基于變頻器USS通信的工件自動分揀PLC控制系統(tǒng)

□鄭長山

隨著通信與網(wǎng)絡技術(shù)的不斷發(fā)展，通信已經(jīng)成為控制系統(tǒng)中不可缺少的重要組成部分，在電機拖動控制中，越來越多地采用了變頻器進行控制。由于變頻器輸出端會產(chǎn)生強烈的干擾信號，因此會出現(xiàn)控制錯誤，而采用基于USS協(xié)議來完成變頻器的拖動控制，不僅提高抗干擾能力、控制穩(wěn)定，同時也減少了布線的工程量，降低了敷線的成本。利用PLC組成USS通信的控制網(wǎng)絡具有較高的性價比。[1]目前很多企業(yè)在工件分揀過程中仍采用人工方式進行，不但耗費了很大的人力、物力，而且采用人工分揀，效率低，生產(chǎn)成本高。針對上述情況，本文利用USS通信進行了西門子S7－200PLC工件分揀自動控制系統(tǒng)設計。

一、控制任務

用一臺S7－200 CPU224 XP CN對變頻器MM420進行USS通信，控制一臺三相異步電動機。通過狀態(tài)表與USS通信，可以設定變頻器頻率。

三相異步電動機控制傳送帶，傳送帶機構(gòu)如圖1所示。當工件被放到傳送帶入料口處，被光電傳感器檢測到時，變頻器啟動，電機驅(qū)動傳送帶運行，工件首先經(jīng)過金屬傳感器，再經(jīng)過光纖傳感器檢測黑色還是白色。出料槽1存放金屬工件、出料槽2存放非金屬白色工件、出料槽3存放非金屬黑色工件。推料到位傳感器選擇磁性開關(guān)，三個推桿氣缸從左到右為推桿1、推桿2、推桿3。

三相異步電機參數(shù):電機額定電壓380V;電機額定電流0.18A;電機額定功率0.03kW;電機額定頻率50Hz;電機額定轉(zhuǎn)速1300r/min。

表1 變頻器參數(shù)設置值

表2 輸入地址分配表

表3 輸出地址分配表

圖1 傳送帶機構(gòu)

圖2 接線圖

二、硬件和軟件配置

(一)硬件。一臺S7－200PLC(CPU224XP CN)、一臺變頻器MM420、1個帶編程口的網(wǎng)絡連接器(DP頭)、一根PROFIBUS－DP電纜、一根USB/PPI編程電纜(S7－200PLC下載線)、裝有STEP7－Micro/WIN軟件的電腦(也稱編程器)、幾個普通按鈕、一個急停按鈕、一臺三相異步電動機、1條傳送帶、1個旋轉(zhuǎn)編碼器、1個漫反射光電傳感器、1個金屬傳感器、1個光纖傳感器、3個磁性開關(guān)、3個氣缸、3個電磁閥、3個出料槽、一個空氣壓縮機、若干導線與氣管。

(二)軟件。STEP7－Micro/WIN V4.0 SP6及以上版本編程軟件(含指令庫)。

三、硬件通信連接設計

一根PROFIBUD－DP電纜與網(wǎng)絡連接器相連，網(wǎng)絡連接器插入到S7－200PLC的PORT0口，網(wǎng)絡連接器的第3針所連的線插入到變頻器的14端子(P+)，第8針所連的線插入到變頻器的15端子(N—)。網(wǎng)絡連接器的的開關(guān)撥向ON，因為S7－200PLC在PROFIBUD－DP電纜在終端位置。

四、變頻器參數(shù)設置

在MM420變頻器的操作面板上進行參數(shù)設置，具體設置值如表1所示。

其他參數(shù)如上升時間、下降時間等的設置與否，取決于任務要求。

五、輸入和輸出地址分配

根據(jù)控制任務進行如下地址分配，如表2、3所示。

六、接線圖設計

根據(jù)控制任務，繪制接線圖如圖2所示。

七、程序設計

(一)關(guān)于USS通信程序中，首先進行Active參數(shù)的確定。方法如下:D0(0號)－D31(31號)代表32臺變頻器，要激活某一臺變頻器，就將該位為1，如果將0號變頻器(Drive=0)激活，其16進制表示為:16#1(Active=1)。如果將1號變頻器(Drive=1)激活，其16進制表示為:16#2(Active=2);如果將2號變頻器(Drive=2)激活，其16進制表示為:16#4(Active=4);如果將3號變頻器(Drive=3)激活，其16進制表示為:16#8(Active=8);如果將0－3號變頻器(Drive=0，Drive=1，Drive=2，Drive=3)全部激活，其16進制表示為:16#F(Active=F);其他類推。

(二)采用現(xiàn)場測量脈沖當量值。計算每兩個脈沖之間的距離即脈沖當量。本文選擇增量式旋轉(zhuǎn)編碼器是直接利用光電轉(zhuǎn)換原理輸出三組方波脈沖A相、B相和Z相。用于計算工件在傳送帶上的位置，A相、B相直接連到CPU224XP的高速計數(shù)器的輸入端，Z相沒使用。CPU224XP集成6點高速計數(shù)器，編號為HSC0～HSC5，每一編號的計數(shù)器均分配有固定地址的輸入端。同時，高速計數(shù)器可以配置12種模式中的一種。本文采用模式9，計數(shù)器為HSC0，B相脈沖從 I0.0輸入，A相脈沖從 I0.1輸入，倍頻設定為4倍頻。

編寫脈沖當量現(xiàn)場測試主程序，變頻器設為1赫茲，在入料口處，放入工件，傳送帶啟動運行，運行一段距離，使傳送帶停止，程序中讀出高速計數(shù)器脈沖數(shù)，測量實際工件移動距離，高速計數(shù)器脈沖數(shù)/4=編碼器脈沖數(shù)，脈沖當量=工件移動距離/編碼器脈沖數(shù)。同理方法做三次，將三次脈沖當量取平均值，就是最終脈沖當量。

(三)計算工件在各個出料槽口位置時脈沖數(shù)。測量進料口到各個出料槽口位置的距離，除以脈沖當量，再乘以4，就是工件在各個出料槽口位置時脈沖數(shù)。通過選擇單擊“數(shù)據(jù)塊”，將脈沖數(shù)存儲在指定的VD變量存儲器中。傳送帶運行時，高速計數(shù)器HC0經(jīng)過值，通過比較指令，與存儲在指定的VD變量存儲器的數(shù)據(jù)比較，編寫程序使得相應的電磁閥動作，通過氣缸將工件推到指定料槽。

(四)編寫HSC－INIT中斷程序。在主程序塊中使用SM0.1調(diào)用此中斷子程序，完成高速計數(shù)器定義并啟動計數(shù)器。

(五)編寫USS通信有關(guān)程序。0號變頻器(Drive=0)，Active=1，Mode=1，Baud=19200，Type=1，Speed － SP=VD120，每臺變頻器指定一條USS－CTRL指令。特別說明:如果VD120中設置的是40.0，其含義是變頻器以40%的基準頻率運行，若變頻器的基準頻率是50Hz，那么變頻器將以50Hz*40%=20Hz運行，VD120是實數(shù)，輸入的數(shù)據(jù)要有小數(shù)點。

(六)編寫部分分揀子程序。如果檢測到是金屬工件，進入S1.0子程序。如果檢測是非金屬工件，再檢測是黑色還是白色，進入不同子程序。在編譯程序前，右擊“程序塊”，單擊“庫存儲區(qū)分配”，單擊“建議地址”，單擊“確定”按鈕，為指令庫分配存儲區(qū)。

確保連線正確的情況下，送電，保存，編譯，下載程序。通過狀態(tài)表把頻率值(實數(shù)值)寫入到VD 120，然后通過USS通信改變頻率值，根據(jù)控制任務，進行調(diào)試，調(diào)試結(jié)果滿足控制任務要求。

八、結(jié)語

本文采用了RS485接口的USS通信協(xié)議、旋轉(zhuǎn)編碼器，設計了工件自動分揀PLC控制系統(tǒng)，減少了系統(tǒng)的布線，該設計具備可靠性高、抗干擾能力強、配套齊全、維護方便、成本低、效率高等優(yōu)點。本系統(tǒng)不僅在工程應用上有一定的參考價值，而且在教學、實訓、社會培訓上也可以應用。

[1]顧凌云，侯卓生.PLC與多臺變頻器基于USS協(xié)議的網(wǎng)絡通訊應用[J].產(chǎn)業(yè)與科技論壇，2015，1(14):53～53

[2]周婭，郎朗，蘇長杰.基于PLC和組態(tài)技術(shù)的材料分揀系統(tǒng)[J].南陽理工學院學報，2013，11(5):6

[3]王強，張明珠.材料自動分揀系統(tǒng)中的PLC應用研究[J].首都師范大學學報，2011，12(32):6

[4]呂景泉.自動化生產(chǎn)線安裝與調(diào)試(第二版)[M].北京:中國鐵道出版社，2009，11

[5]向曉漢.西門子PLC工業(yè)通信完全精通教程[M].北京:化學工業(yè)出版社，2014，8