舞台机械设备PLC的编组同步控制技术探究

舞台机械设备 PLC的编组同步控制技术探究

葛聪聪

浙江安达系统工程有限公司 浙江杭州 310030

【摘 要】 通过Profibus-DP总线通信，采用PLC同步编组方式，实现编组同步控制。详细阐述编组同步控制原理和系统性能，并进行仿真验证，提出合理化使用依据和使用范围。

【关键词】 舞台机械；PLC；编组同步控制；DP网络；控制原理；性能分析；仿真验证

引言

控制装置的正常工作与PLC技术息息相关，灵活应用PLC技术对于控制装置的研究与运行具有决定性意义。因此，有必要根据PLC技术的措施和分类，说明其在工业生产中的作用，分析PLC技术常见应用场景。

编组同步控制的设备同时启动，调节从机跟随主机速度运行相同的距离，不允许设备间产生较大的偏差。这种同步控制方式下，编组设备之间的位置保持相同或保持固定偏差，同步设定灵活，可以按要求设置同步组合，也可以根据运行状态解除同步状态，恢复单体运行。由于使用方式方便稳定，广泛应用在剧院设备的装台、表演中。

一、编组同步控制原理

将需要同步编组中实际运行稳定的设备、或是最能反映编组特性的设备设置为主机，其余设备设置为从机。每个从机和主机构成一个绑定同步对，主机和从机同时接受系统命令、同步运行，实现整个同步设备组作为一个设备运行的目的。一主一从情况下，绑定同步控制原理如图1所示。图1中，Vms和Vss是系统给定的速度，Vs为调整后从机变频器设定的速度。主机当前位置、从机当前位置和初始偏差Einit进行比较，运算得到系统偏差Pe，再通过PID调节器，对从机速度进行调节，使从机跟随主机实现位置同步。从系统安全角度来讲，当任一绑定对的Pe≥Emax 时，整个同步设备组的设备都停机并报警，保护同步设备安全。每个编组同步对可以分别设置其初始同步偏差Einit、最大允许偏差Emax和同步标志，系统根据同步标志耦合绑定或是解除绑定。

对主机变频器而言，是自动运行在速度模式；对从机变频器而言，也运行在速度模式下，从机变频器的目标速度Vs由PLC同步纠偏算法获取。显然，对从机变频器来说，同步纠偏带有速度前馈的位置闭环。PLC内的同步纠偏算法：

(1)

其中，e(t)为跟踪误差，即位置偏差Pe；Vss是同步纠错控制器的速度前馈；PID控制器比例增益为Kp，积分时间为Ti，微分时间为Td。一般情况下，无需使用微分环节，积分环节根据控制需求进行合理选择。

二、 PLC 技术分类

PLC 技术的应用是对传统控制方式的革新，在电气装置控 制领域表现出更强的性能、控制力与竞争力。将 PLC 技术与钻机机械电气控制装置等设施相结合，充分体现 PLC 技术的优 势。目前，常见的 PLC 技术包括 FCS（现场总线控制系统）和DCS（分散控制系统）两种类型。2.1 FCS该系统本质上属于总线控制类型，是机械电气装置控制自 动化与规范化的重要保证，在实际应用中表现出极高的使用价 值。在 FCS 内置结构中包括数量众多的总线以及网路节点。将FCS应用在机械电气设备的内部结构中，可以显著提升数据的准确性以及传输效率，对于提升生产过程执行效率大有裨益。网络通信在电气控制装置体系中的作用非常关键，利用FCS能够实现更高质量的网络服务以及电气装置在一定范围内的革新。当前正在推进电气控制装置的智能化，合理利用FCS对提升电气装置技术含量作用较大，方便工作人员以智能化方式控制管理钻机机械设施，有效推动全行业发展。2.2DCS在DCS中充分体现集散控制思想，与FCS往往共同结合使用，也是PLC技术在电气控制装置中的典型应用。相比于FCS，DCS在管理方式层面相对灵活，其工作原理充分体现分散与集中相结合的控制方式。使用DCS的过程中，首先要分离装置中的异常因素或危险因素并重点布控，通过实时监控确定装置的稳定。DCS的应用效果还体现在保证机械电气装置控制状态层面。通过合理控制机械电气装置工作状态，使电气控制装置一直保持在高效稳定的工作状态。DCS本身还承担接收其他设施检测数据的任务，监测站点在成功监测数据上报并传输数据，最终由DCS接收。DCS本身内置强大的数据分析功能，在接受大量监测设备实时上传数据的基础上对信息进行管理并应用，从而提升电气控制装置的工作稳定性。在电气控制装置工作中难免会发生故障，结合DCS实现故障位置的分类，通过对故障位置的设定或调整，达到资源配置最大化效果。3PLC技术设计在钻机机械电气控制装置中应用PLC技术时，首先要设计完整的技术方案，为深入应用PLC技术奠定技术。在应用设计方案前需要对其进行细致研究与验证，保障技术设计方案能够达到理想应用效果，充分发挥PLC技术的现有价值。具体来讲，主要包括确定技术类型、分析原理、设计控制系统和设计通信网络等环节。

3. 仿真验证

（1）主机作为所有从机的主轴，主机变频器控制独立运行，使得绑定同步控制中的设备具有统一的运动参考系。对于从机来说，

PLC同步纠偏实际是采用带前馈的位置闭环控制，根据主从机的位置偏差修正，从变频器速度闭环控制设置速度。（2）变频器需要对目标速度进行加速度约束，可用一阶惯性环 来近似等效；变频器速度响应是非常快的，速度响应滞后很小，相对于 可以忽略不计；对于PLC来说，变频器速度响应精度误差可以忽略不计，因此，可以认为变频器速度的积分 就是输出的位置。（3）理想状态下，当主从设备完全一致时，速度跟踪是一致的，因此，位置是同步的。由于受到机械安装差异及负载变换等因素的影响，导致变频器主/从机速度出现扰动，影响位置同步性能。根据以上假设和结论，对同步纠偏控制方式进行仿真验证，如图4所示。其中，一阶惯性时间常数T=0.1；主机扰动均值、方差分别为-0.005和0.001的高斯扰动，从机扰动均值、方差分别为0.005和0.001的高斯扰动；由第3节可知，PLC周期设置为10 ms是合理的，故仿真周期为10 ms。

结论

本文提出一种同步纠偏控制方法，通过理论推导，对系统性能（网络通讯时间，系统响应时间等）以及编组同步控制精度进行定性和定量研究。最后，通过仿真验证了本设计方案的可靠性，提出合理化使用依据和使用范围。从本文分析可以看出，总线网络速度越快，PLC运行响应时间越短，实际控制效果越好。在实际使用过程中，比例增益Kp一般取1～10之间，为避免网络延时较大时造成振荡，Kp尽可能小一些。当比例控制不能很好地满足系统稳定性和和同步精度时，采用PI控制，通过调节积分增益，提高同步精度。在实际舞台机械设备同步控制过程中，采用1.5 M的总线通信速率。为稳妥起见，在编组同步方式下，采取分段控制策略。主从机位置偏差2 cm范围内，只跟随监视，不调节；在2 cm～5 cm范围内，进行调节；超过5 cm，则报警停机。在实际运行过程中，达到了理想控制效果。

参考文献：

1. 刘基顺,田广军,高恒伦. 多功能厅舞台控制系统中PLC软硬件的设计应用[J]. 演艺设备与科技,2008(1).

[2] SIEMENS. STEP7 V5.5 系统手册[M]. 西门子自动化与驱动集团,2007.[3] SIEMENS. STEP7 V5.4 编程手册[M]. 西门子自动化与驱动集团,2005