Programmable controller（原文）.pdf

1、Pr o g r a mma b l e c o n t r o l l e rd e s i g n e df o r e l e c t r o -p n e u ma t i c s y s t e ms Ch e d e d , LAl -Mu l l a , Ma a n Archive of Applied Mechanics 74(2005) 489-508Springer-Verlag 2005 DOI10.1007/s00419-004-0363-4 De p a r t m e n t o f Me c h a n i c a l En g i n e e r i n g

2、, So l i d Me c h a n i c s , Te c h n i c a l Un i v e r s i t y o f Au s t r a l i a e l e c t r o -p n e u m a t i c c o n t r o l e l e c t r i c a l Th i sp r o j e c td e a l sw i t ht h es t u d yo fe l e c t r o -p n e u m a t i cs y s t e m sa n d t h ep r o g r a m m a b l ec o n t r o l l

3、 e rt h a tp r o v i d e sa ne f f e c t i v ea n de a s yw a yt o c o n t r o lt h es e q u e n c eo ft h ep n e u m a t i ca c t u a t o r sm o v e m e n ta n dt h es t a t e s o fp n e u m a t i cs y s t e m . Th ep r o j e c to fas p e c i f i cc o n t r o l l e rf o rp n e u m a t i c a p p l i

4、 c a t i o n sj o i nt h es t u d yo fa u t o m a t i o nd e s i g na n dt h ec o n t r o l p r o c e s s i n go fp n e u m a t i cs y s t e m sw i t ht h ee l e c t r o n i cd e s i g nb a s e do n m i c r o c o n t r o l l e r st oi m p l e m e n tt h er e s o u r c e so ft h ec o n t r o l l e r

5、. 1. In t r o d u c t i o n Th e a u t o m a t i o n s y s t e m s t h a t u s et e c h n o l o g y a r e f o r m e dm a i n l yb yt h r e ek i n d so fe l e m e n t s : a c t u a t o r so rm o t o r s , s e n s o r s o r b u t t o n s a n d c o n t r o l e l e m e n t s l i k e v a l v e s .No w a

6、d a y s , m o s t o f t h e c o n t r o l e l e m e n t s u s e d t o e x e c u t e t h e l o g i c o f t h e s y s t e m w e r e s u b s t i t u t e d b y t h e Pr o g r a m m a b l e Lo g i c Co n t r o l l e r (PLC).Se n s o r s a n d s w i t c h e sa r ep l u g g e da si n p u t sa n dt h ed i r

7、 e c tc o n t r o lv a l v e sf o rt h e a c t u a t o r sa r ep l u g g e da so u t p u t s . Ani n t e r n a lp r o g r a me x e c u t e sa l lt h e l o g i c n e c e s s a r y t o t h e s e q u e n c e o f t h e m o v e m e n t s ,s i m u l a t e s o t h e r c o m p o n e n t sl i k ec o u n t e

8、r , t i m e ra n dc o n t r o lt h es t a t u so ft h es y s t e m . Wi t ht h eu s eo ft h ePLC, t h ep r o j e c tw i n sa g i l i t y , b e c a u s ei ti s p o s s i b l e t o c r e a t e a n d s i m u l a t e t h e s y s t e m a s m a n y t i m e s a s n e e d e d . Th e r e f o r e , t i m ec a

9、 nb es a v e d , r i s ko fm i s t a k e sr e d u c e da n dc o m p l e x i t y c a nb ei n c r e a s e du s i n gt h es a m ee l e m e n t s . A c o n v e n t i o n a lPLC, t h a ti sp o s s i b l et of i n do nt h em a r k e tf r o mm a n y c o m p a n i e s , o f f e r sm a n yr e s o u r c e st

10、on o to n l yp n e u m a t i cs y s t e m s , b u ta l lk i n d so fs y s t e mt h a tu s e sc o m p o n e n t s . Th ePLC c a nb e v e r yv e r s a t i l ea n dr o b u s tt ob ea p p l i e di nm a n yk i n d so fa p p l i c a t i o ni n t h ei n d u s t r yo re v e ns e c u r i t ys y s t e ma n da

11、 u t o m a t i o no fb u i l d i n g s . Be c a u s e o f t h o s e c h a r a c t e r i s t i c s ,i n s o m e a p p l i c a t i o n s t h e PLC o f f e r st om u c hr e s o u r c e st h a ta r en o te v e nu s e dt oc o n t r o lt h es y s t e m , e l e c t r o -p n e u m a t i cs y s t e mi so n e

12、o ft h i sk i n do fa p p l i c a t i o n . Th eu s eo f PLC, e s p e c i a l l yf o rs m a l ls i z es y s t e m s , c a nb ev e r ye x p e n s i v ef o rt h e a u t o m a t i o np r o j e c t . Ana l t e r n a t i v ei nt h i sc a s ei st oc r e a t eas p e c i f i cc o n t r o l l e rt h a t c a

13、no f f e rt h ee x a c t l ys i z ea n dr e s o u r c e st h a tt h ep r o j e c tn e e d s3,4. Th i sc a nb em a d eu s i n gm i c r o c o n t r o l l e r sa st h eb a s eo ft h i sc o n t r o l l e r . Th ec o n t r o l l e r , b a s e do nm i c r o c o n t r o l l e r , c a nb ev e r ys p e c i f

14、 i ca n d a d a p t e d t o o n l y o n e k i n d o f m a c h i n e o r i t c a n w o r k a s a g e n e r i c c o n t r o l l e rt h a tc a nb ep r o g r a m m e da sau s u a lPLC a n dw o r kw i t hl o g i c t h a tc a nb ec h a n g e d . Al lt h e s ec h a r a c t e r i s t i c sd e p e n do nw h

15、a ti sn e e d e d a n dh o wm u c he x p e r i e n c et h ed e s i g n e rh a sw i t hd e v e l o p i n ga ne l e c t r o n i c c i r c u i t a n d f i r m w a r e f o r m i c r o c o n t r o l l e r . Bu t t h e m a i n a d v a n t a g e o f d e s i g nt h ec o n t r o l l e rw i t ht h em i c r o

16、c o n t r o l l e ri st h a tt h ed e s i g n e rh a s t h e t o t a l k n o w l e d g e o f h i s c o n t r o l l e r ,w h i c h m a k e s i t p o s s i b l e t o c o n t r o l t h e s i z e o f t h e c o n t r o l l e r ,c h a n g e t h e c o m p l e x i t y a n d t h e a p p l i c a t i o no fi t

17、 . Itm e a n st h a tt h ep r o j e c tg e t sm o r ei n d e p e n d e n c ef r o m o t h e rc o m p a n i e s , b u ta tt h es a m et i m et h er e s p o n s i b i l i t yo ft h ec o n t r o l o ft h es y s t e ms t a y sa tt h ed e s i g n e rh a n d s 2. El e c t r o -p n e u m a t i cs y s t e m

18、 Ona u t o m a t i o ns y s t e mo n ec a nf i n dt h r e eb a s i cc o m p o n e n t sm e n t i o n e d b e f o r e , p l u s a l o g i c c i r c u i t t h a t c o n t r o l s t h e s y s t e m .An a d e q u a t e t e c h n i q u ei sn e e d e dt op r o j e c tt h el o g i cc i r c u i ta n di n t

19、e g r a t ea l lt h e n e c e s s a r yc o m p o n e n t st oe x e c u t et h es e q u e n c eo fm o v e m e n t sp r o p e r l y . Fo ras i m p l ed i r e c ts e q u e n c eo fm o v e m e n ta ni n t u i t i v em e t h o dc a nb e u s e d1,5, b u tf o ri n d i r e c to rm o r ec o m p l e xs e q u

20、e n c e st h ei n t u i t i o nc a n g e n e r a t eav e r yc o m p l i c a t e dc i r c u i ta n ds i g n a lm i s t a k e s . Iti sn e c e s s a r y t ou s ea n o t h e rm e t h o dt h a tc a ns a v et i m eo ft h ep r o j e c t , m a k eac l e a n c i r c u i t ,c a n e l i m i n a t e o c c a s

21、i o n a l s i g n a l o v e r l a p p i n g a n d r e d u n d a n t c i r c u i t s . Th ep r e s e n t e dm e t h o di sc a l l e ds t e p -b y -s t e po ra l g o r i t h m i c1,5, i ti sv a l i df o rp n e u m a t i ca n de l e c t r o -p n e u m a t i cs y s t e m sa n di tw a su s e d a sab a s

22、ei nt h i sw o r k . Th em e t h o dc o n s i s t so fd e s i g n i n gt h es y s t e m s b a s e do n s t a n d a r d c i r c u i t s m a d ef o r e a c h c h a n g eo n t h e s t a t e o f t h e a c t u a t o r s , t h e s ec h a n g e sa r ec a l l e ds t e p s . Th ef i r s tp a r ti st od e s i

23、 g nt h o s ek i n d so fs t a n d a r dc i r c u i t sf o r e a c hs t e p , t h en e x tt a s ki st ol i n kt h es t a n d a r dc i r c u i t sa n dt h el a s t p a r t i s t o c o n n e c t t h e c o n t r o l e l e m e n t s t h a t r e c e i v e s i g n a l s f r o m s e n s o r s ,s w i t c h

24、e s a n d t h e p r e v i o u s m o v e m e n t s ,a n d g i v e t h e a i r o r e l e c t r i c i t y t o t h e s u p p l y l i n e s o f e a c h s t e p . In Fi g s . 1 a n d 2 t h e s t a n d a r dc i r c u i t sa r ed r a w nf o rp n e u m a t i ca n de l e c t r o -p n e u m a t i cs y s t e m

25、8. Iti sp o s s i b l et os e et h er e l a t i o n sw i t ht h ep r e v i o u sa n dt h en e x t s t e p s . 3. Th em e t h o da p p l i e di n s i d et h ec o n t r o l l e r Th e r e s u l t o f t h e m e t h o d p r e s e n t e d b e f o r e i s a s e q u e n c e o f m o v e m e n t so ft h ea c

26、 t u a t o rt h a ti sw e l ld e f i n e db ys t e p s . Itm e a n st h a t e a c h c h a n g e o n t h e p o s i t i o n o f t h e a c t u a t o r s i s a n e w s t a t e o f t h e s y s t e ma n dt h et r a n s i t i o nb e t w e e ns t a t e si sc a l l e ds t e p . Th es t a n d a r dc i r c u i

27、 td e s c r i b e db e f o r eh e l p st h ed e s i g n e rt od e f i n e t h es t a t e so ft h es y s t e m sa n dt od e f i n et h ec o n d i t i o nt oe a c hc h a n g e b e t w e e nt h es t a t e s . Int h ee n do ft h ed e s i g n , t h es y s t e mi sd e f i n e db ya s e q u e n c e t h a t

28、 n e v e r c h a n c e s a n d s t a t e s t h a t h a v e t h e i n p u t s a n d t h e o u t p u t sw e l ld e f i n e d . Th ei n p u t sa r et h ec o n d i t i o nf o rt h et r a n s i t i o n a n dt h eo u t p u t sa r et h er e s u l to ft h et r a n s i t i o n . Al l t h e c o n f i g u r a

29、t i o n o f t h o s e s t e p s s t a y s i n s i d e o f t h e m i c r o c o n t r o l l e r a n d i s e x e c u t e d t h e s a m e w a y i t w a s d e s i g n e d .Th e s e q u e n c e so fs t r i n g sa r ep r o g r a m m e di n s i d et h ec o n t r o l l e rw i t h5 b y t e s ; e a c hs t r i

30、n gh a st h ec o n f i g u r a t i o no fo n es t e po ft h ep r o c e s s . Th e r ea r e t w ob y t e sf o rt h ei n p u t s , o n eb y t ef o rt h eo u t p u t sa n dt w om o r ef o rt h e o t h e r c o n f i g u r a t i o n s a n d a u x i l i a r y f u n c t i o n s o f t h e s t e p .Af t e r

31、p r o g r a m m i n g , t h i ss e q u e n c eo fs t r i n g si ss a v e di n s i d eo fan o n -v o l a t i l e m e m o r yo ft h em i c r o c o n t r o l l e r , s ot h e yc a nb er e a da n de x e c u t e d . Th e c o n t r o l l e r t a s k i s n o t t o w o r k i n t h e s a m e w a y a s a c o

32、n v e n t i o n a l PLC, b u t t h e p u r p o s e o f i t i s t o b e a n e x a m p l e o f a v e r s a t i l ec o n t r o l l e rt h a ti sd e s i g nf o ra ns p e c i f i ca r e a . A c o n v e n t i o n a l PLC p r o c e s st h ec o n t r o lo ft h es y s t e mu s i n gac y c l ew h e r ei tm a

33、k e sa n i m a g e o f t h e i n p u t s ,e x e c u t e a l l t h e c o n d i t i o n s d e f i n e d b y t h e c o n f i g u r a t i o n p r o g r a m m e d i n s i d e ,a n d t h e n u p d a t e t h e s t a t e o f t h e o u t p u t s . Th i sc o n t r o l l e rw o r k si nad i f f e r e n tw a y

34、, w h e r ei tr e a dt h e c o n f i g u r a t i o no ft h es t e p , w a i tt h ec o n d i t i o no fi n p u t st ob es a t i s f i e d , t h e nu p d a t et h es t a t eo rt h eo u t p u t sa n da f t e rt h a tj u m pt ot h en e x t s t e pa n ds t a r tt h ep r o c e s sa g a i n . Itc a ng e n

35、e r a t es o m el i m i t a t i o n s , a st h ef a c tt h a tt h i sc o n t r o l l e r c a n n o te x e c u t e , i n s i d et h ep r o g r a m , m o v e m e n t st h a tm u s tb er e p e a t e df o r s o m e t i m e , b u t t h i s p r o b l e m c a n b e s o l v e d w i t h s o m e e x t e r n a

36、 l l o g i c c o m p o n e n t s . An o t h e rl i m i t a t i o ni st h a tt h ec o n t r o l l e rc a n n o tb ea p p l i e d o ns y s t e m st h a th a v en os e q u e n c e . Th e s el i m i t a t i o n sa r eac h a r a c t e r i s t i c o ft h es y s t e mt h a tm u s tb ea n a l y z e df o re

37、a c ha p p l i c a t i o n . 4. Ch a r a c t e r i s t i c so ft h ec o n t r o l l e r Th ec o n t r o l l e ri sb a s e do nt h eMICROCHIP m i c r o c o n t r o l l e rPIC16F877 6,7 w i t h40 p i n s , a n di th a sa l lt h er e s o u r c e sn e e d e df o rt h i sp r o j e c t . It h a s e n o u

38、g h p i n s f o r a l l t h e c o m p o n e n t s ,s e r i a l c o m m u n i c a t i o n i m p l e m e n t e di nc i r c u i t , EEPROM m e m o r yt os a v ea l lt h ec o n f i g u r a t i o no f t h es y s t e m a n d t h e s e q u e n c eo f s t e p s . Fo rt h e e x e c u t i o n o f t h em a i n

39、 p r o g r a m , i to f f e r sc o m p l e t er e s o u r c e sa st i m e r sa n di n t e r r u p t i o n s . Th el i s to fr e s o u r c e so ft h ec o n t r o l l e rw a sc r e a t e dt oe x p l o r ea l l t h ec a p a c i t yo ft h em i c r o c o n t r o l l e rt om a k ei ta sc o m p l e t ea sp

40、 o s s i b l e . Du r i n gt h es t e p , t h ep r o g r a mc h o o s e sh o wt ou s et h er e s o u r c e sr e a d i n g t h e c o n f i g u r a t i o n s t r i n g o f t h e s t e p . Th i s s t r i n g h a s t w o b y t e s f o r d i g i t a li n p u t s , o n eu s e da sam a s ka n dt h eo t h e

41、 ro n eu s e da sav a l u e e x p e c t e d . On eb y t ei su s e dt oc o n f i g u r et h eo u t p u t sv a l u e . On eb y t e s m o r ei su s e df o rt h ei n t e r n a lt i m e r , t h ea n a l o gi n p u to rt i m e -o u t . Th e EEPROM m e m o r y i n s i d e i s 256 b y t e s l e n g t h t h

42、a ti s e n o u g h t o s a v et h e s t r i n go ft h es t e p s , w i t ht h i sc h a r a c t e r i s t i ci ti sp o s s i b l et os a v e b e t w e e n48 s t e p s （Ta b l e1）. Th ec o n t r o l l e r (Fi g .3) h a sa l s oad i s p l a ya n ds o m eb u t t o n st h a ta r e u s e dw i t ha ni n t

43、e r a c t i v em e n ut op r o g r a mt h es e q u e n c eo fs t e p sa n do t h e r c o n f i g u r a t i o n s . 4.1. In t e r a c t i o nc o m p o n e n t s Fo rt h er e a la p p l i c a t i o nt h ec o n t r o l l e rm u s th a v es o m ee l e m e n t st o i n t e r a c tw i t ht h ef i n a lu s

44、 e ra n dt oo f f e rac o m p l e t em o n i t o r i n go ft h e s y s t e mr e s o u r c e st h a ta r ea v a i l a b l et ot h ed e s i g n e rw h i l ec r e a t i n gt h e l o g i cc o n t r o lo ft h ep n e u m a t i cs y s t e m(Fi g .3): In t e r a c t i v em o d eo fw o r k ; f u n c t i o na

45、 v a i l a b l eo nt h em a i n p r o g r a mf o rd i d a c t i cp u r p o s e s , t h eu s e rg i v e st h es i g n a lt o e x e c u t et h es t e p . LCD d i s p l a y , w h i c hs h o w st h es t a t u so ft h es y s t e m , v a l u e s o fi n p u t s , o u t p u t s , t i m e ra n ds t a t i s t

46、 i c so ft h es e q u e n c e e x e c u t i o n . Be e pt og i v ei m p o r t a n ta l e r t s , s t o p , s t a r ta n de m e r g e n c y . Le d st os h o wp o w e ro na n do t h e r st os h o wt h es t a t eo f i n p u t sa n do u t p u t s . 4.2. Se c u r i t y To m a k e t h e f i n a l a p p l

47、i c a t i o n w o r k s p r o p e r t y ,a c o r r e c t c o n f i g u r a t i o nt oe x e c u t et h es t e p si nt h er i g h tw a yi sn e e d e d , b u tm o r e t h e nt h a ti tm u s to f f e rs o l u t i o n si nc a s eo fb a df u n c t i o n i n go rp r o b l e m s i nt h ee x e c u t i o no f

48、t h es e q u e n c e . Th ec o n t r o l l e ro f f e r st h ep o s s i b i l i t y t oc o n f i g u r et w oi n t e r n a lv i r t u a lc i r c u i t st h a tw o r ki np a r a l l e lt ot h e p r i n c i p a l . Th e s et w oc i r c u i t sc a nb eu s e da se m e r g e n c yo rr e s e tb u t t o n

49、s a n dc a nr e t u r nt h es y s t e mt oac e r t a i ns t a t ea ta n yt i m e2. Th e r ea r e t w oi n p u t st h a tw o r kw i t hi n t e r r u p t i o nt og e ta ni m m e d i a t ea c c e s st o t h e s ef u n c t i o n s . Iti sp o s s i b l et oc o n f i g u r et h ep o s i t i o n , t h eb u

50、 t t o n s a n dt h ev a l u eo ft i m e -o u to ft h es y s t e m . 4.3. Us e ri n t e r f a c e Th e s e q u e n c e o f s t r i n g s c a n b e p r o g r a m m e d u s i n g t h e i n t e r f a c e e l e m e n t so ft h ec o n t r o l l e r . A c o m p u t e ri n t e r f a c ec a na l s ob eu s e

51、 dt o g e n e r a t et h eu s e rp r o g r a me a s i l y . Wi t hag o o dd o c u m e n t a t i o nt h ef i n a l u s e rc a nu s et h ei n t e r f a c et oc o n f i g u r et h es t r i n g so fb y t e st h a td e f i n e t h es t e p so ft h es e q u e n c e . Bu ti ti sp o s s i b l et oc r e a t

52、eap r o g r a mw i t h v i s u a lr e s o u r c e st h a tw o r k sa sat r a n s l a t o rt ot h eu s e r , i tc h a n g e sh i s w o r kt ot h ev a l u e st h a tt h ec o n t r o l l e ru n d e r s t a n d s . Toi m p l e m e n tt h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h ec o m p u t e ri n t e

53、 r f a c ea n d t h ec o n t r o l l e ras i m p l ep r o t o c o lw i t hc h e c ks u ma n dn u m b e ro fb y t e si s t h em i n i m u mr e q u i r e m e n t st og u a r a n t e et h ei n t e g r i t yo ft h ed a t a . 4.4. Fi r m w a r e Th em a i nl o o pw o r k sb yr e a d i n gt h es t r i n g

54、 so ft h es t e p sf r o mt h e EEPROM m e m o r yt h a th a sa l lt h ei n f o r m a t i o na b o u tt h es t e p s . Ine a c hs t e p , t h es t a t u so ft h es y s t e mi ss a v e do nt h em e m o r ya n d i ti ss h o w no nt h ed i s p l a yt o o . De p e n d i n go ft h eu s e rc o n f i g u r

55、 a t i o n , i t c a nu s et h ei n t e r r u p t i o nt ow o r kw i t ht h ee m e r g e n c yc i r c u i to rt i m e -o u t t ok e e pt h es y s t e ms a f e t y . InFi g .4,ab l o c kd i a g r a mo fm i c r oc o n t r o l l e r m a i np r o g r a mi sp r e s e n t e d . 5. Ex a m p l eo fe l e c t

56、 r o -p n e u m a t i cs y s t e m Th es y s t e mi sn o tar e p r e s e n t a t i o no fas p e c i f i cm a c h i n e , b u ti ti s m a d ew i t hs o m ec o m m o nm o v e m e n t sa n dc o m p o n e n t sf o u n di nar e a lo n e . Th e s y s t e m i s c o m p o s e d o f f o u r a c t u a t o r s

57、 . Th e a c t u a t o r s A, B a n d C a r e d o u b l e a c t i n g a n d D-s i n g l e a c t i n g . Ac t u a t o r A a d v a n c e s a n d s t a y s i n s p e c i f i e dp o s i t i o nt i l lt h ee n do ft h ec y c l e , i tc o u l dw o r kf i x i n ga n o b j e c tt ot h en e x ta c t i o nf o

58、re x a m p l e(Fi g . 5), i ti st h ef i r s ts t e p . Wh e nA r e a c h e st h ee n dp o s i t i o n , a c t u a t o rC s t a r t sh i sw o r kt o g e t h e r w i t hB, m a k i n ga sm a n yc y c l e sa sp o s s i b l ed u r i n gt h ea d v a n c i n go fB. It d e p e n d so nh o wf a s ta c t u a

59、 t o rB i sa d v a n c i n g ; t h es p e e di sr e g u l a t e db ya f l o w i n gc o n t r o lv a l v e . Itw a st h es e c o n ds t e p . B a n dC a r ee x a m p l e so f a c t u a t o r sw o r k i n gt o g e t h e r , w h i l eB p u s h e sa no b j e c ts l o w l y , C r e p e a t s i t sw o r kf o rs o m et i m e . Wh e nB r e a c h e st h ef i n a lp o s i t i o n , C s t o p si m m e d i a t e l yi t sc y c l e a n d c o m e s b a c k t o t h e i n i t i a l p o s i t i o n . Th e a c t u a t o r D i s a s i n g l e a c t i n go n ew i t hs p r i n gr e t u r na n dw o r k s