沉积模拟实验平台控制系统的PLC控制方法及架构

本发明涉及plc的控制方法和系统架构，具体是沉积模拟实验平台控制系统的plc控制方法及架构。

背景技术：

1、沉积模拟实验平台是用于探讨沉积学理论及应用的实验装备。在沉积模拟实验过程中，研究人员能通过构建不同的沉积模型，模拟自然界的各种沉积现象，研究沉积过程响应特性及其机制，从而有效推动沉积学的理论发展。同时通过构建滑坡地形、感测沉积物发育演化的过程，能有效的预防山体滑坡、泥石流等地质灾害，具有很好的现实应用。

2、目前的沉积模拟实验构造地形大都是基于活动底板，为了保证实验结果的准确性与可靠性，沉积模拟实验必须遵循几何相似、运动相似、动力相似的相似理论，这要求活动底板的控制系统要具有极高的准确性与及时性。

3、沉积模拟实验平台控制系统在设计过程中，需要根据机械装置的特性和实验环境条件完成对电机、驱动器和控制器的选型，并为提高活动底板控制系统的稳定性和抗干扰性，分析研究多电机同步控制策略及算法，同时需要设计界面简洁、功能丰富的远程监控软件来给用户使用。

4、沉积模拟实验平台的控制设备一般安装在潮湿的地下室，因此电机与线缆要求能够适应地下室的阴冷环境，同时电机需要在低速下能够输出稳定的转矩，且能测量出电机低速下的实时速度。沉积模拟实验平台控制系统要求控制精度高，各定位轴之间同步性好，且具有较好的实时性，能够及时读取各定位轴的速度与位置，并且要安全可靠。传统的沉积模拟实验平台的活动底板的数量较少，需要控制的电机数较少，而且使用的大多数是一些步进电机，控制精度不够，同步协调性较差，不能够在设备运行前进行模拟仿真，安全性不足。并且运行距离较短、沉积物的质量较轻，导致地质构型相对简单，不能够满足越来越复杂的沉积学研究。同时，传统的沉积模拟试验平台用户操作不够简便，操作较为复杂。

技术实现思路

1、本发明提供了一种沉积模拟实验平台控制系统的plc控制方法及架构，以对活动底板进行精确控制，提高实验结果的准确性与可靠性，并且在设备运行前能够进行模拟仿真，提高实验和设备的安全性。

2、本发明沉积模拟实验平台控制系统的plc控制方法，包括：位置校准、上电初始化、系统定位、以及故障检测；

3、步骤包括：

4、位置校准：

5、步骤1：通过plc设置沉积模拟实验平台中所有活动底板的板面姿态呈水平，且所有活动底板的升降设备的机械零点与工艺零点相匹配，使所有活动底板处于同一零点高度；

6、上电初始化：

7、步骤2：每次plc重新上电后，调用上电初始化程序将plc(可编程逻辑控制器)中的数据库数据、计数器和计时器的记录清除，并重置逻辑判断的标志位，然后判断是否有未决的故障，若有，则解决未决故障，若没有，则将所有所述升降设备的定位轴的设定速度设为0，还将所有定位轴的设定位置设置为各定位轴的当前位置，避免plc重启后误操作；

8、系统定位：

9、步骤3：用户通过姿态数据库中保存的模拟姿态图选择对应的实验姿态；

10、步骤4：用户判断数据库中是否存在所需的活动底板实验姿态；若存在，执行步骤6，否则执行步骤5；

11、步骤5：用户通过上位机软件手动设置所有所述定位轴对应的设定位置，以及所有定位轴运行的最大速度；

12、步骤6：通过活动底板实验姿态中各定位轴的设定位置，或用户设定的定位轴的设定位置，结合设置的定位轴运行的最大速度进行mcd仿真(西门子系统下的一种3d模型运动仿真)；

13、步骤7：判断包括步骤1～步骤6的准备工作是否完成，是否允许启动运行沉积模拟实验平台；若是，执行步骤8，否则执行步骤18；

14、步骤8：plc接收上位机发出的各定位轴设定位置以及最大速度的指令；

15、步骤9：plc将设定位置与实际位置差距最大的定位轴的运行速度设置为最大速度，其余各定位轴的运行速度由最大速度乘以设定位置与实际位置之间位置差的比例；

16、步骤10：所有定位轴根据plc的控制信号，以对应的速度运行到对应的设定位置；

17、故障检测：

18、步骤11：当plc检测到停止信号后，判断是否存在硬件故障；若是，则执行步骤12，否则执行步骤13；

19、步骤12：plc向上位机发出硬件报警信号，说明哪根定位轴存在硬件故障，并执行步骤17；

20、步骤13：判断停止原因是否是位置异常；若是，则执行步骤14，否则执行步骤15；

21、步骤14：plc向上位机发出软件报警信号，说明哪根定位轴存在软件故障，并执行步骤17；

22、步骤15：判断停止原因是否是所有定位轴都到达了设定的位置，以及系统定位是否完成，并是否需要置位定位完成标志位，若是，则执行步骤16，否则执行步骤11；

23、步骤16：各定位轴都到达了所需的位置，系统定位完成，更新姿态数据库，保留当前姿态信息供之后使用；

24、步骤17：所有定位轴立即停止运行；

25、步骤18：结束。

26、通过本发明的上述方法，能够同时控制至少20块活动底板和对应的80根定位轴同步运动，模拟地质中的单断陷、双断陷、坳陷、隆起、倾斜等姿态，能够对每根定位轴的运动状况及幅度进行核实，并具有快速回归零位、安全报警、紧急情况自动停机等功能。同时还引入了数据库，可以将用户以前的试验姿态数据储存其中，便于用户调用。引入mcd仿真来帮助用户检验控制系统的可靠性。由此满足了沉积模拟实验平台的控制要求，并且对各活动底板的定位精度高，各定位轴同步协调性号，同时用户操作更加智能，能对各种地质沉积现象进行模拟实验，丰富了沉积学的研究。

27、具体的，步骤1中对位置校准的步骤包括：

28、步骤101：所述plc判断是否接收到单轴调整信号，若是，则根据所述单轴调整信号控制对应的定位轴进行+或-的点动运行，否则执行步骤102；

29、步骤102：判断是否接收到单板调整信号，若是，则根据所述单板调整信号控制对应的活动底板进行升降和/或对角倾斜运动，否则执行步骤103；

30、步骤103：判断是否接收到设置零点信号，若是，则设置沉积模拟实验平台中所有活动底板的板面姿态呈水平，且所有活动底板的升降设备的机械零点与工艺零点相匹配，使所有活动底板处于同一零点高度，否则执行步骤101和步骤102；

31、步骤104：完成位置校准。

32、进一步的，步骤10中对定位轴的运行，是通过比值串级pid控制的算法使同一个活动底板的所有定位轴具有协调性，由此控制同一个活动底板的所有定位轴同时到达设定位置，同时，各活动底板在运行过程中，连续不断的进行mcd仿真模型的构建，以保证沉积模拟试验平台的同步性。

33、进一步的，每个活动底板由四根定位轴控制，所述四根定位轴中对角轴的设定位置与实际位置的差值之和相等，并且同一活动底板的四根定位轴中对角轴的高度之和相等，从而保证板面不发生变形；通过比值控制，使各定位轴的速度比等于各定位轴的设定位置与实际位置的差值比，从而使得各定位轴在运动过程中，始终保持同一活动底板的四根定位轴处于同一平面并同时到达；根据定位轴的设定位置与实际位置的差值比，调节定位轴运动的设定速度，当定位轴的实际位置与设定位置的差值比大于设设值时，增大定位轴运动的设定速度；当定位轴的实际位置与设定位置的差值比小于预设值时，减小定位轴运动的设定速度。

34、本发明还提供了一种沉积模拟实验平台控制系统的架构，包括分别与总线连接的活动底板单元和控制单元；

35、所述活动底板单元包括若干块活动底板，每块活动底板有4根定位轴控制，每根定位轴对应有1台电机；

36、所述控制单元中具有姿态数据库、上位机和plc，所述上位机中包括远程监控模块和mcd虚拟调试平台；所述姿态数据库和远程监控模块连接，所述远程监控模块通过活动底板的设定位置和设定速度信号分别与plc和mcd虚拟调试平台连接，plc向所述远程监控模块和mcd虚拟调试平台返回活动底板的实际位置和实际速度信号，并且plc通过电机设定速度信号与总线连接，总线向plc返回电机当前的实际速度和定位轴位置信号；所述plc用于执行上述plc控制方法。

37、所述mcd虚拟调试平台用于mcd仿真，是一种用于机电一体化产品零件和组件运动行为的模拟，从而实现机构的虚拟与评估，在mcd的工程项目的开发流程中机械设计、电气设计、软件设计可协同并行，在设备运行前可进行实验仿真，来验证设备硬件结构的合理性以及控制软件的可靠性。

38、进一步的，所述远程监控模块包括3d显示单元、用户功能单元和plc通信单元；其中用户功能单元中设有并行的状态监视模块、设置模块、安装调试模块和通信设置模块。

39、远程监控模块中的远程监控软件，采用winform桌面应用程序开发平台来开发，它包含3d界面、用户功能界面、通信界面。3d界面利用opengl图形库，建立n×m的布局绘制活动底板的3d模型，然后利用远程监控软件接收的所有活动底板定位定位轴的当前位置数据，计算出各活动底板相对于初始位置的位移偏移量和旋转角度，通过函数转换将各活动底板显示到正确的空间位置，同时引入数据库的内容，用户将每次实验的姿态信息储存到数据库中，可方便下次直接调用对应的姿态，无需重新设定位置和速度。

40、具体的，所述活动底板的运动行程≥1m，运行速度＜2mm/h，精度控制为1mm，最大承受重量≥17吨，活动底板的倾斜角度≥25°，并且能够进行任意方向的倾斜。

41、本发明的有益效果包括：

42、1、能够对活动底板进行精确控制，大幅度提高了实验结果的准确性与可靠性。

43、2、在设备运行前能够进行模拟仿真，有效提高了实验和设备的安全性。

44、3、用户操作简便，并且远程监控的功能丰富。