基于PLC和變頻器的位置控制系統(tǒng)

靳永周

摘 要：文章介紹了以三菱Q系列PLC控制器為平臺(tái)，使用SEW MOVIDRIVE變頻器、三菱GOT觸摸屏，通過PROFIBUS開放式現(xiàn)場總線技術(shù)構(gòu)成的高精度變頻位置控制系統(tǒng)在汽車焊裝車間車身輸送線的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：PLC；變頻控制；旋轉(zhuǎn)變壓器；

引言

目前，變頻器調(diào)速控制系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于汽車、機(jī)械、化工等各個(gè)行業(yè)。作為變頻調(diào)速系統(tǒng)中的控制核心部分的變頻控制器，最初通過變頻器的控制面板或端子進(jìn)行運(yùn)行參數(shù)的設(shè)置，啟動(dòng)或停止變頻器運(yùn)行。而目前各種大中型自動(dòng)化生產(chǎn)線則多要求由PLC、變頻器等組成的閉環(huán)控制系統(tǒng)等復(fù)雜的控制，并且要方便設(shè)置系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)、運(yùn)行速度等，形成連續(xù)柔性生產(chǎn)線的調(diào)速控制系統(tǒng)。

擺桿式往復(fù)輸送線是我公司在汽車廠白車身焊接總成件裝焊生產(chǎn)中采用的一種輸送機(jī)構(gòu)。這是一種能與焊裝夾具及焊接機(jī)器人系統(tǒng)配套使用的對(duì)自動(dòng)化程度要求較高的一種輸送線，尤其對(duì)車身的精確位置控制方面有較高要求。本系統(tǒng)采用了三菱Q系列高性能PLC，通過PROFIBUS現(xiàn)場總線技術(shù)，對(duì)內(nèi)置IPOS定位控制模塊的SEW-MDX61B變頻器進(jìn)行控制，驅(qū)動(dòng)以旋轉(zhuǎn)變壓器作為位置反饋元件的伺服電機(jī)，構(gòu)成了閉環(huán)的速度和位置控制系統(tǒng)。 此系統(tǒng)還應(yīng)用了GOT系列HMI監(jiān)控設(shè)備，不僅能對(duì)輸送線進(jìn)行實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)視，還可以通過HMI監(jiān)控設(shè)備修改系統(tǒng)的各個(gè)參數(shù)。

1 工藝原理及要求

擺桿式往復(fù)輸送線的工作原理是輸送線整體抬升將車身工件抬離焊接夾具， 輸送線前進(jìn)將工件輸送至下一工位， 輸送線整體下降將工件放置在焊接夾具上， 輸送線后退返回原工位。在車身焊接生產(chǎn)過程中對(duì)車身及設(shè)備的位置精度控制要求較高，因此控制系統(tǒng)需要采用閉環(huán)控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。輸送線驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用了SEW斜齒輪減速電機(jī)，以旋轉(zhuǎn)變壓器作為角度、速度反饋元件，與變頻器一起構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)硬件及系統(tǒng)構(gòu)成

整個(gè)控制系統(tǒng)主要由以下幾個(gè)部分構(gòu)成：

（1）采用三菱Q系列PLC作為基本單元，執(zhí)行系統(tǒng)和用戶程序，是設(shè)備層的核心。（2）PLC側(cè)配置QJ71PB92V總線模塊。該模塊的主要作用是在系統(tǒng)中作為主站發(fā)給變頻器信息，并接收和發(fā)送現(xiàn)場輸入輸出信號(hào)。（3）SEW MOVIDRIVE變頻器安裝DFP21B總線通訊卡，通過該單元能夠在網(wǎng)絡(luò)上實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速器的運(yùn)行控制（如啟動(dòng)、停止、運(yùn)行頻率設(shè)定）、參數(shù)設(shè)定和狀態(tài)監(jiān)控等功能，是變頻器的網(wǎng)絡(luò)接口。（4）SEW MOVIDRIVE變頻器安裝DER11B旋轉(zhuǎn)變壓器反饋卡。輸送電機(jī)內(nèi)部旋轉(zhuǎn)變壓器信號(hào)接入DER11B選項(xiàng)卡內(nèi)，旋轉(zhuǎn)變壓器作為位置速度傳感器。（5）采用GOT系列觸摸屏為整個(gè)系統(tǒng)的操作設(shè)置顯示單元。在HMI上可以通過不同畫面將設(shè)備狀態(tài)，以及全機(jī)故障查詢、設(shè)備參數(shù)等一一顯示出來，實(shí)時(shí)監(jiān)控全機(jī)的工作狀態(tài)。除了顯示功能外，還可以根據(jù)現(xiàn)場的情況，通過HMI設(shè)置和修改系統(tǒng)內(nèi)部的一些需要用戶設(shè)定的參數(shù)，如前進(jìn)、后退位置設(shè)置，速度，加減速時(shí)間的設(shè)置。（圖1）

3 變頻器與PLC通訊數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)采用PROFIBUS總線協(xié)議作為現(xiàn)場監(jiān)控和操作協(xié)議。在總線網(wǎng)絡(luò)里有一個(gè)主站模塊QJ71PB92V，它以主從方式構(gòu)成工業(yè)監(jiān)控網(wǎng)，可接入多個(gè)從站，各站點(diǎn)由唯一的地址碼識(shí)別。這樣 PLC便能通過PROFIBUS總線，對(duì)網(wǎng)絡(luò)上的所有設(shè)備進(jìn)行控制操作。MDX61B變頻器安裝DFP21B總線通訊卡，采用PROFIBUS總線技術(shù)，波特率最高可達(dá)12Mbps，本系統(tǒng)采用了500Kbps；數(shù)據(jù)格式為6Word-IN、6Word-OUT。

根據(jù)表1、表2，由PLC可以控制變頻器的起/停、故障檢測、故障復(fù)位，進(jìn)行速度、加減速時(shí)間和目的位置的控制。

4 軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)共包含兩部分內(nèi)容：PLC側(cè)的程序設(shè)計(jì)和變頻器側(cè)的程序設(shè)計(jì)。

在PLC一側(cè)，我們采用常用的梯形圖設(shè)計(jì)程序。此方式更適合電氣工程師的操作習(xí)慣。在這部分程序里，主要包含現(xiàn)場各種開關(guān)信號(hào)的采集處理，設(shè)備的動(dòng)作控制程序，變頻器的各種參數(shù)控制程序，根據(jù)變頻器反饋信號(hào)將其處理后與GOT觸摸屏系統(tǒng)一起顯示設(shè)備狀態(tài)和各種參數(shù)等等。

下面主要介紹利用變頻器內(nèi)置IPOS定位控制模塊進(jìn)行IPOS控制程序的設(shè)計(jì)。

編寫變頻器內(nèi)部程序，可以通過C語言（如圖2所示）或匯編語言進(jìn)行編譯和調(diào)試。通過IPOS程序，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)運(yùn)行進(jìn)行精確定位，并實(shí)時(shí)后臺(tái)傳遞系統(tǒng)間的重要信息。IPOS編程是個(gè)開放式的平臺(tái)，它以其靈活的控制方式、快捷實(shí)時(shí)性更強(qiáng)的內(nèi)部處理和上位 PLC共同構(gòu)成一個(gè)控制系統(tǒng)，并且分擔(dān)了PLC的很多程序處理，實(shí)時(shí)、高效地完成對(duì)于輸送系統(tǒng)的控制。

在IPOS程序中，我們需要對(duì)總線參數(shù)進(jìn)行配置，此參數(shù)必須和總線模塊中變頻器參數(shù)匹配一致才能保證兩者之間正常通訊。然后由IPOS程序讀取變頻器的位置和狀態(tài)等信息，PLC根據(jù)變頻器信息和輸送線的其他狀態(tài)，對(duì)變頻器發(fā)出控制指令和目的位置等，IPOS程序根據(jù)接收到的指令由控制芯片自動(dòng)控制變頻器的輸出。

5 結(jié)束語

經(jīng)實(shí)際應(yīng)用，由PLC，MDX61B變頻器和旋轉(zhuǎn)變壓器組成閉環(huán)控制系統(tǒng)，采用PROFIBUS開放式總線組成的控制方案是一種理想的控制方式，它有很多值得借鑒的優(yōu)點(diǎn)：

（1）采用總線通訊控制變頻器，具有硬件邏輯簡單、控制方式靈活、抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)。（2）采用變頻器內(nèi)置IPOS定位控制模塊，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，運(yùn)行精度高，性能可靠。（3）系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快，保證了系統(tǒng)安全穩(wěn)定長期運(yùn)行。可以方便進(jìn)行設(shè)備產(chǎn)能提升，能夠極大的提高系統(tǒng)的匹配能力。

參考文獻(xiàn)

[1]SEW-EURODRIVE GmbH & Co KG，MOVIDRIVE MDX60B/61B 系統(tǒng)手冊[Z].2006.

[2]三菱電機(jī)自動(dòng)化（上海）有限公司.GX Developer Version 8操作手冊[Z].2005.