雙PLC技術(shù)在多軸運動控制中的應(yīng)用

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（上海理工大學(xué) 機械工程學(xué)院，上海 200093）

1 引言

館外智能圖書館是為讀者提供本地圖書借閱和預(yù)約等服務(wù)的圖書館自助服務(wù)終端。館外智能圖書館的結(jié)構(gòu)見圖1。由圖1可知該系統(tǒng)的機械部分劃分為：智能書架和圖書吐納設(shè)備2部分。其中智能書架部分主要功能是圖書存儲，并為借還書提供取放書服務(wù)。圖書吐納設(shè)備主要提供以下2種功能：1）將從智能書架上取出的圖書傳遞給讀者；2）將讀者歸還的書傳遞給智能書架的機械手，以便將圖書放回書架，供其他讀者借閱此書。從它們各自的功能和整個系統(tǒng)的功能可以看出，兩部分之間既在功能上獨立，同時又需要相互協(xié)調(diào)完成部分功能，如當(dāng)讀者發(fā)出借書指令后，首先由書架部分的機械手將相應(yīng)的書從書架上取出，然后傳遞給圖書吐納設(shè)備，在這個過程中需要相互的位置協(xié)調(diào)，再由圖書吐納設(shè)備將書提供給讀者。為實現(xiàn)這些功能，該系統(tǒng)的運動部分被設(shè)計為具備5個運動軸的多軸系統(tǒng)。其中智能書架部分包含4個運動軸：機械手前后運動軸，機械手上下運動軸，機械手旋轉(zhuǎn)運動軸以及機械手伸縮運動軸。而圖書吐納機構(gòu)包含的運動軸為書盒翻轉(zhuǎn)運動軸。

圖1 館外智能圖書館結(jié)構(gòu)Fig.1 The structure of the outside intelligent library

本文根據(jù)該系統(tǒng)的特點和控制要求，結(jié)合永宏P(guān)LC在運動控制中的先進理念設(shè)計了基于永宏FBs－32MC系列PLC的雙PLC多軸運動控制系統(tǒng)。

2 多軸運動控制方案分析

所謂多軸運動控制泛指運動控制軸在兩軸及以上的運動控制系統(tǒng)。目前市面上的大部分小型PLC都能夠支持本機4軸控制，這其中以松下的FX系列PLC和永宏的FBs系列PLC為典型代表。這類PLC的出現(xiàn)給一般的多軸運動控制帶來了方便的同時也大幅降低了多軸系統(tǒng)的控制成本，因此關(guān)于4軸及以下的運動控制不在本文的討論范圍內(nèi)。本文主要討論了5軸及以上的多軸運動控制系統(tǒng)，并結(jié)合館外智能圖書館的運動控制系統(tǒng)給出了一個5軸運動控制系統(tǒng)的實例。

在采用小型PLC的多軸運動控制系統(tǒng)中，為解決本機控制能力不足問題，可采用以下幾種方法實現(xiàn)：PLC擴展運動控制模塊，PLC組成多機網(wǎng)絡(luò)，采用總線型伺服系統(tǒng)等方法。這些方法各有優(yōu)缺點，通過比較，在館外智能圖書館多軸運動控制系統(tǒng)中選取了PLC組成多機網(wǎng)絡(luò)的方法來實現(xiàn)多軸運動控制。

在由永宏P(guān)LC組成的多機網(wǎng)絡(luò)型多軸控制系統(tǒng)中，為實現(xiàn)多軸控制可采用以下2種方法：1）2臺PLC作為對等PLC，即兩機各自獨立完成相應(yīng)的運動控制功能，彼此間通過數(shù)據(jù)通信實現(xiàn)相關(guān)信息的傳遞，或者通過地方三方傳遞參數(shù)的方式實現(xiàn)信息共享，這種方法幾乎被目前市面上所有類型的PLC所支持，是一種通用的控制策略。2）以一臺PLC作為主PLC，另一臺作為從PLC，實現(xiàn)運動軸的擴展。在該系統(tǒng)中所有的運算邏輯都在主PLC中完成，而從機僅僅擔(dān)負(fù)脈沖輸出的功能，兩機之間采用主機中內(nèi)建的高速聯(lián)機指令通過內(nèi)存共享來實現(xiàn)信息傳遞。永宏P(guān)LC采用獨特的運動控制指令表格方式實現(xiàn)運動控制功能，使得程序開發(fā)人員能夠在主機中像操作本機運動控制功能一樣實現(xiàn)對從機運動控制功能的使用。這給程序開發(fā)提供了方便，同時也減少了開發(fā)工作量，在這樣的系統(tǒng)中基本上不需要雙機聯(lián)調(diào)。通過比較分析并結(jié)合系統(tǒng)自身特點在館外智能圖書館控制方案選取過程中最終采用第2種方法。該系統(tǒng)的雙機網(wǎng)絡(luò)如圖2所示，同時需要指出的是，該網(wǎng)絡(luò)最多可滿足8軸運動控制的需要。

圖2 智能圖書館的控制網(wǎng)絡(luò)Fig.2 The control mesh of the intelligent library

3 控制方案設(shè)計

3.1 永宏P(guān)LC運動控制基礎(chǔ)

與其它PLC采用指令驅(qū)動的運動控制方式不同，永宏P(guān)LC在處理運動控制過程中采用一種表格驅(qū)動方式。該方式也是其在處理諸如通信等大數(shù)據(jù)量指令中的一種普遍方法。采用該方式為程序員靈活配置運動控制方案提供了方便，本文將基于該表格展開討論。一般利用永宏P(guān)LC實現(xiàn)運動控制需要經(jīng)過硬件組態(tài)，參數(shù)表格配置，運動控制表格配置，相關(guān)指令啟動幾個步驟。

3.1.1 永宏P(guān)LC運動控制的硬件組態(tài)

為了利用永宏P(guān)LC的高速定位指令實現(xiàn)定位控制，首先需要對脈沖輸出通道進行硬件組態(tài)。該工作可以通過程序組態(tài)軟件WinProladder完成。WinProladder是永宏公司提供的一個功能強大的PLC梯形圖程序開發(fā)平臺，同時通過該平臺可以完成系統(tǒng)開發(fā)過程中所需要的所有軟硬件資源的組態(tài)工作。其中為了實現(xiàn)運動控制需要做的硬件組態(tài)工作為把相應(yīng)的輸出端口配置為脈沖輸出模式，并對脈沖的形式進行配置。該工作通過調(diào)用系統(tǒng)提供的I／O組態(tài)工具的輸出設(shè)定模塊完成，其操作界面如圖3所示。

圖3 I／O組態(tài)工具Fig.3 The I／O configuration tool

由圖3可知，對一個高速脈沖輸出通道的設(shè)置主要是指定端口輸出脈沖的形式，共有4種，這使得系統(tǒng)能夠更加靈活地適應(yīng)外部被控對象的硬件接口，本系統(tǒng)選擇了PLS＋DIR信號的形式。而輸出脈沖極性指的是輸出正轉(zhuǎn)脈沖信號時方向信號的電平狀態(tài)，在這里采用默認(rèn)值。該功能主要應(yīng)用在當(dāng)外部執(zhí)行器不能通過參數(shù)設(shè)置改變運轉(zhuǎn)方向的場合。在完成了硬件組態(tài)以后便是對參數(shù)表格進行配置。

3.1.2 永宏P(guān)LC運動控制的參數(shù)驅(qū)動表格

在利用PLC實現(xiàn)運動控制時，常常會希望在指定位置或速度參數(shù)的時候能夠執(zhí)行機構(gòu)相應(yīng)參數(shù)的度量單位一致，通常情況下為了實現(xiàn)這一目標(biāo)必須在程序里面進行大量的數(shù)學(xué)運算才能達到這個效果，而為了實現(xiàn)加減速的控制則必須編寫復(fù)雜的加減速程序或進行大量的特殊寄存器的配置，這對一般的程序員來說顯得極不方便。永宏P(guān)LC基于表格的配置模式使得這一切變得非常容易。通過對一種被稱之為“伺服參數(shù)表格”的參數(shù)集進行配置可以方便地實現(xiàn)以上功能及其它一些附加功能。如對位置參數(shù)單位的設(shè)置，位置倍率設(shè)置，最大速度限制，加減速時間設(shè)置，以及與建立參考點的有關(guān)的輸入信號的相關(guān)信息配置等。特別是最后一個配置使得建立系統(tǒng)參考點的工作變得十分容易，當(dāng)完成該配置以后，只需要在程序中使用相關(guān)指令并根據(jù)實際的運動模型正確配置相關(guān)模式便可輕松實現(xiàn)該參考點建立的功能。

一般情況下PLC系統(tǒng)會提供一個默認(rèn)的伺服參數(shù)表格，如果程序員對相應(yīng)的參數(shù)不進行配置，系統(tǒng)將會按照默認(rèn)表格參數(shù)進行相關(guān)處理。要獲取默認(rèn)表格的參數(shù)可以通過查閱手冊或在Win Proladder建立一張伺服參數(shù)表格的方式實現(xiàn)。當(dāng)該表格不能滿足應(yīng)用需要時，可在建立伺服參數(shù)表格后對相關(guān)的參數(shù)進行配置，以滿足應(yīng)用的需要。關(guān)于如何配置限于篇幅在此不作說明。參數(shù)表格的建立只是為配置相關(guān)參數(shù)準(zhǔn)備數(shù)據(jù)源的一個過程，為把這些參數(shù)和需要配置的通道建立起對應(yīng)關(guān)系，還要在程序中調(diào)用FUN141（MPARA）指令來指定所建表格和對應(yīng)通道的關(guān)系。值得指出的是，該指令一旦出現(xiàn)在梯形圖中，只要不出現(xiàn)語法錯誤，在梯形圖掃描的每一個周期，它都會被執(zhí)行，即默認(rèn)其使能信號被一直認(rèn)為有效，圖4給出了在館外智能圖書館程序中使用的伺服參數(shù)表格及FUN41指令應(yīng)用的一個示例。

在完成了以上工作后，便可以通過配伺服命令表格來建立相應(yīng)的運動控制方案。

圖4 伺服參數(shù)表格及FUN41示例Fig.4 Sheet of servo parameter and the example about FUN41

3.1.3 永宏P(guān)LC的脈沖指令及運動控制表格

永宏P(guān)LC內(nèi)建高速脈沖輸出指令FUN140（HSPSO）運作過程中主要需要以下3個參數(shù)：1）脈沖輸出通道Gp，可取值為0～3，分別代表了4個不同的脈沖輸出通道。2）SR定位程序表格寄存器起始地址即相應(yīng)控制方案的師傅命令表格的首地址，該寄存器集的前兩個用于說明表格的類型和定位程序的步數(shù)，最多支持256步，每步占用9個寄存器分別定義了定位過程中所需要的脈沖輸出速度，目標(biāo)位置計算方法（相對計算／絕對計算），目標(biāo)位置，目標(biāo)位置倍率（這個需要對應(yīng)的伺服參數(shù)表格中的3號參數(shù)：最小單位設(shè)定配合），以及定位步驟之間的轉(zhuǎn)移條件等。3）指令運算采用寄存器組，該寄存器組由連續(xù)的7個WR數(shù)據(jù)寄存器構(gòu)成，其中WR＋0寄存器標(biāo)明了程序當(dāng)前正在運行的定位步驟或當(dāng)前暫停步驟，這使得程序員可以通過對該寄存器的操作來跳過程序控制過程中在特定情況下無須執(zhí)行的步驟。第2個寄存器WR＋1指明了由SR所確定的定位程序的總步數(shù)和指令的當(dāng)前執(zhí)行情況，可以按位尋址，來判斷指令執(zhí)行的結(jié)果、異常執(zhí)行中，單步完成等。其具體涵義見表1。

表1 FUN140運行參數(shù)WR明細(xì)Tab.1 WR particular operating parameter about FUN140

圖5為一個利用該指令開發(fā)的運動控制軸實例。

圖5 利用永宏FUN140指令開發(fā)順序定位程序Fig.5 Use the FATEK FUN140instruction to develop the program of sequential location

3.2 館外智能圖書館的雙PLC系統(tǒng)的實現(xiàn)

基于前述特點，在智能圖書館的控制系統(tǒng)中通過以下方法實現(xiàn)了運動軸控制的擴展。首先，為了能夠?qū)崿F(xiàn)控制參數(shù)的傳遞需要建立主從機內(nèi)存單元的內(nèi)容映射，這一功能是利用高速聯(lián)機指令FUN151（CLINK）實現(xiàn)的，具體的映射關(guān)系見表2。

表2 智能圖書館中的主從數(shù)據(jù)映射Tab.2 The data mapping of principal and subordinate about the intelligent library

指令FUN151（CLINK）也是基于表格執(zhí)行的，在該系統(tǒng)中用于實現(xiàn)內(nèi)存映射的指令表格和程序如圖6所示。

在建立了映射關(guān)系以后就可以在主機中通過建立相應(yīng)的定位程序表格，可以像控制本機的脈沖輸出通道一樣來控制從機的脈沖輸出通道，從而實現(xiàn)所需要的定位功能。

圖6 數(shù)據(jù)共享表格與相關(guān)程序Fig.6 The data sharing form and relative program

在本系統(tǒng)中涉及的一個通過主從即實現(xiàn)控制軸的控制表格和程序（見圖6），R1000作為從機定位表格的起始地址，M50作為啟動定位的標(biāo)志位，指令運作標(biāo)志寄存器為R0起始的連續(xù)7個單元，主機通過R1的位解析來獲取當(dāng)前定位指令的執(zhí)行情況，并給出必要的步間轉(zhuǎn)移條件，作出其它相應(yīng)處理，從而實現(xiàn)了圖書吐納機構(gòu)的吐書動作。關(guān)于還書動作的相關(guān)配置限于篇幅在此就不加說明了。

4 結(jié)論

基于該方法實現(xiàn)的多軸運動控制系統(tǒng)很好地滿足了館外智能圖書館的控制要求。但在程序開發(fā)的同時也注意到采用該方法需要占用主機較多的內(nèi)存單元來實現(xiàn)定位控制，同時也增加了主機的運算量，在進行簡單擴展時能夠滿足系統(tǒng)對控制系統(tǒng)的性能要求，但在大型系統(tǒng)中若需進行運動控制還是不宜采用該方法，第一種擴展模式是一種比較理想的處理方法。

［1］周晶晶，蔡錦達，錢煒，等.自助式圖書借還裝置［J］.機械制造，2010，48（11）：37－39.

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［3］王學(xué)軍.多軸運動控制系統(tǒng)的控制方式［J］.電子工業(yè)專用設(shè)備，2002，31（3）：163－166.

［4］付玉升.一種實現(xiàn)多軸控制的經(jīng)濟解決方案［J］.制造技術(shù)與機床，2004（3）：19－20.