基于PLC的振動顆粒康復儀控制系統(tǒng)設計與試驗

曲云霞 王夢迪 侯書軍 李慨 白小帆 王世陽

摘要 針對課題組研發(fā)的振動顆?？祻蛢x，完成了控制系統(tǒng)設計并進行了相關試驗，改善了該儀器應用過程中的操作性能。應用光電傳感器與步進驅(qū)動系統(tǒng)的配合實現(xiàn)了零位控制，提高了康復儀啟動的穩(wěn)定性;將康復儀的主要工作參數(shù)（激振頻率、振動方向角）轉(zhuǎn)化為按摩方式、按摩強度等治療參數(shù)，直觀且容易操作;依據(jù)康復儀功能需求、控制系統(tǒng)功能需求，完成控制平臺的搭建，通過離線仿真與在線試驗，實現(xiàn)了康復儀控制系統(tǒng)的模塊化、智能化及治療時間的可調(diào)節(jié)性，為康復患者提供菜單式治療方案。

關 鍵 詞 康復儀;控制系統(tǒng);顆粒流;PLC;仿真;試驗

中圖分類號 TP272;R496 ? ? 文獻標志碼 A

Design and test on control system of particle vibration rehabilitation based on PLC

QU Yunxia， WANG Mengdi， HOU Shujun， LI Kai， BAI Xiaofan， WANG Shiyang

（School of Mechanical Engineering， Hebei University of Technology， Tianjin 300130）

Abstract In this paper， the control system of the vibration particle recovery instrument developed by the research group has been designed and tested， and the operational performance during the application of the instrument has improved.The application of photoelectric sensor and stepping drive system has realized the zero-location control and improved the stability of rehabilitation instrument during start-up;The main working parameters （excitation frequency， vibration direction Angle） of the rehabilitation instrument are converted into therapeutic parameters such as massage method and massage intensity， which are intuitive and easy to operate.According to the functional requirements of the rehabilitation instrument and the control system， the control platform was built.Through offline simulation and online testing， the modularization， intelligence and adjustment of treatment time of the rehabilitation instrument control system have been realized to provide a menu-based treatment plan for rehabilitation patients.

Key words instrument; control system; particle flow; PLC; simulation; test

0 引言

自然災害（如地震、泥石流等）以及非自然事故（如車禍、工傷等）影響著人們的正常生活，當受災人群肢體損傷程度較大時，需要通過手術修復甚至截肢治療，機體的術后恢復是一個比較漫長的過程，對康復治療提出了較高的要求[1-3]?？刂葡到y(tǒng)可使被控對象趨于某種穩(wěn)定狀態(tài)[4-5]，且具有較好的動態(tài)性能[6-7]，臨床治療中要求這種康復設備需要和控制系統(tǒng)結(jié)合，使其具有一定程度上的信息自動處理功能和自動控制功能，優(yōu)化康復治療的效果[8]。

該康復儀旨在為截肢患者提供方便有效的治療方式，其主要工作參數(shù)為激振頻率和振動方向角。激振頻率影響按摩強度，激振頻率越高，振動電機轉(zhuǎn)速越快，振動強度越大，顆粒流對肢體的按摩強度越強;振動方向角影響按摩方式，不同振動方向角下振動電機的空間位姿不同，激振力方向不同，康復儀中顆粒流的運動形式不同，從而實現(xiàn)不同的按摩方式。因此從對以上2種參數(shù)控制角度出發(fā)，根據(jù)康復儀的功能需求，對其控制系統(tǒng)進行設計，以實現(xiàn)其模塊化、智能化及治療時間的可調(diào)節(jié)性，為康復患者提供菜單式治療方案。

1 控制系統(tǒng)的總體方案

設計一套可根據(jù)患者自身恢復狀況選擇治療模式的康復儀控制系統(tǒng)。包括康復儀控制系統(tǒng)需求分析、功能分析、硬件組太和軟件構(gòu)架，以面板形式實現(xiàn)對康復儀的控制，并通過離線仿真與在線試驗驗證控制系統(tǒng)的設計功能、穩(wěn)定性和可靠性。

1.1 振動顆粒康復儀的功能及需求分析

1）提供可選擇的按摩強度模塊，醫(yī)生可根據(jù)正在接受康復訓練患者所處的康復階段進行選擇。對于剛剛接受康復訓練的患者而言，先進行低強度按摩，隨著截肢患者創(chuàng)傷處耐受力的增強，可以接受的刺激強度的增加，而依次增加康復儀的按摩強度。

2）提供可選擇的按摩形式模塊，患者在接受康復訓練時，需要對治療肢體的不同位置進行刺激按摩，且同一位置需要不同的按摩方式，因此需要康復儀能夠提供不同的按摩形式。

3）提供可選擇的時間輸入模塊，根據(jù)截肢患者的恢復狀態(tài)選擇不同的治療時間，提供小時、分鐘、秒的輸入界面，到達設定時間以后，定時指示燈亮，設備停止按摩工作，處于待機狀態(tài)。

1.2 控制系統(tǒng)的主要功能分析

1）康復儀的參數(shù)采集預處理：根據(jù)為患者所選擇的治療方案，對相關工作參數(shù)（按摩強度、按摩形式、按摩時間）進行準確的采集與控制。

2）邏輯控制：通過邏輯順控來實現(xiàn)康復儀相關的操作和動作。

3）急?？刂疲撼P機狀態(tài)外，當設備按照設定好的時間工作時，若出現(xiàn)緊急狀況，可隨時通過急?？刂仆Ｖ箍祻蛢x的工作。

1.3 康復儀控制系統(tǒng)框圖

根據(jù)康復儀功能需求、控制系統(tǒng)功能需求設計控制系統(tǒng)框圖如圖1示。

在康復儀輸入檢測端，零位待機按鈕用以配合傳感器實現(xiàn)振動電機在任何位置的回歸零位控制，對應輸出響應端的零位指示燈;強度選擇按鈕開啟按摩強度選擇界面，對應強度選擇模塊;方式選擇按鈕開啟按摩方式選擇界面，對應方式選擇模塊;時間設定按鈕開啟時間輸入界面，對應時間設定模塊。

1.4 控制系統(tǒng)構(gòu)成

控制系統(tǒng)由控硬件和軟件構(gòu)成，康復儀控制系統(tǒng)主要硬件的選擇如圖2所示。

硬件間的連接關系如圖3所示。

觸摸屏顯示器屏幕前的觸摸檢測部件接受按摩強度、按摩方式、按摩時間等觸摸信號并將其轉(zhuǎn)換成觸點坐標傳送給PLC-CPU，同時又能接收PLC-CPU發(fā)來的命令并加以執(zhí)行;PLC通過對程序的掃描及運行，實現(xiàn)指定按摩強度、按摩方式、按摩時間等任務;PLC自帶高速脈沖控制模塊，通過驅(qū)動器控制步進電機旋轉(zhuǎn)，配合傳感器實現(xiàn)零位控制，并調(diào)節(jié)振動電機至指定空間位姿，從而得到相應的按摩方式;PLC結(jié)合RS-485通信模塊與變頻器進行通信，控制振動電機的轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)激振力大小，從而實現(xiàn)康復儀按摩強度的控制。

選用GX Works2編譯控制系統(tǒng)各功能部分的程序梯形圖，該軟件專用于PLC設計、調(diào)試工作，操作性能好;選用Kinco HMIware編譯觸摸屏的組態(tài)畫面，該軟件自帶模擬功能，達到的效果可以和實物基本一致，方便現(xiàn)場調(diào)試程序時不必重復的下載程序，節(jié)省了許多時間。

2 康復儀各功能模塊子程序

依據(jù)康復儀控制要求，開機后，康復儀處于待機狀態(tài)，控制柜上待機指示燈亮;根據(jù)截肢患者的康復狀態(tài)選擇按摩強度，觸摸屏上強度選擇模塊指示燈亮;根據(jù)治療時對顆粒流運動方式的要求選擇按摩形式，觸摸屏上形式選擇模塊指示燈亮;在時間輸入界面設定時間，當治療時間尚未到達設定時間時，設備一直處于治療狀態(tài)，當治療時間到達 設定時間后，設備停止治療狀態(tài)，并返回待機狀態(tài)?？祻蛢x治療流程如圖4所示。

2.1 通信子程序設計

按摩強度功能模塊用到的變頻器需要和PLC-CPU進行通訊設置，應用MODBUS協(xié)議編寫通信協(xié)議子程序，以實現(xiàn)對振動電機激振力的控制，采用數(shù)據(jù)長度為8位、停止位為1位的偶校驗，波特率（bps）為19 200，硬件類型選用的RS-485模塊，b0～b3為（0 0 0 1）、b4～b7為（1 0 0 1）、b8～b11為（0 0 0 0）、b12～b15為（0 0 0 1）;通訊協(xié)議采用RTU模式設定，b0～b3為（0 0 0 1）、b4～b7為（0 0 0 0）、b8～b11為（0 0 0 0）、b12～b15為（0 0 0 0）;從站響應超時設置為2 000 ms;播放延時設置為400 ms;幀間延時設置為10 ms;重試次數(shù)設置為3次。通信子程序梯形圖如圖5所示。

2.2 系統(tǒng)調(diào)零子程序設計

相比伺服驅(qū)動系統(tǒng)，選用步進驅(qū)動系統(tǒng)減低了成本，但同時使系統(tǒng)為開環(huán)控制，截肢患者接受治療時常需要對振動電機的位姿進行調(diào)整。為保證振動電機位姿調(diào)節(jié)的準確性，提供可靠的按摩方式，并防止振動電機過量的單向旋轉(zhuǎn)造成電機線纏繞而影響康復儀正常工作，為控制系統(tǒng)設計調(diào)零程序，保證每次治療結(jié)束后，振動電機可以回歸零位，系統(tǒng)的調(diào)零控制流程圖如圖6所示。

按下零位按鈕進入調(diào)零狀態(tài)，若此時已是零位狀態(tài)，則零位指示燈亮，康復儀在零位待機;否則進入調(diào)零狀態(tài)，調(diào)零過程為正傳90 °、反轉(zhuǎn)180 °，期間任意時刻到達零位，零位指示燈亮，康復儀在零位待機。該文應用PLC PLSY指令控制步進電機的轉(zhuǎn)速及旋轉(zhuǎn)量。

2.3 按摩強度選擇子程序

振動電機是康復儀的動力源，為其提供激振力，激振力的大小由振動電機轉(zhuǎn)速決定，應用變頻器對振動電機進行調(diào)速控制，并根據(jù)不同激振頻率下康復儀中顆粒流對肢體的按摩強度進行分級，即輸入按摩強度等級，變頻器便會控制振動電機按指定轉(zhuǎn)速工作，康復儀按摩強度選擇控制流程圖如圖7示。

本文應用PLC ADPRW指令實現(xiàn)對振動電機啟、停及調(diào)速控制。

2.4 按摩方式選擇子程序

振動電機的空間位姿決定了康復儀激振平臺的振動方向角，振動方向角影響顆粒流的運動狀態(tài)，顆粒流的運動狀態(tài)又決定了康復儀的按摩方式，因此，控制系統(tǒng)通過對振動電機空間位姿的控制來實現(xiàn)康復儀按摩方式的轉(zhuǎn)變。康復儀按摩方式控制流程圖如圖8所示。

應用PLSY指令將寄存器中輸入的轉(zhuǎn)速、旋轉(zhuǎn)量發(fā)送給步進驅(qū)動系統(tǒng)，通過步進電機的旋轉(zhuǎn)來調(diào)節(jié)振動電機的位姿。

2.5 按摩時間子程序

根據(jù)截肢患者對按摩治療時間的要求為康復儀設定指定的工作時間，到達指定時間后，自動跳轉(zhuǎn)到待機狀態(tài)，應用PLC TCMP指令通過對時間比較結(jié)果的設定控制康復儀的治療、待機，按摩時間設定流程圖如圖9所示。

2.6 觸摸屏組態(tài)畫面設計

根據(jù)康復儀控制系統(tǒng)需要實現(xiàn)的各項功能，應用Kinco HMIware軟件對程序梯形圖中各軟元件進組態(tài)設計，為方便操作，將各功能模塊分區(qū)處理，如圖10所示。

3 控制系統(tǒng)的仿真與試驗

3.1 控制程序的離線調(diào)試

通過更改各軟元件的當前值對所編程序進行離線調(diào)試，如圖11示。

調(diào)試模擬了控制系統(tǒng)的工作過程，分別調(diào)試各功能模塊子程序，結(jié)果符合預期要求，依據(jù)邏輯順控將各功能模塊程序合并，整體調(diào)試，針對程序遺漏的互鎖部分進行修正，并將功能多余重復部分進行改進，至結(jié)果符合控制要求且精煉為止。

3.2 控制程序的在線試驗

控制程序的在線試驗現(xiàn)場如圖12所示。

將在Kinco HMIware軟件中完成的組態(tài)設計導入觸摸屏，如圖10a）所示;將離線調(diào)試好的整個程序進行在線控制試驗，如圖10b）所示;通過康復儀樣機試驗對控制系統(tǒng)各功能模塊進行驗證，如圖10c）所示。

通過在線試驗中對康復儀控制系統(tǒng)各功能模塊進行驗證。振動電機在任意位姿下點擊零位按鈕，電機通過零位控制回歸零位;在強度輸入界面依次輸入1-5，激振力逐漸增大，康復儀中顆粒運動劇烈程度逐漸升高，按摩強度逐漸增強;在按摩方式輸入界面輸入角度，振動電機旋轉(zhuǎn)至指定位置，康復儀中顆粒流的運動形式根據(jù)激振力方向改變而變化，實現(xiàn)不同的按摩方式;在按摩時間輸入界面輸入時間，到達設定時間后，康復儀自動回歸待機狀態(tài)。試驗結(jié)果符合預期要求。

4 結(jié)束語

通過對康復儀的工作需求、控制需求以及控制方案進行分析，對其控制系統(tǒng)進行設計，完成了如下工作。

1）面向輸入端操作便捷的要求，將康復儀的主要工作參數(shù)（激振頻率、振動方向角）轉(zhuǎn)化為按摩方式、按摩強度等治療參數(shù)，更直觀且容易操作。

2）根據(jù)康復儀的功能需求，完成控制平臺的搭建、控制柜的設計與加工和各功能模塊程序的編譯。

3）通過離線調(diào)試與在線試驗，實現(xiàn)了康復儀樣機調(diào)零、按摩強度分級、按摩方式轉(zhuǎn)換、按摩時間可調(diào)節(jié)等功能。

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[責任編輯 ? ?楊 ? ?屹]