一种可扩展的多升降台协同控制系统

郑灿周1，陈育均1，黄伟业1，刘旭鹏1，郑誉煌2

1 概述

随着社会需求的发展，传统的单升降台工作模式已经不能满足实际工程需要，多升降台协同工作在实际工程应用越来越广泛，特别是在大型表演舞台中，可能需要采取上百台升降台一起协同工作[1]。此时，1个多升降台协同控制系统就显得尤其重要。本文以4个升降台的同步控制为研究对象，通过分析4个升降台行程的同步控制机理，采用多轴同步运动控制技术，实现一套至少包含4个升降台的行程同步控制系统。本系统可以根据实际项目需要扩展，实现更多的升降台同步控制[2，3]。整体设计方案如图1所示。

图1 整体设计方案图

2 系统设计

根据图1，本系统的硬件设计关键有两点，一是升降台的行程测量；二是如何实现多升降台同步控制。

2.1 传感器

本升降台采用4台升降台进行升降，因此需要对4台升降台的高度进行测量。本升降台通过多次比较了多种测量高度的测量仪器，最终决定采取相对值式拉线编码器。相对值式拉线编码器的工作原理在于拉线长度的多少和方向可以通过编码器发送的AB两相脉冲数相应地反映出来，相比起其他测量工具，例如，超声波测距，红外线测距，它受到外界环境的影响较小，较为稳定，精度也是较为准确。

为了获得实际升降台行程，需要对测到的脉冲数进行量纲变换。根据升降台在降到最低位置hmin上对应的脉冲数数值是xmin，升降台在升到最高位置hmax上对应的脉冲数数值xmax，升降台实际升降行程h与实时测到脉冲数x满足公式(1)和(2)

(1)

(2)

值得注意的是，可以通过拉线编码器的精度可以很高，但是实际上要具体针对升降台所能移动的精度进行适当地取值，因为本升降台系统有移动到指定高度功能，但由于有些升降台不一定能够执行上升1 mm或者更低的高度。因此适当地取舍可以让升降台在工作的过程中，执行得更加流畅。

2.2 通信网络

本项目中采用三菱FX3U系列PLC，由于FX3U只能支持2个两相两计高速计数器，因此每台FX3U最多能接入2个相对值式拉线编码器，因此每台PLC最多能控制2个升降台。若要控制4台升降台同步控制，则需要把2台PLC组成1:1网络，其中1台作为主站，另1台作为从站。同理，若要控制N个升降台(N为偶数)，则需要0.5N台PLC组成1:(0.5N-1)网络。

以本系统采取的1：1网络为例。本系统需要设置主站和从站，采取辅助寄存器M8000在PLC通电后长闭，然后在主站和从站程序中通过分别连接输出辅助寄存器M8070和M8071(如图2和图3)，让其在PLC工作过程中长期得电，即可设置2台PLC的主站和从站关系。当然要实现对模拟量的测量，还需要两台PLC都通过辅助寄存器M8000令计数器C251和计数器C253长时间地得电(如图4)，这样编码器发送的脉冲数才能输送到计数器里面。这样我们便实现了对编码器脉冲数的采集，最后，需要把采集到的脉冲数输送到2台PLC的共享数据寄存器中，这样，从站获取的脉冲数便可如实地传送到主站中去。主站通过对共享数据寄存器的读取，就可以得到从站连接的第三四台升降台的实时高度，实现对第三和第四台升降台的实时监控。

2.3 触摸屏

本系统通过采取PLC和触摸屏通信，把对4台升降台监控的高度实时地反映在触摸屏地界面上。触摸屏还可以该系统进行实时控制，真正意义上地实现人机交互。在升降台系统工作的过程中，触摸屏通过RS232串口线和PLC进行通讯，触摸屏通过调用相关的寄存器，触摸屏便可以实时地得到PLC各个寄存器的状态，也可以得到PLC通过量纲变换计算出来的高度值，这样各升降台的高度便可以如实反馈给人们。当然人们也可以通过触摸屏对相应的数据寄存器进行赋值，然后传送给PLC(如图5)。

图2 主站控制

图3 从站控制

图4 从站发送测量脉冲到主站

图5 触摸屏界面

3 实验验证

多台升降台的系统工作是在单台升降台工作衍生出来的，也是本多升降台系统一大特色。多台升降台的系统工作的原理在于，通过前面四台升降台反馈的高度，进行自身监控，自身控制，使得四台升降台能保持在同一高度上，进行协同上升和协同下降，当然也可以让四台升降台上升至指定的高度，复位(触摸屏控制界面如图6)等。通过整个系统的协同控制，使得在升降台的功能更加人性化。在协同工作的过程中，输出到计数器上可以得到上升的增量，在把当前高度和增量相加，可以得到要上升的位置高度。再把得到的位置高度跟4台升降台当前高度进行比较，可以让升降台上升到该位置。在此，本升降台系统设定了高度限制，在到达最高点后不再继续上升，这对升降台起到了一个保护作用。协同下降同理。除此之外，因为协同上升和协同下降都是点动操作，所以本系统也设置松手后延时一段时间会对相应的计数器和相关寄存器清零，以便下一次的操作。

当然，本多升降台协同控制系统虽然只用4台升降台，但是只要PLC的数量足够，本系统可以把升降台的个数拓展到10几台甚至上百台，从而解决了多升降台的协同工作和扩展问题。

图6 触摸屏控制界面