基于可編程邏輯器件的高速線運(yùn)動(dòng)設(shè)備的安全急停方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種高速線運(yùn)動(dòng)設(shè)備的安全急停方法，尤其涉及一種基于可編程邏輯 器件的安全急停方法，適用于數(shù)控機(jī)床、貨運(yùn)升降機(jī)、皮帶運(yùn)輸機(jī)等工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域，并能根 據(jù)用戶需求，拓展應(yīng)用于軌道攝像系統(tǒng)、快速動(dòng)目標(biāo)跟蹤拍攝等領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 在數(shù)控機(jī)床、皮帶運(yùn)輸機(jī)、貨運(yùn)升降機(jī)等工業(yè)設(shè)備領(lǐng)域，高速、高精、高效、復(fù)合是 這些工業(yè)設(shè)備的發(fā)展方向。在一臺(tái)高速、復(fù)雜的工業(yè)設(shè)備中，安全可靠性是一個(gè)必要條件。 所以，評(píng)價(jià)一臺(tái)工業(yè)設(shè)備的優(yōu)劣，不僅需要功能的強(qiáng)大，也需要關(guān)注其安全性能。故急?；?路是必不可少且有著至關(guān)重要意義的一個(gè)回路，用于設(shè)備出現(xiàn)緊急情況時(shí)，使設(shè)備立即停 止運(yùn)動(dòng)或是切斷動(dòng)力裝置（如伺服驅(qū)動(dòng)器等）的主電源，避免造成設(shè)備和人員傷害，提高設(shè) 備的安全性能和自身產(chǎn)品附加值。
[0003] 急停裝置的操作機(jī)構(gòu)包括蘑菇型按鈕，金屬絲、繩、棒，手柄，無(wú)防護(hù)罩的腳踏板 等。急停裝置在安裝和使用中的技術(shù)要點(diǎn)是：（1)急停功能不應(yīng)用來(lái)代替安全防護(hù)措施和 其他安全功能，僅作為一種補(bǔ)充防護(hù)措施。急停功能不應(yīng)削弱保護(hù)裝置或帶有其他安全功 能裝置的有效性。（2)急停功能應(yīng)使得在急停裝置動(dòng)作后，以合適的方式停止設(shè)備的危險(xiǎn)運(yùn) 動(dòng)和操作，而不產(chǎn)生附加危險(xiǎn)。（3)當(dāng)急停指令發(fā)出且設(shè)備已完成急停操作，該指令的作用 應(yīng)始終保持到手動(dòng)復(fù)位為止，并只能對(duì)發(fā)出急停指令的那一部位進(jìn)行復(fù)位。（4)急停裝置應(yīng) 位于每個(gè)操作者控制位置，以及通過(guò)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估確定的其他位置，其配置應(yīng)位于操作者最容 易接近的地方，當(dāng)操作者雙手因作業(yè)時(shí)不能脫開(kāi)時(shí)，應(yīng)設(shè)置在身體其他部位（如膝蓋）易于 接近的地方。
[0004] 目前在高速線運(yùn)動(dòng)設(shè)備中通常采用緊急停止按鈕和超程處理方式（將應(yīng)用于數(shù) 控機(jī)床、貨運(yùn)升降機(jī)、皮帶運(yùn)輸機(jī)等工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域的包括電機(jī)、軌道和位于軌道上的設(shè)備在 內(nèi)的一套裝置稱為高速線運(yùn)動(dòng)設(shè)備）。一般緊急停止回路將急停開(kāi)關(guān)串聯(lián)至設(shè)備主電源或 者動(dòng)力裝置電源。當(dāng)設(shè)備在高速運(yùn)行時(shí)，當(dāng)由于故障或者人員誤操作觸發(fā)急停按鈕時(shí)，設(shè)備 由于其高速運(yùn)行的慣性很有可能直接損害設(shè)備或者由于電機(jī)快速停止而導(dǎo)致電機(jī)出現(xiàn)過(guò) 大的再生電流，損壞電機(jī)。所以在實(shí)際使用中，應(yīng)加以設(shè)備行程范圍限定，當(dāng)出現(xiàn)超程時(shí)及 時(shí)進(jìn)行報(bào)警提示，避免頻繁觸發(fā)急停裝置。在通常設(shè)計(jì)中，會(huì)在軟件中設(shè)定設(shè)備的行程范 圍，當(dāng)設(shè)備超行程時(shí)觸發(fā)軟件限位時(shí)電機(jī)減速停止并只能反向工作。電機(jī)直接減速同樣存 在慣性、再生電流等因素的影響。且實(shí)際應(yīng)用中外部環(huán)境存在電磁干擾等影響因素，軟件限 位容易收到影響存在程序失效跑飛等情況，導(dǎo)致軟件限位失效。因此，在高速線運(yùn)動(dòng)設(shè)備的 安全急停電路設(shè)計(jì)中，應(yīng)考慮設(shè)備的多級(jí)減速和預(yù)防軟件失效的多級(jí)防護(hù)措施。通過(guò)多級(jí) 減速方式，能夠減少瞬間減速對(duì)設(shè)備和電機(jī)造成的損害；通過(guò)多級(jí)保護(hù)，防止一級(jí)減速失效 后設(shè)備不能安全急停。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明解決的技術(shù)問(wèn)題是：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供基于可編程邏輯器件的高 速線運(yùn)動(dòng)設(shè)備的安全急停方法，能有效地避免高速線運(yùn)動(dòng)設(shè)備因超過(guò)量程產(chǎn)生的過(guò)沖事 故，并且通過(guò)一次設(shè)置，即可全自動(dòng)的進(jìn)行超程檢測(cè)和控制，必要時(shí)完成急停動(dòng)作，減少人 為監(jiān)控和干預(yù)，保護(hù)人員和設(shè)備安全，使設(shè)備安全可靠運(yùn)行。
[0006] 本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：基于可編程邏輯器件的高速線運(yùn)動(dòng)設(shè)備的安全急停方 法，所述高速線運(yùn)動(dòng)設(shè)備包括電機(jī)、軌道和位于軌道上的設(shè)備，其特征在于包括如下步驟：
[0007] (1)建立包括光電編碼器、可編程邏輯器件、兩個(gè)霍爾傳感器、兩塊磁鐵、兩個(gè)行程 開(kāi)關(guān)和急停按鈕的高速線運(yùn)動(dòng)設(shè)備安全急停裝置；光電編碼器安裝在電機(jī)的軸端，兩塊磁 鐵安裝在設(shè)備底部的兩端，兩個(gè)霍爾傳感器安裝在軌道下方，且位于設(shè)備的安全運(yùn)行范圍 以外；可編程邏輯器件與光電編碼器、霍爾傳感器和電機(jī)通過(guò)信號(hào)線連接；兩個(gè)行程開(kāi)關(guān) 和急停按鈕串聯(lián)在電機(jī)的電源回路中，且行程開(kāi)關(guān)安裝在軌道上，位于兩個(gè)霍爾傳感器以 夕卜，行程開(kāi)關(guān)和急停按鈕均為常閉開(kāi)關(guān)；
[0008] (2)設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中，人為判斷是否需要急停，如果需要，則按下急停按鈕，自動(dòng)切 斷電機(jī)的電源電路，使設(shè)備停止運(yùn)行；否則，進(jìn)入步驟（3);
[0009] (3)光電編碼器實(shí)時(shí)采集電機(jī)的角速度信息并輸出給可編程邏輯器件，可編程邏 輯器件將電機(jī)的角速度信息轉(zhuǎn)化為設(shè)備的位置信息，并對(duì)該位置信息進(jìn)行差分處理得到設(shè) 備的運(yùn)行速度，進(jìn)入步驟（4);
[0010] (4)可編程邏輯器件對(duì)每一時(shí)刻設(shè)備的位置信息和運(yùn)行速度進(jìn)行判斷，當(dāng)設(shè)備沒(méi) 有超過(guò)安全運(yùn)行范圍時(shí)，設(shè)備繼續(xù)運(yùn)行；否則，判斷設(shè)備是否超過(guò)安全運(yùn)行速度，如果沒(méi)有 超過(guò)，則進(jìn)入步驟（5)，如果超過(guò)，則可編程邏輯器件向電機(jī)輸出第一脈沖控制指令，使設(shè)備 勻減速運(yùn)動(dòng)，且在到達(dá)霍爾傳感器時(shí)速度降至安全運(yùn)行速度以下，進(jìn)入步驟（5);
[0011] (5)當(dāng)磁鐵隨設(shè)備運(yùn)行到霍爾傳感器正上方時(shí)，霍爾傳感器輸出給可編程邏輯器 件的霍爾電平信號(hào)發(fā)生改變，可編程邏輯器件在霍爾電平信號(hào)發(fā)生改變后，向電機(jī)輸出第 二脈沖控制指令，使設(shè)備勻減速運(yùn)動(dòng)，且在到達(dá)行程開(kāi)關(guān)之前速度降為〇,進(jìn)入步驟（6);如 果設(shè)備意外運(yùn)行到行程開(kāi)關(guān)處，則設(shè)備觸發(fā)行程開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，電機(jī)電源電路自動(dòng)切斷，使設(shè)備 停止運(yùn)行；
[0012] (6)可編程邏輯器件向電機(jī)輸出第三脈沖控制指令，使設(shè)備反向運(yùn)行。
[0013] 所述兩個(gè)霍爾傳感器之間的距離1滿足1多2Sl+s，其中s為設(shè)備的安全運(yùn)行距 離，81為設(shè)備從最大運(yùn)行速度勾減速至安全運(yùn)行速度時(shí)的行程…?為設(shè) 備的最大運(yùn)行速度，由電機(jī)的最大轉(zhuǎn)速?zèng)Q定；vset為設(shè)備的安全運(yùn)行速度，ti為設(shè)備從最大 運(yùn)行速度降低到安全運(yùn)行速度的時(shí)間；
[0014] 所述兩個(gè)行程開(kāi)關(guān)之間的距離d滿足d多l(xiāng)+2s2，其中&為設(shè)備從安全運(yùn)行速度 勻減速至零時(shí)的行程，& = 〖2為設(shè)備從安全運(yùn)行速度降低到0的時(shí)間。 L
[0015] 所述可編程邏輯器件采用FPGA或CPLD實(shí)現(xiàn)。
[0016] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于：
[0017] 1.本發(fā)明采用軟件限位、霍爾限位和行程開(kāi)關(guān)限位三重保護(hù)：三重軟硬件保護(hù)手 段可有效避免高速線運(yùn)動(dòng)設(shè)備超過(guò)量程運(yùn)行產(chǎn)生的過(guò)沖問(wèn)題，減少事故發(fā)生，保護(hù)人員和 設(shè)備安全。
[0018] 2.本發(fā)明具有自檢測(cè)和抗干擾功能：基于可編程邏輯器件進(jìn)行設(shè)備行程、速度設(shè) 定與檢測(cè)，能有效減少設(shè)備運(yùn)行時(shí)因高速開(kāi)關(guān)的輸出電流等帶來(lái)的干擾，使設(shè)備更加穩(wěn)定、 安全、可靠。
[0019] 3.本發(fā)明采用了非接觸測(cè)量方式：使用霍爾傳感器進(jìn)行設(shè)備超程限位，霍爾傳感 器件具有體積小、安裝方便、非接觸測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)安裝空間要求小，并且非接觸測(cè)量不會(huì) 干擾設(shè)備的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。
[0020] 4.本發(fā)明的三次限位可全自動(dòng)完成超程急停動(dòng)作，無(wú)需人員參與：行程開(kāi)關(guān)與急 停開(kāi)關(guān)串聯(lián)進(jìn)行超程急停，在緊急情況下當(dāng)設(shè)備運(yùn)動(dòng)至行程開(kāi)關(guān)時(shí)直接切斷設(shè)備電機(jī)電 源，避免因人工參與急停動(dòng)作產(chǎn)生的延時(shí)問(wèn)題。
[0021] 5.本發(fā)明具備可設(shè)置性和可移植性：在設(shè)備上霍爾傳感器與行程開(kāi)關(guān)安裝位置 可根據(jù)設(shè)備不同的運(yùn)行環(huán)境和運(yùn)行速度進(jìn)行設(shè)置，安裝簡(jiǎn)易、調(diào)節(jié)方便，可以滿足高速線運(yùn) 動(dòng)設(shè)備在各種不同工作條件下的安全急停需求。
【附圖說(shuō)明】
[0022] 圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)框圖；
[0023] 圖2為本發(fā)明的軟件限位和霍爾限位原理框圖；
[0024] 圖3為本發(fā)明FPGA中軟件的實(shí)現(xiàn)流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0025] 如圖1所示，為本發(fā)明結(jié)構(gòu)框圖。高速線運(yùn)動(dòng)設(shè)備包括電機(jī)5、軌道和位于軌道上 的設(shè)備8,本發(fā)明由光電編碼器1、可編程邏輯器件2、兩個(gè)霍爾傳感器3、兩塊磁鐵4、電機(jī) 5、兩個(gè)行程開(kāi)關(guān)6、急停按鈕7組成。光電編碼器1安裝在電機(jī)5軸端，兩塊磁鐵4安裝在 設(shè)備8底部的兩端，兩個(gè)霍爾傳感器3安裝在軌道下方，且位于設(shè)備8的安全運(yùn)行范圍以 夕卜，磁鐵4和霍爾傳感器3之間保持適當(dāng)?shù)母袘?yīng)距離，當(dāng)磁鐵4隨設(shè)備8運(yùn)行到霍爾傳感器 3上方時(shí)，霍爾傳感器3的感應(yīng)面能夠感應(yīng)到磁鐵的磁場(chǎng)；可編程邏輯器件與光電編碼器1、 霍爾傳感器3和電機(jī)5通過(guò)信號(hào)線連接；兩個(gè)行程開(kāi)關(guān)6和急停按鈕7串聯(lián)在電機(jī)5的電 源回路中，且行程開(kāi)關(guān)6安裝在軌道上，位于兩個(gè)霍爾傳感器3以外（使得兩個(gè)行程開(kāi)關(guān)6 之間的距離大于兩個(gè)霍爾傳感器3之間的距離），是高速線運(yùn)動(dòng)設(shè)備運(yùn)行的極限位置。行程 開(kāi)關(guān)6和急停按鈕7均為常閉開(kāi)關(guān)；
[0026] 本發(fā)明采用軟件限位、霍爾限位和行程開(kāi)關(guān)限位三種保護(hù)措施。采用可編程邏輯 器件進(jìn)行人機(jī)交互，在可編程邏輯器件中設(shè)定設(shè)備安全運(yùn)行范圍及安全運(yùn)行速度，并進(jìn)行 設(shè)備行程與速度檢測(cè)，超出設(shè)定值時(shí)觸發(fā)軟件限位，實(shí)現(xiàn)一次減速；采用霍爾傳感器設(shè)置硬 件限位位置，當(dāng)設(shè)備超過(guò)霍爾限位位置時(shí)實(shí)現(xiàn)二次減速，設(shè)備減速停止并只能反向運(yùn)動(dòng)；采 用行程開(kāi)關(guān)進(jìn)行超程急停，切斷設(shè)備電機(jī)電源。本發(fā)明提供一種可以用于高速線運(yùn)動(dòng)設(shè)備 的安全急停方法，基于可編程邏輯器件，人機(jī)交互便利，可根據(jù)不同需求設(shè)定設(shè)備安全轉(zhuǎn)速 及行程范圍；采用