CN104570866B - 基于可编程逻辑器件的高速线运动设备的安全急停方法 - Google Patents

基于可编程逻辑器件的高速线运动设备的安全急停方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了基于可编程逻辑器件的高速线运动设备的安全急停方法，主要由软件限位、霍尔限位和行程开关限位三种限位方式组成。以光电编码器作为设备反馈元件，采用可编程逻辑器件进行软件限位，当设备速度高于设备安全运行速度且超出安全运行范围时实现一次减速。根据设备安全运行速度设定霍尔传感器安装位置，当设备运行至霍尔处，启动霍尔限位实现二次减速，迫使电机减速停车并只能反向运行。采用行程开关与急停开关串联进行超程急停。本发明人机交互便利，可根据不同需求设定设备安全转速及行程范围；采用多级减速限位方式，能减少瞬间急停对设备的损害，有效避免高速运动设备超程过冲问题，保护人员和设备安全，提升设备的产品附加值。

Description

基于可编程逻辑器件的高速线运动设备的安全急停方法
技术领域
本发明涉及一种高速线运动设备的安全急停方法，尤其涉及一种基于可编程逻辑器件的安全急停方法，适用于数控机床、货运升降机、皮带运输机等工业应用领域，并能根据用户需求，拓展应用于轨道摄像系统、快速动目标跟踪拍摄等领域。
背景技术
在数控机床、皮带运输机、货运升降机等工业设备领域，高速、高精、高效、复合是这些工业设备的发展方向。在一台高速、复杂的工业设备中，安全可靠性是一个必要条件。所以，评价一台工业设备的优劣，不仅需要功能的强大，也需要关注其安全性能。故急停回路是必不可少且有着至关重要意义的一个回路，用于设备出现紧急情况时，使设备立即停止运动或是切断动力装置(如伺服驱动器等)的主电源，避免造成设备和人员伤害，提高设备的安全性能和自身产品附加值。
急停装置的操作机构包括蘑菇型按钮，金属丝、绳、棒，手柄，无防护罩的脚踏板等。急停装置在安装和使用中的技术要点是：(1)急停功能不应用来代替安全防护措施和其他安全功能，仅作为一种补充防护措施。急停功能不应削弱保护装置或带有其他安全功能装置的有效性。(2)急停功能应使得在急停装置动作后，以合适的方式停止设备的危险运动和操作，而不产生附加危险。(3)当急停指令发出且设备已完成急停操作，该指令的作用应始终保持到手动复位为止，并只能对发出急停指令的那一部位进行复位。(4)急停装置应位于每个操作者控制位置，以及通过风险评估确定的其他位置，其配置应位于操作者最容易接近的地方，当操作者双手因作业时不能脱开时，应设置在身体其他部位(如膝盖)易于接近的地方。
目前在高速线运动设备中通常采用紧急停止按钮和超程处理方式(将应用于数控机床、货运升降机、皮带运输机等工业应用领域的包括电机、轨道和位于轨道上的设备在内的一套装置称为高速线运动设备)。一般紧急停止回路将急停开关串联至设备主电源或者动力装置电源。当设备在高速运行时，当由于故障或者人员误操作触发急停按钮时，设备由于其高速运行的惯性很有可能直接损害设备或者由于电机快速停止而导致电机出现过大的再生电流，损坏电机。所以在实际使用中，应加以设备行程范围限定，当出现超程时及时进行报警提示，避免频繁触发急停装置。在通常设计中，会在软件中设定设备的行程范围，当设备超行程时触发软件限位时电机减速停止并只能反向工作。如专利CN200950316Y中给出了一种采用人机界面与PLC控制的工进教具，该工进教具能够单步工作、单周期工作以及循环工作等，能够控制运行速度和精确定位。但是电机直接减速同样存在惯性、再生电流等因素的影响。且实际应用中外部环境存在电磁干扰等影响因素，软件限位容易收到影响存在程序失效跑飞等情况，导致软件限位失效。因此，在高速线运动设备的安全急停电路设计中，应考虑设备的多级减速和预防软件失效的多级防护措施。通过多级减速方式，能够减少瞬间减速对设备和电机造成的损害；通过多级保护，防止一级减速失效后设备不能安全急停。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供基于可编程逻辑器件的高速线运动设备的安全急停方法，能有效地避免高速线运动设备因超过量程产生的过冲事故，并且通过一次设置，即可全自动的进行超程检测和控制，必要时完成急停动作，减少人为监控和干预，保护人员和设备安全，使设备安全可靠运行。
本发明的技术解决方案是：基于可编程逻辑器件的高速线运动设备的安全急停方法，所述高速线运动设备包括电机、轨道和位于轨道上的设备，其特征在于包括如下步骤：
(1)建立包括光电编码器、可编程逻辑器件、两个霍尔传感器、两块磁铁、两个行程开关和急停按钮的高速线运动设备安全急停装置；光电编码器安装在电机的轴端，两块磁铁安装在设备底部的两端，两个霍尔传感器安装在轨道下方，且位于设备的安全运行范围以外；可编程逻辑器件与光电编码器、霍尔传感器和电机通过信号线连接；两个行程开关和急停按钮串联在电机的电源回路中，且行程开关安装在轨道上，位于两个霍尔传感器以外，行程开关和急停按钮均为常闭开关；
(2)设备运行过程中，人为判断是否需要急停，如果需要，则按下急停按钮，自动切断电机的电源电路，使设备停止运行；否则，进入步骤(3)；
(3)光电编码器实时采集电机的角速度信息并输出给可编程逻辑器件，可编程逻辑器件将电机的角速度信息转化为设备的位置信息，并对该位置信息进行差分处理得到设备的运行速度，进入步骤(4)；
(4)可编程逻辑器件对每一时刻设备的位置信息和运行速度进行判断，当设备没有超过安全运行范围时，设备继续运行；否则，判断设备是否超过安全运行速度，如果没有超过，则进入步骤(5)，如果超过，则可编程逻辑器件向电机输出第一脉冲控制指令，使设备匀减速运动，且在到达霍尔传感器时速度降至安全运行速度以下，进入步骤(5)；
(5)当磁铁随设备运行到霍尔传感器正上方时，霍尔传感器输出给可编程逻辑器件的霍尔电平信号发生改变，可编程逻辑器件在霍尔电平信号发生改变后，向电机输出第二脉冲控制指令，使设备匀减速运动，且在到达行程开关之前速度降为0，进入步骤(6)；如果设备意外运行到行程开关处，则设备触发行程开关断开，电机电源电路自动切断，使设备停止运行；
(6)可编程逻辑器件向电机输出第三脉冲控制指令，使设备反向运行。
所述两个霍尔传感器之间的距离l满足l≥2s1+s，其中s为设备的安全运行距离，s1为设备从最大运行速度匀减速至安全运行速度时的行程，vmax为设备的最大运行速度，由电机的最大转速决定；vset为设备的安全运行速度，t1为设备从最大运行速度降低到安全运行速度的时间；
所述两个行程开关之间的距离d满足d≥l+2s2，其中s2为设备从安全运行速度匀减速至零时的行程,t2为设备从安全运行速度降低到0的时间。
所述可编程逻辑器件采用FPGA或CPLD实现。
本发明与现有技术相比的优点在于：
1.本发明采用软件限位、霍尔限位和行程开关限位三重保护：三重软硬件保护手段可有效避免高速线运动设备超过量程运行产生的过冲问题，减少事故发生，保护人员和设备安全。
2.本发明具有自检测和抗干扰功能：基于可编程逻辑器件进行设备行程、速度设定与检测，能有效减少设备运行时因高速开关的输出电流等带来的干扰，使设备更加稳定、安全、可靠。
3.本发明采用了非接触测量方式：使用霍尔传感器进行设备超程限位，霍尔传感器件具有体积小、安装方便、非接触测量等优点，对安装空间要求小，并且非接触测量不会干扰设备的运动状态。
4.本发明的三次限位可全自动完成超程急停动作，无需人员参与：行程开关与急停开关串联进行超程急停，在紧急情况下当设备运动至行程开关时直接切断设备电机电源，避免因人工参与急停动作产生的延时问题。
5.本发明具备可设置性和可移植性：在设备上霍尔传感器与行程开关安装位置可根据设备不同的运行环境和运行速度进行设置，安装简易、调节方便，可以满足高速线运动设备在各种不同工作条件下的安全急停需求。
附图说明
图1为本发明的结构框图；
图2为本发明的软件限位和霍尔限位原理框图；
图3为本发明FPGA中软件的实现流程图。
具体实施方式
如图1所示，为本发明结构框图。高速线运动设备包括电机5、轨道和位于轨道上的设备8，本发明由光电编码器1、可编程逻辑器件2、两个霍尔传感器3、两块磁铁4、电机5、两个行程开关6、急停按钮7组成。光电编码器1安装在电机5轴端，两块磁铁4安装在设备8底部的两端，两个霍尔传感器3安装在轨道下方，且位于设备8的安全运行范围以外，磁铁4和霍尔传感器3之间保持适当的感应距离，当磁铁4随设备8运行到霍尔传感器3上方时，霍尔传感器3的感应面能够感应到磁铁的磁场；可编程逻辑器件与光电编码器1、霍尔传感器3和电机5通过信号线连接；两个行程开关6和急停按钮7串联在电机5的电源回路中，且行程开关6安装在轨道上，位于两个霍尔传感器3以外(使得两个行程开关6之间的距离大于两个霍尔传感器3之间的距离)，是高速线运动设备运行的极限位置。行程开关6和急停按钮7均为常闭开关；
本发明采用软件限位、霍尔限位和行程开关限位三种保护措施。采用可编程逻辑器件进行人机交互，在可编程逻辑器件中设定设备安全运行范围及安全运行速度，并进行设备行程与速度检测，超出设定值时触发软件限位，实现一次减速；采用霍尔传感器设置硬件限位位置，当设备超过霍尔限位位置时实现二次减速，设备减速停止并只能反向运动；采用行程开关进行超程急停，切断设备电机电源。本发明提供一种可以用于高速线运动设备的安全急停方法，基于可编程逻辑器件，人机交互便利，可根据不同需求设定设备安全转速及行程范围；采用多级减速限位方式，能减少瞬间急停对设备的损害，有效避免高速运动设备超程过冲问题，降低生产事故发生率，保护人员和设备安全，提升设备的产品附加值。
软件限位、霍尔限位原理框图如图2所示。在高速线运动设备的电机轴端装配光电编码器1作为位置反馈元件，光电编码器1实时采集电机5的角速度信息并输出给可编程逻辑器件，可编程逻辑器件将电机5的角速度信息转化为设备8的位置信息，并对该位置信息进行差分处理得到设备8的速度信息，进行设备8运行位置与速度的实时检测。在可编程逻辑器件中设定设备8的安全运行范围和安全运行速度。当设备8运行超过设定的安全运行范围时，禁止电机该方向上的指令输入，只能进行反向操作。当设备8超出设定的安全运行范围，但是速度低于安全运行速度时，不对设备8进行减速；当设备8超出设定的安全运行范围，且速度高于安全运行速度时，由可编程逻辑器件向电机输出脉冲控制指令，使设备运行速度以固定的减速度匀减速至安全速度以下，保证设备8平稳减速。设定设备8最大运行速度(取决于所选电机的最大转速)为vmax，安全运行速度为vset，软件限位使设备在时间t1秒内减速为安全运行速度(安全运行速度和时间t1由实际应用决定)，故减速度为a1＝(vmax-vset)/t1，为保证设备8在到达霍尔传感器3时已经减速为安全运行速度，计算减速行程为s1＝(vmax+vset)*t1/2。将霍尔传感器3设置在该减速行程外。两个霍尔传感器3之间的距离l满足l≥2s1+s，其中s为设备的安全运行距离。
当设备8上安装的磁铁运行至霍尔传感器3时，霍尔传感器3输出的霍尔电平信号发生改变，由此触发霍尔限位，可编程逻辑器件在霍尔限位时向电机输出脉冲控制指令，使设备8运行速度以固定的减速度匀减速为零，且禁止电机该方向上的指令输入，只能进行反向操作。设设备8当前运行速度为vnow，霍尔限位使设备在时间t2秒内减速为零，故减速度为a2＝(vnow-0)/t2，为保证设备在到达行程开关时已经减速为零，计算减速行程为s'2＝(vnow+0)*t2/2。将行程开关设置在该减速行程外，使得设备8在超出行程后可通过反向电机输入返回到安全运行范围内，避免设备在霍尔限位减速行程内碰撞行程开关，导致设备电机断电而无法控制。为了进一步预留出行程开关的距离，可以使vnow＝vset，此时减速行程为s2＝(vset+0)*t2/2，两个行程开关6之间的安装距离应为d满足d≥l+2s2。
行程开关限位是将行程开关、急停按钮串联至设备电机电源电路中，当设备一旦运行至限位开关处，使其触头动作即可自动切断电机电源电路，使设备停止运行。在人为判断认为需要急停时，可就近拍下急停按钮，同样可使设备停止运行。行程开关的选择和安装需经过实验验证，保证性能稳定、运行可靠、能不间断的完成安全急停工作。
基于上述原理，本发明中可编程逻辑器件利用软件实现安全软件限位和霍尔限位，以及未到达行程开关后的电机反转。实际应用中，可编程逻辑器件可以采用FPGA或CPLD实现，本实施例中可编程逻辑器件采用FPGA实现，具体实现安全软件限位和霍尔限位的软件存储在FPGA的控制单元中，软件实现流程如图3所示，具体内容如下：
(1)光电编码器1实时采集电机5的角速度信息并输出给FPGA，FPGA将电机5的角速度信息转化为设备的位置信息，并对该位置信息进行差分处理得到设备的运行速度，进入步骤(2)；
(2)FPGA对每一时刻设备8的位置信息和运行速度进行判断，当设备8没有超过安全运行范围时，设备8继续运行；否则，判断设备8是否超过安全运行速度，如果没有超过，则进入步骤(3)，如果超过，则FPGA启动软件限位，实现一次减速，即根据此时设备8的运行速度向电机输出第一脉冲控制指令，使设备8匀减速运动，且在到达霍尔传感器3时速度降至安全运行速度以下，进入步骤(3)；
(3)当磁铁4随设备8运行到霍尔传感器3正上方时，霍尔传感器3输出给FPGA的霍尔电平信号发生改变，FPGA在霍尔电平信号发生改变后，启动霍尔限位，实现二次减速，即FPGA根据此时设备8的运行速度向电机5输出第二脉冲控制指令，使设备8匀减速运动，且在到达行程开关6之前速度降为0，进入步骤(4)；如果设备8意外运行到行程开关6处，则设备8触发行程开关6断开，电机5电源电路自动切断，使设备8停止运行；
(4)FPGA向电机5输出第三脉冲控制指令，使设备反向运行。
同时，在设备运行过程中，人为实时判断是否需要急停，如果需要，则按下急停按钮7，自动切断电机5的电源电路。实现遇到紧急情况时的随时急停。
本发明未公开的内容为本领域技术人员公知技术。

Claims (3)

1.基于可编程逻辑器件的高速线运动设备的安全急停方法，所述高速线运动设备包括电机(5)、轨道和位于轨道上的设备(8)，其特征在于包括如下步骤：
(1)建立包括光电编码器(1)、可编程逻辑器件(2)、两个霍尔传感器(3)、两块磁铁(4)、两个行程开关(6)和急停按钮(7)的高速线运动设备安全急停装置；光电编码器(1)安装在电机(5)的轴端，两块磁铁(4)安装在设备(8)底部的两端，两个霍尔传感器(3)安装在轨道下方，且位于设备的安全运行范围以外；可编程逻辑器件与光电编码器(1)、霍尔传感器(3)和电机(5)通过信号线连接；两个行程开关(6)和急停按钮(7)串联在电机(5)的电源回路中，且行程开关(6)安装在轨道上，位于两个霍尔传感器(3)以外，行程开关(6)和急停按钮(7)均为常闭开关；
(2)设备(8)运行过程中，人为判断是否需要急停，如果需要，则按下急停按钮(7)，自动切断电机(5)的电源电路，使设备停止运行；否则，进入步骤(3)；
(3)光电编码器(1)实时采集电机(5)的角速度信息并输出给可编程逻辑器件(2)，可编程逻辑器件(2)将电机(5)的角速度信息转化为设备(8)的位置信息，并对该位置信息进行差分处理得到设备(8)的运行速度，进入步骤(4)；
(4)可编程逻辑器件(2)对每一时刻设备(8)的位置信息和运行速度进行判断，当设备(8)没有超过安全运行范围时，设备(8)继续运行；否则，判断设备(8)是否超过安全运行速度，如果没有超过，则进入步骤(5)，如果超过，则可编程逻辑器件(2)向电机输出第一脉冲控制指令，使设备(8)匀减速运动，且在到达霍尔传感器(3)时速度降至安全运行速度以下，进入步骤(5)；
(5)当磁铁(4)随设备(8)运行到霍尔传感器(3)正上方时，霍尔传感器(3)输出给可编程逻辑器件(2)的霍尔电平信号发生改变，可编程逻辑器件(2)在霍尔电平信号发生改变后，向电机(5)输出第二脉冲控制指令，使设备(8)匀减速运动，且在到达行程开关(6)之前速度降为0，进入步骤(6)；如果设备(8)意外运行到行程开关(6)处，则设备(8)触发行程开关(6)断开，电机(5)电源电路自动切断，使设备(8)停止运行；
(6)可编程逻辑器件(2)向电机(5)输出第三脉冲控制指令，使设备(8)反向运行。
2.根据权利要求1所述的基于可编程逻辑器件的高速线运动设备的安全急停方法，其特征在于：
所述两个霍尔传感器(3)之间的距离满足≥2s1+s，其中s为设备(8)的安全运行距离，s1为设备(8)从最大运行速度匀减速至安全运行速度时的行程，vmax为设备(8)的最大运行速度，由电机(5)的最大转速决定；vset为设备(8)的安全运行速度，t1为设备(8)从最大运行速度降低到安全运行速度的时间；
所述两个行程开关(6)之间的距离d满足d≥+2s2，其中s2为设备从安全运行速度匀减速至零时的行程，t2为设备(8)从安全运行速度降低到0的时间。
3.根据权利要求1所述的基于可编程逻辑器件的高速线运动设备的安全急停方法，其特征在于：所述可编程逻辑器件采用FPGA或CPLD实现。
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