基于PLC的運動控制系統(tǒng)設計

(東北林業(yè)大學 黑龍江 哈爾濱 150000)

基于PLC的運動控制系統(tǒng)設計

陳盛

(東北林業(yè)大學黑龍江哈爾濱150000)

本文在研究運動控制系統(tǒng)相關理論的同時，將PLC應用于自動配料系統(tǒng)中配料小車的控制系統(tǒng)設計中。設計的PLC運動控制系統(tǒng)是由系統(tǒng)硬件設計和系統(tǒng)軟件設計兩部分組成。其中，硬件設計主要是硬件的選型設計，軟件設計包括主程序以及其他輔助控制程序設計，最終實現(xiàn)對步進電動機轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速、及轉(zhuǎn)向控制。

PLC；運動控制系統(tǒng)；步進電動機

1873年法國科學家J.J Farcot在其出版的“Le Ser——Motor on Moteur Asservi”著作中介紹了伺服系統(tǒng)，然后經(jīng)過智能化和自動化技術的發(fā)展，最終伺服系統(tǒng)發(fā)展為目前的運動控制系統(tǒng)[1]。在早期的運動控制系統(tǒng)可以作為一個單獨的控制器，但是這種控制器智能單一的行業(yè)，不能跨行業(yè)應用，而PLC在運動控制系統(tǒng)中的應用，完全解決了上述問題，為運動控制系統(tǒng)在各領域的廣泛應用提供了技術支持。

一、運動控制的基本概念

運動控制(MC)是自動化的一個分支，是通過電壓、電流、頻率等輸入點亮的控制，實現(xiàn)對設備運動準確控制。運動控制系統(tǒng)可以有效地完成設備運動部件定位、速度以及運動軌跡進行實時控制[2]。它使用統(tǒng)稱為伺服機構的一些設備，先行執(zhí)行機或者是電機來控制機器和速度。

運動控制技術是在以數(shù)字信號處理器DSP為代表的高性能高速微處理器及大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷﨔PGA的基礎上發(fā)展而來的，他是廣義上的數(shù)控裝置[3]。早期的運動控制技術主要是伴隨著數(shù)控技術、機器人技術和工廠自動化技術的發(fā)展而發(fā)展的?，F(xiàn)代社會要求制造業(yè)對市場需求做出迅速的反應，生產(chǎn)出小批量、多品種、多規(guī)格、低成本和高質(zhì)量的產(chǎn)品，為了滿足這一要求，聲場設備和自動生產(chǎn)線的控制系統(tǒng)必須具有極高的可靠性和靈活性，可編程序控制器(PLC)正式順應這一要求的出現(xiàn)。

二、運動控制系統(tǒng)的組成及分類

(一)運動控制系統(tǒng)的組成

(1)一個運動控制器用以生成軌跡點(期望輸出)和閉合位置的反饋環(huán)。許多控制器也可以在內(nèi)部閉合一個速度環(huán)。

(2)一個驅(qū)動器或放大器用來將運動控制器的控制信號(通常是速度或扭矩信號)轉(zhuǎn)換為更高功率的電流或電壓信號。更為先進的智能化驅(qū)動可以自身閉合位置環(huán)和速度環(huán)，以獲得更精確的控制。

(3)一個執(zhí)行器如液壓泵、氣缸、線性執(zhí)行機構或電機用以輸出運動。

(4)一個反饋傳感器如光電編碼器、旋轉(zhuǎn)變壓器或霍爾效應設備等用以反饋執(zhí)行器的位置到位置控制器，以實現(xiàn)和位置控制環(huán)的閉合。

(5)眾多機械部件用以將執(zhí)行器的運動形式轉(zhuǎn)換為期望的運動形式，它包括齒輪箱、軸、滾珠絲杠、齒形帶、聯(lián)軸器以及線性和旋轉(zhuǎn)軸承。

(二)運動控制系統(tǒng)功能的分類

(1)點位運動控制。這種運動控制的特點是僅對終點位置有要求，與運動的中間過程即運動軌跡無關。相應的運動控制器要求具有快速的定位速度，在運動的加速段和減速段，采用不同的加減速控制策略。

(2)連續(xù)軌跡運動控制。又稱為輪廓控制，主要應用在傳統(tǒng)的數(shù)控系統(tǒng)、切割系統(tǒng)的運動輪廓控制。相應的運動控制器要解決的問題是如何使系統(tǒng)再告訴運動的情況下，既要保證系統(tǒng)加工的輪廓精度，還要保證刀具沿輪廓運動時的切向速度的恒定。

(3)同步軌跡運動控制。指多個軸之間的運動協(xié)調(diào)控制，可以是多個軸在運動過程中進行同步，也可以是在運動全程中的局部有速度同步，主要應用在需要有電子齒輪箱和電子凸輪功能的系統(tǒng)控制中。從動軸的位置在機械上跟隨一個主動軸的位置變化。

三、基于PLC在控制系統(tǒng)的設計

本文將研究自動配料系統(tǒng)中配料小車的控制系統(tǒng)設計。隨著科學技術不斷的發(fā)展，工業(yè)制造的智能化水平也不斷地提高，這使PLC在運動控制系統(tǒng)的應用越來越廣泛。本文通過對控制系統(tǒng)相關理論的研究，同時采用PLC設計自動配料系統(tǒng)中配料小車的控制系統(tǒng)，提高PLC在運動控制系統(tǒng)設計的應用水平，為運動控制系統(tǒng)智能化發(fā)展提供經(jīng)驗借鑒配料小車的運動控制系統(tǒng)主要包括人機交換界面、PLC、定位模塊、步進電機驅(qū)動器和步進電機這五部分。

(一)硬件選型

本文設計的配料小車的運動控制系統(tǒng)的PLC型號為為西門子S7-300，同時定位模塊型號為FM353。S7-300系列PLC不僅擁有配置靈活、擴展功能強的優(yōu)點，而且具有通信聯(lián)網(wǎng)能力強和編程方法靈活等優(yōu)點，能夠根據(jù)客戶的需求進行模塊組合，有效地滿足不同行業(yè)對控制系統(tǒng)的需求。隨著科學技術不斷的發(fā)展，工業(yè)制造的智能化水平也不斷地提高，這使PLC在運動控制系統(tǒng)的應用越來越廣泛。

FM353可以輸出最高可達200K的脈沖，能夠?qū)崿F(xiàn)對步進電機的速度進行精確控制。此外，F(xiàn)M353定位模塊還具有4DI/4DO編程功能，可以通過編程實現(xiàn)對運動部件精準的定位，同時能夠?qū)碗s的運動模式簡單化，提高設備的響應速度以及控制準確度。FM353定位模塊可以將PLC輸送的弱電信號轉(zhuǎn)換為強電信號，從而控制步進電機驅(qū)動器的運動。

(二)軟件設計

本文設計的配料小車運動控制系統(tǒng)主要包括主程序設計、步進電機位移糾偏措施以及中斷程序。

(1)主程序設計。本文設計的主程序為：由于定位模塊在運動控制系統(tǒng)運行前對運動部件的停止位置是不知的，因此，在系統(tǒng)運行前，定位模塊需要控制步進電機使設備回歸到初始位置(也即系統(tǒng)的零點位置)。當運動部件回到初始位置后，F(xiàn)M353定位模塊的定位裝置將會與設備完成同步工作。于是運動控制將會開啟自動工作模式，可以自動的完成客戶指定的定位任務，當指定任務完成后將會結束自動模式。此外，步進電機的運行速度、行程以及運行方式的歷史數(shù)據(jù)都會儲存在FM353定位模塊中，用戶可以根據(jù)需要進行查閱讀取。

(2)步進電機位移糾偏措施。為了解決開環(huán)控制的步進電機存在脈沖丟步的問題，在小車完成一個裝料循環(huán)，退回卸料點后，步進電機重新確認原點。步進電機的齒輪間隙誤差一般較小，可在編程時通過脈沖預置的方法消除誤差。隨著科學技術不斷的發(fā)展，工業(yè)制造的智能化水平也不斷地提高，這使PLC在運動控制系統(tǒng)的應用越來越廣泛。

(3)中斷程序。FM353提供中斷輸人功能，控制系統(tǒng)設有急停、暫停、步進電機前后限位等信號作為外部中斷輸入，當PLC檢測到這些信號時，可根據(jù)故障等級執(zhí)行緊急停機、安全停機和正常停機，及時處理故障，確保設備和人身的安全。除PLC的CPU故障外，對于一般故障，系統(tǒng)應能保留故障前的數(shù)據(jù)狀態(tài)，可以重新投入自動運行，對于嚴重故障，應能通過設計的手動和點動控制功能手動處理故障后的工序。

四、結束語

隨著科學技術不斷的發(fā)展，工業(yè)制造的智能化水平也不斷地提高，這使PLC在運動控制系統(tǒng)的應用越來越廣泛。本文通過對控制系統(tǒng)相關理論的研究，同時采用PLC設計自動配料系統(tǒng)中配料小車的控制系統(tǒng)，提高PLC在運動控制系統(tǒng)設計的應用水平，為運動控制系統(tǒng)智能化發(fā)展提供經(jīng)驗借鑒。

[1]林杰文,吳亦鋒.基于PLC的伺服電機運動控制系統(tǒng)設計[J].機電技術,2015(5):20-23.

[2]陸幸駿,包曄峰,楊可.基于PLC的兩軸運動控制系統(tǒng)設計[J].鍛壓裝備與制造技術,2015,50(1):62-64.

[3]張志敏,路敦民,張厚江,賀昌勇.基于LabVIEW及PLC電機運動控制系統(tǒng)的設計[J].測控技術,2016,35(1):56-60.