1、PLC 自动控制系统中的防碰撞最优路径选择摘要：本文阐述了 PLC 自动控制系统的可靠性设计，并通过实验表明，该方法能够提高机电一体过程中 PLC 自动控制路径选择的效率，避免冲突。 关键词：PLC 自动控制系统；防碰撞；最优路径 中图分类号：TM921.5 文献标识码： A 文章编号： 引言 从 20 世纪 30 年代开始,机械加工企业为了提高生产效率,采用机械化流水作业的生产方式,对不同类型的零件分别组成自动生产线。随着产品机型的更新换代,生产线承担的加工对象也随之改变,这就需要改变控制程序,使生产线的机械设备按新的工艺过程运行,而继电器一接触器控制系统是采用固定接线的,很难适应这个要求。
2、 一、PLC 自动控制系统的可靠性设计 在生产设计过程中。为赋予产品可靠性而进行的工作称为可靠性设计。在整个设计过程中,把可靠性问题考虑进去,比产品投入生产以后发现不可靠因素进行改进要好的多。因为后者往往要在改变工夹模具,材料,工艺等方面付出很大的代价。可靠性设计的主要内容包括制订可靠性指标,可靠性预测,可靠性分配以及与提高可靠性有关的具体设计工作和可靠性审查。 对可靠性特征量的要求称为可靠性指标。制订可靠性指标的工作包括确定指标项目和指标数值。一种产品的可靠性要求常常需要用几项指标来反映。指数分布失效的可靠性指标可用失效率或 MTBF 来表示;对于早期失效和耗损失效宜用可靠度和可靠寿命来表示
3、;对于控制装置等可修复产品常用的还有有效度,即产品能工作的时间与能工作时间加不能工作时间之和的比值来表示。同一产品的可靠性特征量因条件、时间、功能而不同,因此在规定可靠性指标时必须明确是对应于什么条件、时间、功能的指标。例如对于接触可靠性指标必须规定负载电压、电流;规定偶然故障失效率必须同时规定偶然失效期延续时间即有效寿命。 二、基于 PLC 机电一体最优路径选择 1、动作信号的小波转换 为了降低机电一体 PLC 设备的能耗，需要对机械部位进行有效地信号采集，求得微电子信号低频逼近信号序列和高频细节信号序列，图 1是小波分解程序框图。根据得到的 PLC 设备的时频特征分析方法中，对于机械设备的
4、命令特征进行小波分析，用以测试其各个动作的小波系数的奇异值之间的区分度，区分度越高表明采用该特征做动作模式判别时候效果越好，以下是提取到的小波系数奇异值，见表 1。 从表 1 中可以看出，本文提取到的 4 种不同动作 PLC 信号的小波系数的奇异值特征值有着明显的区别，而且多次试验结果表明，采样率对该特征影响不大，特征较为稳定，比小波系数奇异值和时域特征都稳定，并且区分度也大的多。因此，小波系数的奇异值特征可以作为 PLC 设备一种特征来做动作模式识别。 表 1 提取到的 PLC 设备特征值 表 2 采用本文算法前后的纺织机器能耗 图 1 mallat 小波分解程序框图 图 2 最优路径的选择
5、实验 2、PLC 控制中的路径约束 虽然计算出 PLC 设备的命令特征信号，但是如果直接进行操作，会形成一定的误差，造成能耗，甚至碰撞。因此需要根据得到的命令特征，对命令中的行动路径进行合理的规划，加入一定的约束，保证行动路径最少，最大程度的保证能耗最低。为了做到这点，可以设计适应度函数，这样的函数必须满足 2 个条件，下面介绍具体实现过程。 （1）对行动边界的有效约束，由于 PLC 设备的运动空间有限，可以有效地规定出设备在横向上的最大值和最小值，从横向上对其进行边界约束。约束的规程如下：在建立的坐标系中，直线 li 约束的相交处的坐标为（Xi1，Yi1）和（Xi2，Yi2） 。这里 yI
6、一定在（Yi1，Yi2）范围内，这里的交点坐标不一定很准确，需要允许一定的误差，一旦误差较大，需要舍弃相关的值，具体的函数计算方法表示为： 其中，r 为 PLC 设备中，单步允许的最新步长，i 为 PLC 设备路径上的点，上式表明只要各个路径点在约束范围内，则适应度取 1，否则取0。 （2）障碍适应度函数。PLC 设备在进行工作的时候，可能会遇到突发障碍，这也是造成能耗的一个主要原因，甚至可以危害设备安全。因此，需要对 PLC 设备的行动路径进行合理地规划，在保证能耗最低的同时，保证设备安全。PLC 设备的自动运动过程不复杂，系统可以看成是小范围的匀速直线运动。假设机电控制系统从起始点 P0
7、到目标点 Pi （ xi，Yi）耗时为 ti，从 Pi-1（X i-1，Yi-1）到 Pi（ Xi，Yi ）耗时为Ti-1，则 ti=ti-1+Ti-1 式中 v 是机电控制系统智能控制中移动的速度。入股在时刻 ti ，机电控制系统处于当前路径上的某一行动点 Cci （xi,yi） ，式中 vix，viy为机电控制系统在 Cci 点的 x 和 y 的速度表达式。可以较为有限的计算不同时刻下的障碍物坐标： 是 PLC 设备在移动过程中的第 k 个障碍物初始座标，如果在 PLC 设备中的时刻 ti，检测到的当前路径上的行动点 Pi （ xi，yi ）与检测到的障碍物之间的距离为： 可以计算绕过距离
8、的最小路径： D min =min（Di k） ，i=1，2，,n；k=1,2,m 式子中 n 是组成路径的路径点个数，m 是障碍物的个数。由此得到避障适应度函数：k 式中 R0 是 PLC 控制系统移动单元避免碰撞的有效半径，Rk 是如果绕过障碍物的有效安全半径，如果 PLC 控制系统可以成功的在最小距离的范围内绕过障碍物的干扰，则适应度取 1，否则取 0。 （3）路径最短适应度函数。该函数如下所示： 最后综合上面几个约束条件得到综合适应度函数： fitfit1 fit2 fit3 通过以上的方法能够在较小的范围内，保证 PLC 设备的最优化运行，避免障碍物的碰撞，避免不必要的消耗。 三、实
9、验结果及其分析 为了验证本文系统的有效性，对纺织行业中的自动缝纫机进行计算机仿真，得到 PLC 纺织机的坐标、半径、待加工工件大小等信息。纺织品大小作为 PLC 设备中的约束性函数。具体的真实路径与最优路径的关系如图 2 所示。 PLC 设备的移动初始路径的选择不设固定方法。纺织中的障碍物是固定下来的，能够被机器有限的感知到，即记忆约束。路径的选择有合理的路径库。按系统的要求，可以选择 10 个有效的路径，路径的具体位置能够被计算机的控制软件有效地感知。适应度最高的前 5 个路径组成新种群 Y（t） ，当 PLC 设备移动单元在移动过程中，障碍物的信息会不断地更新，保证信息的新鲜。 为了验证系
10、统的能耗特性，对在本文方法下建立的系统能耗进行有效的统计，实验数据如上所示，纺织点的数量为 100 个，坐标位置相同，工件个数、种类相同。 对采用本文算法进行路径优化前后分别进行了验证比较，表 2 中的结果是在实验中求得的数据。 从表 2 可以看出，采用本文算法对纺织 PLC 设备单元进行路径优化后，工作能耗降低了许多。当工件结构复杂，纺织点增多时，采用路径优化后的能耗优势将更加明显。 结束语 本文提出一种基于机电一体 PLC 自动控制防碰撞最优路径选择算法，通过在 PLC 控制中加入约束算法，对路径选择中的错误进行有效地约束，保证路径的选择形成局部的最优化。实验表明，该方法能够提高机电一体过程中自动控制路径选择的效率，避免冲突。 参考文献： 1缪德俊. PLC 自动控制系统中的防碰撞J.科技通报， 2013（02） 2唐爽.论 PLC 自动控制系统的可靠性J.考试周刊，2011(15) 3刘国栋. PLC 自动控制系统的可靠性分析 J. 工程技术，2012（07） 4葛建刚，徐刚PLC 技术在电厂输煤程控系统中的应用J. 企业技术开发，2010（11）
