聲對輸出信號干擾，提升了控制器的抗干擾水平。

統(tǒng)計本文方法設(shè)計的PLC自動控制器在掃頻測試的不同頻率點(diǎn)大小時，對電動振動臺振動信號的改善情況。將本文方法與文獻(xiàn)[2]方法以及文獻(xiàn)[3]方法設(shè)計的控制器對比，對比結(jié)果如表1所示。

表1 降噪值對比

表1實驗結(jié)果可以看出，采用本文方法設(shè)計的PLC自動控制器在濾波前后可將信噪比顯著提升；而采用另兩種方法設(shè)計的控制器在濾波前后對于輸出結(jié)果信噪比提升幅度明顯低于本文方法。對比結(jié)果證明了本文方法設(shè)計的PLC自動控制器具有較高的抑制噪聲的能力，可以提升電動振動臺振動幅值的控制精度。本文方法可以顯著提升電動振動臺運(yùn)行過程中的信噪比，避免電動振動臺運(yùn)行過程中受到噪聲影響，可滿足振動控制的濾波性能。

設(shè)置線性掃頻作為掃頻模式，掃頻時間間隔以及頻率分別為2S以及1Hz/s，。采用本文方法設(shè)計的PID自動控制器控制電動振動臺輸出的加速度結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)加速度結(jié)果如圖7所示。

圖7 加速度控制結(jié)果

圖7實驗結(jié)果可以看出，采用本文方法設(shè)計的PLC自動控制器控制電動振動臺輸出的加速度結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)加速度結(jié)果相差較小，證明本文方法所設(shè)計的PLC自動控制器的控制效果較好。

統(tǒng)計本文方法設(shè)計的PLC自動控制器輸出的加速度誤差，將本文方法與文獻(xiàn)[2]方法以及文獻(xiàn)[3]方法對比，對比結(jié)果如圖8所示。

圖8 加速度誤差對比

圖8實驗結(jié)果可以看出，相比于另兩種方法，本文方法設(shè)計的PLC自動控制器具有性能穩(wěn)定的特點(diǎn)，加速度誤差低于3%；另兩種方法設(shè)計的控制器控制電動振動臺的加速度誤差均高于4%，對比結(jié)果有效驗證本文方法設(shè)計的PLC自動控制器具有極高的控制性能。本文方法設(shè)計的PLC自動控制器加速度誤差遠(yuǎn)低于GB/T13310-2007規(guī)定的低于10%的要求。

統(tǒng)計本文方法所設(shè)計的PLC自動控制器在不同振動測試情況下的控制器平均啟動時間，并將統(tǒng)計結(jié)果與另兩種方法對比，對比結(jié)果如圖9所示。

圖9 控制器平均啟動時間對比

分析圖9所示的對比結(jié)果可以看出，本文方法設(shè)計的PLC自動控制器的平均啟動時間低于1s；而另兩種方法設(shè)計的PLC自動控制器啟動時間均高于4s。對比結(jié)果驗證本文方法可在短時間內(nèi)快速實現(xiàn)自動控制器的啟動，控制性能優(yōu)越。本文方法設(shè)計的PLC自動控制器采用模塊化編程思想實現(xiàn)PLC控制程序的編程，控制器運(yùn)行過程中可以直接調(diào)用子程序，提升了所設(shè)計自動控制器的運(yùn)行效率，令控制器啟動時間大量縮短。

3 結(jié)語

本研究設(shè)計了一種建筑工程旋轉(zhuǎn)機(jī)械電動振動臺的PLC自動控制器，其具有較高的可靠性，能夠滿足電動振動臺對于建筑用旋轉(zhuǎn)機(jī)械應(yīng)用的可靠性需求。所設(shè)計PLC自動控制器不僅可應(yīng)用于建筑工程中的旋轉(zhuǎn)機(jī)械中，對于其它領(lǐng)域的旋轉(zhuǎn)機(jī)械同樣具有較高的應(yīng)用性能，具有較高的使用價值以及推廣價值。