經(jīng)濟(jì)的PLC伺服隨動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉春梅 張忠寶

(1.大連大地基礎(chǔ)工程有限公司，遼寧 大連 116023； 2.大連博瑞致信息技術(shù)有限公司，遼寧 大連 116000)

0 引言

目前，機(jī)電一體化的趨勢(shì)日漸明顯，現(xiàn)代化工業(yè)、農(nóng)業(yè)、高科技領(lǐng)域及人們生活也越來(lái)越離不開PLC伺服控制系統(tǒng)。隨著微電子、計(jì)算機(jī)、電力半導(dǎo)體和電機(jī)制造技術(shù)取得巨大技術(shù)進(jìn)步，PLC伺服定位控制系統(tǒng)也將具有更加美好的發(fā)展前景。

本次設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了基于三菱PLC的伺服隨動(dòng)控制系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)兩軸十字滑臺(tái)穩(wěn)定跟隨工作盤上的磁鋼做圓周運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)速范圍為10～50。結(jié)構(gòu)上采用同步輪和同步帶作為兩軸滑臺(tái)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，在保證系統(tǒng)跟蹤性能的前提下達(dá)到了系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性；系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用模塊化的設(shè)計(jì)理念，根據(jù)系統(tǒng)的插補(bǔ)要求以及硬件連接，分別設(shè)計(jì)主程序及對(duì)應(yīng)的子程序，將基本功能模塊封裝，模塊間相互獨(dú)立，降低了軟件的復(fù)雜度，提高了軟件的可靠性。

1 系統(tǒng)方案

從設(shè)計(jì)要求出發(fā)，本設(shè)計(jì)的系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)如圖1所示，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

本系統(tǒng)以三菱PLC為控制核心，由檢測(cè)單元、旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)、兩軸十字滑臺(tái)和人機(jī)接口(HMI)4個(gè)模塊組成。檢測(cè)單元由4個(gè)霍爾傳感器組成，用來(lái)探測(cè)磁鋼的位置，信號(hào)經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后傳入到PLC中；旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)由變頻器和交流電機(jī)構(gòu)成的變頻調(diào)速系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)，能夠滿足工作臺(tái)以不同速度旋轉(zhuǎn)的需求；兩軸十字滑臺(tái)由兩套伺服驅(qū)動(dòng)器和伺服電機(jī)組成的伺服系統(tǒng)構(gòu)成，能夠?qū)崿F(xiàn)精確的兩軸聯(lián)動(dòng)；人機(jī)接口采用觸摸屏，通過友好的人機(jī)界面能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)的監(jiān)控。系統(tǒng)的設(shè)備選型如表1所示。

表1 系統(tǒng)的設(shè)備型號(hào)表

名稱型號(hào)PLC主機(jī)FX3U-48MT模擬量特殊功能模塊FX0N-3A變頻器FR-E400-0.75K交流電機(jī)4IK25GN-Y兩軸定位模塊FX2N-20GM伺服驅(qū)動(dòng)器MR-JE-10A伺服電機(jī)HG-KN-13歐姆龍觸摸屏NP5-MQ001B

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 檢測(cè)單元

檢測(cè)單元由4個(gè)霍爾傳感器組成，用來(lái)探測(cè)磁鋼的位置，信號(hào)經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后傳入到PLC中，單路的霍爾傳感器接線圖如圖3所示。

2.2 兩軸十字滑臺(tái)

兩軸十字滑臺(tái)由兩套伺服驅(qū)動(dòng)器和伺服電機(jī)組成的伺服系統(tǒng)構(gòu)成，能夠?qū)崿F(xiàn)精確的兩軸聯(lián)動(dòng)，兩軸接線完全相同，圖4顯示了單軸伺服驅(qū)動(dòng)的接線。

通過設(shè)置定位模塊和伺服驅(qū)動(dòng)器的參數(shù)可以實(shí)現(xiàn)不同的運(yùn)行性能。本系統(tǒng)中，定位模塊的參數(shù)設(shè)置是在通過定位模塊編程軟件SWOD5-FXVPS-E實(shí)現(xiàn)的，具體的參數(shù)設(shè)置如表2所示。

表2 伺服驅(qū)動(dòng)器設(shè)置參數(shù)及其功能

2.3 旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)

旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)由變頻器和交流電機(jī)構(gòu)成的變頻調(diào)速系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)，能夠滿足工作臺(tái)以不同速度旋轉(zhuǎn)的需求，電氣接線圖如圖5所示。

本系統(tǒng)選用的變頻器型號(hào)為FR-E740-0.75k，主要參數(shù)設(shè)置如表3所示,通過控制電壓輸入來(lái)控制頻率輸出，從而達(dá)到控制圓盤的旋轉(zhuǎn)速度的目的，使用D/A模塊輸出連接至變頻器的2，5端子。

表3 變頻器主要設(shè)定的參數(shù)

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)的軟件流程圖

系統(tǒng)的軟件流程圖如圖6所示。首先進(jìn)行系統(tǒng)的初始化，然后兩軸滑臺(tái)起動(dòng)，尋找機(jī)械零點(diǎn)，以便探頭定位磁鋼位置：機(jī)構(gòu)以一個(gè)較慢的速度沿指定軌跡運(yùn)動(dòng)，去檢測(cè)正在做圓周運(yùn)動(dòng)的磁鋼，通過霍爾傳感器檢測(cè)到的信號(hào)進(jìn)行比較來(lái)定位磁鋼位置，從而獲得磁鋼的旋轉(zhuǎn)半徑。之后機(jī)構(gòu)原地等待兩周，記錄兩次檢測(cè)到磁鋼的時(shí)間，從而獲得磁鋼的旋轉(zhuǎn)速度，最后執(zhí)行磁鋼的跟隨運(yùn)動(dòng)。

3.2 FX0N-3A特殊功能模塊程序設(shè)計(jì)

模擬量特殊功能模塊FX0N-3A有2個(gè)A/D和1個(gè)D/A，既可以進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，又可以進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換，其緩沖存儲(chǔ)器(BFM)的分配如表4所示，程序使用FROM和TO指令對(duì)BFM操作。

3.3 FX2N-20GM定位模塊程序設(shè)計(jì)

FX2N-20GM定位模塊能夠同時(shí)控制兩個(gè)軸，內(nèi)嵌了線性和圓弧插補(bǔ)算法，可以方便地實(shí)現(xiàn)兩軸精確定位。PLC使用FROM和TO指令對(duì)FX2N-20GM定位模塊的內(nèi)部存儲(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行讀寫操作，從而實(shí)現(xiàn)信息的獲取以及控制目的。

表4 緩沖存儲(chǔ)器的分配

BFM編號(hào)b8-15b7b6b5b4b3b2b1b00保留在A/D轉(zhuǎn)換通道上的輸入數(shù)據(jù)16保留在D/A轉(zhuǎn)換通道上的輸出數(shù)據(jù)17保留D/A起動(dòng)A/D起動(dòng)A/D通道1-518-31保留

3.4 HMI界面設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)選用的觸摸屏型號(hào)是歐姆龍公司生產(chǎn)的NP5-MQ001B，使用編程工具NP-Designer來(lái)進(jìn)行界面設(shè)計(jì)，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的觸摸屏界面如圖7所示。

本系統(tǒng)的HMI界面共有3個(gè)：設(shè)置及控制界面、運(yùn)行狀態(tài)顯示界面、運(yùn)行軌跡顯示界面，不僅可以控制系統(tǒng)，而且可以進(jìn)行運(yùn)行狀態(tài)顯示。

4 系統(tǒng)調(diào)試及結(jié)論

本課題設(shè)計(jì)的PLC伺服隨動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)物圖如圖8所示。

經(jīng)過模擬量特殊功能模塊調(diào)試、變頻器調(diào)試、定位模塊調(diào)試以及系統(tǒng)的綜合調(diào)試，本系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)磁鋼的穩(wěn)定跟隨，主要的系統(tǒng)功能有：

1)手動(dòng)控制十字架在XY平面的自由運(yùn)動(dòng)；

2)摸屏作為人機(jī)接口，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的監(jiān)控功能，不僅可以控制系統(tǒng)、設(shè)置參數(shù)，而且也可以實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)；

3)用PLC的高速脈沖輸出直接控制伺服驅(qū)動(dòng)器，設(shè)計(jì)插補(bǔ)操作定位算法控制系統(tǒng)運(yùn)行。

本系統(tǒng)采用同步輪和同步帶作為兩軸滑臺(tái)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，經(jīng)濟(jì)高效。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，各項(xiàng)功能均可實(shí)現(xiàn)，達(dá)到預(yù)期，設(shè)計(jì)滿足要求。