歐姆龍PLC組成的伺服控制系統(tǒng)

【摘 要】本項目采用OMRON公司新型PLC及臺達伺服控制系統(tǒng)，對搬運設(shè)備進行定位控制，提高了設(shè)備的控制精度同時又降低了設(shè)備的投資成本，方便了工序的操作。

【關(guān)鍵詞】可編程控制器 HMI 伺服放大器

一、引言

隨著伺服控制技術(shù)的發(fā)展，對于過去由液壓馬達或者變頻器進行定位的設(shè)備，逐步被控制精度更高的伺服控制系統(tǒng)所取代，其定位精度高等優(yōu)點極大的提升工廠技術(shù)裝備的水平，為工廠的質(zhì)量控制及效益的最大化創(chuàng)造了有力的條件。隨著工業(yè)技術(shù)水平的不斷提高，伺服控制也將成為傳動和控制的主要方向之一。

二、方案確定

（一）執(zhí)行機構(gòu)的選型。步進電機的優(yōu)點是價格要比交流伺服電機便宜，缺點是它高速力矩特性較軟，會限制運行速度的提高，從而影響機器的工作效率的提高。而交流伺服電機則能夠勝任高速運行，我們的生產(chǎn)線對搬運中的要求是定位準確精而且運動頻繁故障率低，所以我們選擇伺服系統(tǒng)作為控制部件。本系統(tǒng)采用2臺伺服電機控制，一臺控制水平運動，一臺控制上下運動。選用臺達的ASDA系列伺服系統(tǒng)。

（二）控制系統(tǒng)的選型。專門的數(shù)控系統(tǒng)優(yōu)點是功能很全面，適用于復(fù)雜的運動控制，價格比較高，微型計算機+運動控制卡這種方案，硬件成本比前者要低一些，但是控制軟件的穩(wěn)定性對操作系統(tǒng)依賴性很強，操作系統(tǒng)一旦癱瘓，將直接影響生產(chǎn)的進行。HMI和PLC 本來就是面向工業(yè)環(huán)境設(shè)計的高穩(wěn)定性產(chǎn)品，物理尺寸非常適合安裝在小型設(shè)備上，價格上也比較便宜。控制軟件開發(fā)采用簡單易學的梯形圖語言，控制系統(tǒng)軟件的開發(fā)，調(diào)試很容易，PLC運行非常穩(wěn)定，幾乎不需要程序維護。比較而言： HMI+PLC的方案應(yīng)該是最好的選擇。

三、硬件系統(tǒng)

硬件方案圖：

（一）控制回路。包括按鈕，指示燈等。二次回路采用DC24V，串入急停按鈕控制動力回路接觸器，直接控制供電系統(tǒng)的安全運行。

（二）HMI系統(tǒng)。HMI是整個機器與操作人員進行交流的界面，要考慮方便操作，外形美觀大方。這里選用威綸通的MT6070IH真彩觸摸屏，熒屏寬大，文字清晰，顏色豐富。數(shù)據(jù)的設(shè)定、存儲、記錄、機器的運行都很方便。HMI與PLC采用RS232串行通信連接。

（三）PLC系統(tǒng)。PLC是整個控制系統(tǒng)的核心，它聯(lián)系著HMI和伺服驅(qū)動系統(tǒng)的運行，要求性能可靠，功能上要能夠方便的實現(xiàn)與HMI和伺服驅(qū)動系統(tǒng)的連接。本系統(tǒng)選用歐姆龍的CP1H系列PLC。CPU內(nèi)置2路100KHz高速脈沖輸出，實現(xiàn)X軸，Z軸的運動控制。開關(guān)量輸入/輸出各選用一個16路輸入/輸出模塊。設(shè)備的整個工藝流程的控制主要采用梯形圖語言編寫程序來實現(xiàn)。可通過指令，從CPU 單元的內(nèi)置輸出對脈沖輸出信號進行輸出，并通過接收脈沖輸入的伺服電機或步進電機，執(zhí)行定位或速度控制。在梯形圖程序中，從已連接到通用輸入的CW 限位傳感器和CCW 限位傳感器接收信號，通過OUT 指令寫入輔助區(qū)位。必須從已連接到通用輸入的外部傳感器接收信號，并通過用戶程序?qū)懭胼o助區(qū)?？赏ㄟ^PULS 或PLS2 指令中的操作數(shù)指定脈沖輸出類型。預(yù)先設(shè)定目標頻率、起始頻率、加/ 減速率、方向，執(zhí)行定位控制。當通過ORG 指令執(zhí)行原點搜索時，輸出脈沖以實際運轉(zhuǎn)電機，并通過表示原點接近和原點位置的輸入信號來定義原點位置?？蓮乃欧姍C的內(nèi)置Z 相信號或外部傳感器接收表示原點位置的輸入信號。

（四）伺服驅(qū)動系統(tǒng)。伺服驅(qū)動器和交流伺服電機，X軸、Z軸各一套。伺服驅(qū)動系統(tǒng)選用臺達的伺服驅(qū)動系統(tǒng)，這里采用“脈沖+方向”控制模式，接線從PLC的高速脈沖輸出口引出，接入伺服驅(qū)動器的脈沖輸入口，以及方向信號。ASDA-B2 系列為一開放型伺服驅(qū)動器。驅(qū)動器利用精密的反饋控制及結(jié)合高速運算能力的數(shù)字信號處理器（Digital Signal Processor，DSP），控制IGBT 產(chǎn)生精確的電流輸出，用來驅(qū)動三相永磁式同步交流伺服電機（PMSM）達到精準定位。

（五）傳感器。為了保證各個軸的正常和安全的運行，需要在每個軸的兩端分別安裝一個接近開關(guān)，作為軸的極限位置傳感器，防止運行范圍超出，造成設(shè)備損壞。本設(shè)備所有的伺服控制系統(tǒng)均采用絕對坐標，在每個軸上還要單獨設(shè)置一個零點開關(guān)，作為坐標軸的零點位置。

四、PLC軟件系統(tǒng)

軟件采用梯形圖語言編寫，并且按照功能做出以下分段，以便于以后的程序維護：

信號輸入段：負責輸入信號的采集和管理。

數(shù)據(jù)管理段：負責HMI與PLC之間的數(shù)據(jù)傳輸，存儲和調(diào)用管理，還包括傳遞從HMI上發(fā)出的操作指令。

脈沖輸出段：負責PLC對伺服系統(tǒng)發(fā)出正確的脈沖指令，確保交流伺服電機按照規(guī)定的方向和位置進行運動。

邏輯控制段：負責整個工藝流程的邏輯控制，對絲杠等機械執(zhí)行機構(gòu)進行控制，保證動作按程序正常執(zhí)行。

信號輸出段：負責所有需要輸出的信號進行管理和邏輯轉(zhuǎn)換。

五、注意事項

交流伺服系統(tǒng)是強電系統(tǒng)而且是高電磁輻射源，而PLC，HMI以及它們之間的通信連接是典型的弱電系統(tǒng)，很容易受到強電磁輻射的干擾，因此在硬件布置上要盡量增加強電系統(tǒng)與弱電系統(tǒng)之間的安裝距離，減少電磁干擾帶來的不利影響。同時考慮通信電纜與動力電纜之間的安裝方式，一般遵循這樣的原則：通信電纜采用屏蔽電纜，并且要單點屏蔽層接地；交流伺服的動力電纜最好也要屏蔽，并且在伺服驅(qū)動器的這一端進行屏蔽層接地，電纜長度盡量的短；通信電纜與動力電纜盡量避免近距離平行布線。

六、結(jié)語

HMI+PLC+伺服系統(tǒng)是一個典型的小型的數(shù)控系統(tǒng)。它價格比常規(guī)的數(shù)控系統(tǒng)相比較，價格低廉，界面友好，功能強大，精度高，特別適合于小型機床上使用。

經(jīng)實際使用驗證表明：這種系統(tǒng)性能非常穩(wěn)定可靠，工況良好，加工出的產(chǎn)品質(zhì)量合格穩(wěn)定。