第２５卷第２期 ２０１２年４月 常州工学院学报 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｈａｎｇｚｈｏｕ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｖｏ１．２５ Ｎｏ．２ Ａｐｒ．２０１２ 电动推杆式地震模拟平台控制系统的设计 宋向前赵振江 （泰州师范高等专科学校，江苏泰州２２５３００） 摘要为了满足人们了解地震及体验地震的迫切需要，设计了基于现代控制技术的地震模拟 平台。平台采用了革命性产品电动缸作为动作执行件，配以可编程控制器及伺服系统进行驱动，实 现了高精度的震级调整目标。体验平台与计算机进行通讯，使人们在获取地震理论知识的同时还 可以参与地震体验与逃生互动。 关键词ＰＬＣ；电动缸；地震模拟 文献标志码：Ａ 文章编号：１６７１—０４３６（２０１２）０２—００１０—０４ 中图分类号：ＴＨ１３７ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｐｕｓｈ－ｒｏｄ Ｅａｒｔｈｑｕａｋｅ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ Ｐｌａｔｆｏｒｍ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｓｙｓｔｅｍ ＳＯＮＧ Ｘｉａｎｇ—ｑｉａｎ ＺＨＡ０ Ｚｈｅｎｇ￣ｉａｎｇ （Ｔａｉｚｈｏｕ Ｔｅａｃｈｅｒｓ Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｔａｉｚｈｏｕ ２２５３００） Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｓａｔｉｓｆｙ ｔｈｅ ｐｅｏｐｌｅ Ｓ ｕｎｄｅｒｓｔａｎｄｉｎｇ ａｎｄ ｅｘｐｅｒｉｅｎｃｅ ｏｆ ｅａｒｔｈｑｕａｋｅ，ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｄｅ— ｓｉｇｎｓ ａｎ ｅａｒｔｈｑｕａｋｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｐｌａｔｆｏｒｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｍｏｄｅｍ ｃｏｎｔｒｏｌ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．Ｔｈｅ ｐｌａｔｆｏｒｍ ｕｓｅｓ ａ ｒｅｖｏｌｕ— ｔｉｏｎａｒｙ ｐｒｏｄｕｃｔ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｃｙｌｉｎｄｅｒ ａｓ ｅｘｅｃｕｔｉｖｅ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ，ｄｒｉｖｉｎｇ ｉｎ ｔｈｅ ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｅｒ— ＶＯ ｓｙｓｔｅｍ，ａｃｈｉｅｖｅｓ ｈｉｇｈ－ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｍａｇｎｉｔｕｄｅ ａｄｊｕｓｔｍｅｎｔ ｔａｒｇｅｔ．Ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｅｎｃｅ ｏｆ ｐｌａｔｆｏｒｍ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｎｇ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｃｏｍｐｕｔｅｒ ｍａｋｅｓ ｐｅｏｐｌｅ ｎｏｔ ｏｎｌｙ ａｃｑｕｉｒｅ ｓｅｉｓｍｉｃ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ｋｎｏｗｌｅｄｇｅ ｂｕｔ ａｌｓｏ ｐａｒｔｉｃｉｐａｔｅ ｉｎ ｅｘｐｅｆｉ— ｅｎｔｉａｌ ａｎｄ ｅｓｃａｐｅ ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ ＰＬＣ；ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｃｙｌｉｎｄｅｒ；ｅａｒｔｈｑｕａｋｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ Ｏ 引言 自２００８年汶川大地震后，人们了解地震知识 的欲望变得越来越强烈，开展有关地震知识的宣 传教育成为当务之急，为此设计了基于现代可编 程序控制（ＰＬＣ）技术的地震模拟平台。可编程控 确转速控制、精确转数控制和精确扭矩控制转变 成精确速度控制、精确位置控制和精确推力控制。 实践证明电动缸完全可以替代液压缸和气缸，并具 有实现环境更环保，更节能，更干净等优点，很容易 与ＰＬＣ等控制系统连接，实现高精密运动控制。 制器由于其可靠性高、易使用等特点广泛应用于 各个领域的智能控制。地震平台采用了当前的革 命性产品电动缸，摒弃了目前普遍使用的液压缸 及气缸驱动的方式。电动缸是将伺服电机与丝杠 一１系统的组成 １．１平台结构 地震模拟平台采用框架式结构，其部分机械结 构简图如图１所示。地震平台由２个纵向电动缸 及２个支承缸进行支承，可以模拟纵波产生的纵 向震动。此外，为了能模拟横向震动，地震平台采 体化设计的模块化产品，将伺服电机的旋转运 动转换成直线运动，同时将伺服电机最佳优点精 收稿日期：２０１２一Ｏ１．Ｏ６ 作者简介：宋向前（１９８Ｏ一），男，硕士，讲师。 第２期 宋向前，赵振江：电动推杆式地震模拟平台控制系统的设计 １１ 用连杆机构与横向电动缸进行连接。 地震平台 支撑缸 图１地震平台机械结构简图 １．２控制系统 根据系统控制要求，控制系统的结构框图如 图２所示，控制驱动系统的控制核心是上位运动 控制器，采用专用的运动控制型ＰＬＣ。目前许多 ＰＬＣ都可以配置定位模块，有些ＰＬＣ的ＣＰＵ本 身应具备运动控制指令，如脉冲输出指令。驱动 电机系统目前主要有步进电机和伺服电机，步进 电机在运动精度、矩频特性、速度响应及运行特性 等方面均与伺服电机有不小的差距。考虑到地震 模拟平台对转矩的恒定要求（即不能因为震级大 而出现载人时转矩不足的问题）以及对速度响应 的高要求，选择了伺服电机和配套伺服驱动器。 执行机构采用电动缸，又叫电动推杆，相对于液压 缸和气缸，电动推杆具有以下优点：①不需要复杂 的成套系统支持（包括泵，管道，阀门，过滤器，很 多接头等）。②可以节约很多空间，而且在无维 护的情况下，安全可靠地工作。③只需电机驱动， 没有油污的污染，大幅度降低噪音，保持洁净、安 电动缸１ 甲广 ｃ Ｈ 图２地震平台控制系统组成框图 静的工作环境等。电动缸将电机的旋转运动通过 丝杠和丝杠副的机械运动转换为推杆的直线运 动，由于其控制、使用的方便性，将实现气缸和液 压缸传动所不能实现的精密运动控制，其典型内 部结构如图３所示。 图３ 电动缸内部结构图 控制系统的核心采用可编程序控制器，根据地 震平台的控制要求，得到如表１所示的地震平台 ＰＬＣ的Ｉ／Ｏ分配表。本设计中横向电动缸的伺服 电机由ＹＯ和Ｙ１控制，分别作为脉冲和方向；纵向 ２个电动缸的伺服电机由Ｙ２、Ｙ３同步控制。另外， 系统中加人了屏闪灯、烟雾机喷烟等效果，使体验 者可以身临其境地体验真实地震的感觉。除了电 动缸的动作以外，还加入了专用震动电机驱动凸轮 机构产生附加震动，使地震效果多样化。 表１地震平台ＰＬＣ控制系统Ｉ／ｏ分配表 ２控制过程及程序 ２．１运动控制流程 运动控制流程简图如图４所示，按下不同震 级选择按钮后ＰＬＣ开始初始化，对照相应的级别 设定相应电动缸往返运动的位置和速度，在ＰＬＣ 中意味着对应缸的脉冲数和脉冲输出频率。启动 后以自由格式发送命令到上位计算机，调出地震 互动视频，同时控制３个电动缸执行回原点的动 １２ 常州工学院学报 ２０１２矩 作，原点用下限位开关设定。配合地震视频，在震 动开始时ＰＬＣ控制电动缸按地震规律进行动作， 即先纵向震动后横向震动再纵横混合震动的规 律。在地震模拟过程中实时熄灭照明灯，并启动 屏闪灯和烟雾机喷出烟雾，辅以视频声音，制造出 紧张的氛围。欲停止地震，可再次按下震级选择 按钮即可停止。停止同时再次发送停止视频命令 调地震视频命令，并使纵横方向的伺服电机驱动 器使能有效。停止时向计算机发送存放在Ｄ１５１ 中的停止地震视频命令，并复位所有的输出，置位 Ｙ１０使照明灯重新点亮。 到计算机，停止同步地震视频。 ｌ地震启动ｌｌ ｌ ＋ 初始化，如震动频率、幅 度设定等，命令计算机调 视频，３个电动缸执行回 原点动作 根据选择的震级，ＰＬＣ通 过伺服电机控制电动缸按 地震规律进行动作 图４地震动作过程流程简图 ２．２典型程序 地震起停程序如图５和图６所示，本设计为 单键起动停止，为了防止按键抖动或多次重复按 下问题，用Ｍ５０作为中间状态，按Ｘ６后只能在 １ ｓ后才能重新有效。每按下１次Ｘ６，Ｍ１状态取 反１次，利用Ｍ１的上升沿和下降沿去起动和停 止震动。起动时向计算机发送存放在Ｄ１５０中的 图５震动起动控制程序 图６震动停止控制程序 横波震动电动缸回原点程序如图７所示，进 入横向电动缸回原点步后，设定回原点的速度及 最大距离，运动控制器以相对地址和带方向方式 发出脉冲，以Ｙ１为脉冲输出端、Ｙ３为脉冲方向 设置，驱动伺服电机带动电动缸高速回零。回到 原点时开关Ｘ４动作，将立即停止脉冲输出并更 新脉冲数为零，即设定为原点。 图７横波震动电动缸回原点程序 地震模拟动作时，由于发送脉冲的次数多，而 且运动行程的控制紧凑，如采用回原点时的脉冲 指令，由于脉冲指令在主程序中一个脉冲输出口 的指令只能允许出现一次，即使用顺序功能控制 法解决亦会出现程序冗长的问题。因而采用顺序 功能块指令，即ＢＬＯＣＫ指令，该指令是为了实现 某些功能而存在的一段程序块。可以将ＢＬＯＣＫ 理解为一个特殊的流程，在这个特殊的流程里，所 第２期 宋向前，赵振江：电动推杆式地震模拟平台控制系统的设计 １３ 有的程序按照一个原则来执行，即顺序执行原则， 觉，更好地满足了人们通过模拟地震获取地震知 这也是ＢＬＯＣＫ与一般流程最大的不同之处。 ＢＬＯＣＫ开始于ＳＢＬＯＣＫ、结束于ＳＢＬＯＣＫＥ，中 间为编程人员书写指令区。在同一个ＢＬＯＣＫ中 允许包含多个发脉冲指令，脉冲指令将按照触发 条件成立的先后顺序依次执行；同时，先执行的脉 冲指令结束后才开始下一条脉冲指令的执行。只 要顺序功能块的执行条件满足，顺序功能块可以 不断地执行，直至条件不满足为止。ＢＬＯＣＫ的 这种特性为地震动作脉冲的执行带来了方便。图 ８所示为纵横交错运动部分的顺序功能块。 ３ 结论 基于ＰＬＣ技术的地震模拟平台，动作执行机 构采用了当今革命性产品电动缸，很好地替代了 普遍采用的液压缸和气缸，实践证明了电动缸在 多方面的优越性。设计的地震模拟平台可以进行 多级震感的选择，并配合计算机地震视频影片进 行相应的动作，同时加入屏闪灯、烟雾机喷烟等效 果，使体验者可以身临其境地体验真实地震的感 识的迫切需求。 图８纵横交错运动的顺序功能块 ［参考文献］ ［１］徐文灿．电动缸与气缸［Ｊ］．液压气动与密封，２００６（２）：１９— ２３． ［２］唐英．电动缸的传动和受力分析［Ｊ］．重型机械科技，２００７ （４）：１０—１４． ［３］吴丽．电气控制与ＰＬＣ应用技术［Ｍ］．北京：机械工业出版 社，２０１１． 责任编辑：张秀兰
