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    浅谈西门子PLC在电气控制中的应用分析——以立体仓库的数字孪生系统应用为例

      信息来源:   发布时间:2021-11-08  点击数:

    伴随着我国工业现代化的发展,工业领域的生产控制模式已经悄然改变,尤其是在信息时代到来以后,机械生产的快速发展使得在控制领域越来越多地依赖于电气自动化控制。电气自动化控制系统实现了机械运动与信号处理的有效结合,实现了生产领域更精准的控制。在很多领域,立体仓库数字孪生系统的建设给各种操作实践提供了平台支持,但这一系统中的西门子PLC控制必不可少,特殊的控制技术,给系统可靠运转提供了技术支持。

    1 应用实例

    1.1 系统概述

    数字孪生仿真系统中,具体包含了仿真模型、训练PLC、仿真驱动器等三大功能体系,这一系统的特殊构成使得系统几乎兼具了自动化实训设备的全部功能,当学校受到场地、资金等条件限制难以人手一套自动化实训设备时,数字孪生仿真系统,在每个学生的计算机中安装了一套仿真模型,学生可以直接通过西门子PLC或者自动化控制系统完成接线、编程等实训作业,与实训基本上不存在任何的区别,取得了良好的实训教学成果。

    该3D仿真模型软件的开发方面,以Unity3D开发平台作为基础,整个模型软件的画面清晰、生动逼真、动作流畅,与真实场景几乎不存在任何的区别。Unity虚拟仿真系统在Unity3D虚拟现实引擎中搭建,最终所形成的Untity仿真系统在接口设计下有效保障了PLC数据传输的便捷性与高效性,完全达到了虚拟载体与实物的孪生动作。该Unity虚拟仿真系统建成投入运营以后,用户使用电脑中的Unity3D虚拟仿真载体也就对设备实现了自动化的监控、调节。在中、高职院校的虚拟实训载体、自动化设备PLC通信领域有着广泛的应用。

    1.2 主要功能

    该软件系统兼具以下多种功能:(1)可以实现对上位机的信息化虚拟与仿真,经由演示程序与软件接口的设计与安装,保障了上位机与下位机之间的良好通信与交互。(2)仿真模型中的各个模块都是依据真实比例设计,无论是哪个模块都具有数字孪生功能,运行机构演示动作与功能都与I/O连接控制完全一致,正是这种虚拟仿真与现实的统一,使学生在实训过程中可以有效进行相应的控制模拟与反馈。(3)仿真驱动器履行其数据采集功能,在IO输入端的辅助下,实时获得立体仓库虚拟对象的输出信息,并及时将这些信息传输给上位机仿真模型。

    1.3 控制过程

    该立体仓库的模型结构比较复杂,其中包含多个构成要素,具体为入口输送带、龙门检测机构、可升降滚轮、输送链条、X轴水平移动机构、Y轴伸缩货叉、Z轴升降机构以及A、B、C三个立体仓库。在利用西门子PLC开展控制作业的过程中,重点是要对立体仓库中的堆垛机进行控制。根据西门子PLC系统的组成部分,西门子CPU 1214C DC/DC/DC是核心构成,其中,西门子V90、步进驱动器、西门子变频器G120分别负责对Z轴升降机构伺服驱动器、Y轴伸缩货叉步进电机、X轴水平移动机构电动机的控制。

    在立体仓库堆垛机的运行中,在X轴水平移动机构的运行控制方面,为闭环无极控制模式,为达到精准控制的目的,一系列的控制作业开展是以激光测距仪的反馈距离、西门子变频器与堆垛电机特性作为依据的,在这些前提下,经由电机加速与减速特性曲线的调整来实现控制。在利用西门子变频器G120开展调试作业时,包含以下控制方法:

    (1)结合实际的控制需求与目标,从特定模块中直接调用宏功能,效率更高,也便于西门子变频器G120的功能实现。SINAMICS G120的最初设计阶段,正是为了满足各种接口的使用需求,定义了多种预定义接口宏,不同的宏下对应的接线方式也有所不同,宏与接线方式存在着一一对应的关系。在调试作业中,两个固定转速的控制方面,选用宏程序-双方向两线制的方式,在启停控制中,变频器直接利用两线制控制,数字量输入是电机启停、旋转控制的关键;在速度调节方面,数字量输入选择机制下,可以率先设定两个固定转速,不同的数字量输入固定转速有所不同。

    (2)标准报文1对电机的启停与速度进行控制,在PROFINT PZD通讯方式下,将控制字1(STW1)和主设定值(NSOLL_A)周期性发送给变频器,在此条件下,变频器将状态字1(ZSW1)和实际转速(NIST_A)发送给西门子PLC中,如果发送的是控制字047E(16进制),则表示停车,反之,发送控制字047F(16进制)则代表的是正常启动。但这种控制方式下,速度设定值要经由标准化处理。

    伺服电机是控制立体仓库堆垛机Z轴升降机构的主体,再进一步细分,西门子伺服驱动器V90是控制系统中的核心。在整体设计中,PLC与V90之间的通讯任务达成可以经由多种方式来实现。在V90伺服驱动控制系统中,因为存在PROFINET接口,也就给用户与PLC之间的通信与交互提供了支持,相比而言,这种控制设计和通讯方式下的实现较为简单,完全满足了系统运行和控制中的实时通信要求,无论采用的是外部脉冲位置控制、内部位置控制还是速度、转矩控制等方式,都可以达到较理想的控制效果。

    步进电机是控制堆垛机Y轴伸缩货叉的关键要素,其控制任务是经由步进驱动器来完成的,步进驱动器在执行控制任务的实施中,实现了电脉冲向角位移的转换。随着系统的运行,当步进驱动器接收到脉冲信号的时候,系统中的控制模块就会以给定的脉冲和方向作为基础,旋转固定的角度。在脉冲个数对角位移量进行控制的同时,也就提升了定位精度,当然,经由对脉冲频率的有效控制,也就是实现了对电机转动速度与加速度的精准控制。

    堆垛机的控制主要包含以下流程:(1)在堆垛机接收到相应的信号后,会立即以激光测距仪测量反馈的当下位置信息作为判断依据,在判断的基础上对变频器的输出功率进行适当优化。在X轴移动的同时,一旦其移动到与目标值相近的位置,立即进入减速状态并停止运转,在此运行与控制过程中,依旧位移反馈值将电机的移动速度保持在合理范围内,始终保持堆垛机处于稳定的运转状态。(2)依据目标仓位,在系统运行的同时及时输入X轴运行位置、Y轴伸缩货叉位置、Z轴升降机构运行位置信息,当这些信息输入后,不断与目标位置值进行对比、分析,根据最终的分析结果来辅助控制决策,保障定位精度,提高控制水平。

    2 数字孪生系统在教学中的发展前景和优势

    数字孪生系统是信息时代下的一种新兴技术,在实训教学中,该系统的应用完全可以通过数字孪生建模、数据采集、传输与处理、数据驱动与模型融合,来发挥这一技术的优势。在当前的研究领域,数字孪生系统的使用和研究日渐增多,这一技术有效实现了物理系统向信息空间数字化的映射,在系统中分布有各种类型的传感器,这些传感器在系统运行的同时,实现了物理实体的数据分析与建模,经由一系列的仿真过程,处于物理系统中的各种要素和过程均可以在模型中直观呈现出来,在传感器的信息采集、系统通讯辅助下,数字孪生系统也就实现了多维物理实体数据的集成化,再加上数据分析与仿真模拟的存在,对物理实体的控制将更便捷与高效。

    数字孪生系统下的远程控制和监测得以完成,因此,企业在利用数字孪生系统开展相应工作的过程中,也就可以及时发现问题、处理问题,正是因为数字孪生系统的技术优势,整个系统运行中的能耗大大降低,控制效率和水平有所提升,符合现代化的发展趋势。此外,一些企业使用了数字孪生系统后,有效实现了对设计产品质量的检验,因为数字孪生技术可以实现对生产线与生产设备运行状态的全周期模拟,虚拟设计与虚拟运行下,设计产品的质量更有所保障,这种虚拟过程,有效地实现了对预期行为与设计行为偏差的控制,对提高设计水平、控制设计成本具有重要的意义。

    与常规教学模式相比,虚拟仿真教学系统突破了教学硬件条件的限制,完全可以满足自动化实训设备的全部功能,学生经由PLC与自动控制系统开展接线与编程训练,不仅可以开发相应的教学资源,取得良好的教学效果,还在一定程度上节约了教学成本。

    3 结语

    现阶段,在经济社会发展中,西门子PLC得到了越来越广泛的应用,在这些领域有效发挥了西门子PLC的技术优势,推进了电子控制自动化、智能化目标的快速实现,对行业转型发展的意义重大。但西门子PLC应用尚存在一些发展难题,在未来要注重技术创新,提升发展成果。

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