水工基于PLC技術(shù)的機(jī)械電氣自動(dòng)化控制裝置設(shè)計(jì)

查慶

摘要：在水利工程系統(tǒng)當(dāng)中，利用PLC技術(shù)可以很好的實(shí)現(xiàn)對(duì)于多臺(tái)水泵電機(jī)的自動(dòng)啟動(dòng)以及停止運(yùn)行，同時(shí)，還將水泵的電機(jī)控制納入到相關(guān)的自動(dòng)控制系統(tǒng)當(dāng)中，而壓力的傳感器則很好地將電信號(hào)，傳輸至相應(yīng)的控制模塊當(dāng)中，根據(jù)實(shí)際壓力的大小，來對(duì)高壓泵的啟動(dòng)和停止進(jìn)行控制和操作，全面地保障了高壓泵的運(yùn)行安全，同時(shí)，還利用了電阻率表以及電導(dǎo)率表等，進(jìn)行實(shí)時(shí)的水質(zhì)量監(jiān)測(cè)，保障了水處理系統(tǒng)的高效、高質(zhì)量、簡(jiǎn)易操作以及流暢運(yùn)行。在硬件方面本文主要采用PLC、交流伺服電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器、觸摸屏等構(gòu)成，本章主要進(jìn)行硬件的選型與設(shè)置、硬件電路的設(shè)計(jì)與安裝。

關(guān)鍵詞：可編程控制器;數(shù)控機(jī)床;伺服電機(jī)

一、PLC的結(jié)構(gòu)概述

PLC和一般的微型計(jì)算機(jī)基本相同，也是由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩大部分組成的。PLC的硬件系統(tǒng)由微處理器、存儲(chǔ)器、輸入輸出部件、電源部件、編程器、I/O擴(kuò)展單元和其他外圍設(shè)備組成。在硬件上采用隔離、屏蔽、濾波、接地等抗干擾措施;在PLC夠成的控制系統(tǒng)中，只需要在PLC的端子上接入相應(yīng)的輸入/輸出信號(hào)線即可。

二、控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

（一）硬件總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)加工機(jī)床的加工要求，根據(jù)控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)了如圖2.1所示的基于PLC控制系統(tǒng)的硬件總體結(jié)構(gòu)圖，其具體結(jié)構(gòu)如下：

在許可范圍內(nèi)數(shù)控軸的配置控制信號(hào)的變動(dòng)，只要通過更改編程就可以使相應(yīng)的配置立即生效。這也使得相同的數(shù)控系統(tǒng)可以靈活地應(yīng)用到不同配置的數(shù)控機(jī)床上。

（二） PLC硬件接線設(shè)備

1. PLC選用

PLC的硬件結(jié)構(gòu)是由電源、存儲(chǔ)器、CPU、輸入接口、輸出接口等部分組成，本文選用S7-200PLC，采用此型號(hào)PLC是考慮到它計(jì)算能力強(qiáng)大，它可以對(duì)多個(gè)PID運(yùn)算控制過程進(jìn)行處理，另外它的程序可以用多種語(yǔ)言編寫。在軟件中也采用了故障診斷和數(shù)字濾波等措施。選用西門子公司sp200系列作為本文中數(shù)控機(jī)床的核心控制系統(tǒng)，可以減少企業(yè)對(duì)操作人員培訓(xùn)，降低使用成本，減少消費(fèi)者對(duì)產(chǎn)品使用的顧慮。

2.西門子變頻器

本文采用的西門子變頻器MM440包括有用于把變頻器連接于PROFIBUS-DP通信網(wǎng)絡(luò)的PROFIBUS通信模塊。通過此通信模塊，就可以實(shí)現(xiàn)主站和變頻器的數(shù)據(jù)交換。變頻調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)大都是從低速開始，頻率較低。變頻器給電動(dòng)機(jī)加上一個(gè)直流電壓，進(jìn)行制動(dòng)，則無需另加制動(dòng)控制電路[1]。

（三）系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

1. 交流伺服電機(jī)

為了實(shí)現(xiàn)低速大轉(zhuǎn)矩，以及頻繁的啟動(dòng)、制動(dòng)、正反轉(zhuǎn)的要求，伺服電機(jī)還應(yīng)當(dāng)具有比較長(zhǎng)的過載能力。我們需要將PLC的輸出通過ULN2003進(jìn)行放大以后接入步進(jìn)電機(jī)中予以驅(qū)動(dòng)。速度和轉(zhuǎn)矩控制模式是通過輸入的模擬量對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制的，可以直接用PLC模擬出時(shí)序信號(hào)，采用集電極開路輸出，輸出電流大，故可以直接驅(qū)動(dòng)繼電器或固體繼電器（SSR）等外接控制器件，也可直接驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)。

2. 電源電路的設(shè)計(jì)

utu2410-S-V3.0 2410開發(fā)板電壓設(shè)計(jì)采用5V輸入主板，經(jīng)電壓穩(wěn)壓，提供I/O端口需要的電壓3.3V。要核心板上采用穩(wěn)壓模塊供CPU內(nèi)核電壓（2.5V或1.8V）。

3. PLC的網(wǎng)絡(luò)接線設(shè)計(jì)

當(dāng)用PLC進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)時(shí)，其難度比單機(jī)控制大得多。首先應(yīng)選用自己較熟悉的機(jī)型，對(duì)通信接口、通信協(xié)議、數(shù)據(jù)傳送速度等也要考慮。

對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)總線應(yīng)該注意事它是一種網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)，故障的確定與排查難度還是較大的，需要通過總線串行交換，其實(shí)時(shí)性受到限制。采用數(shù)字信號(hào)的網(wǎng)絡(luò)傳輸方式在可靠性上要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于模擬信號(hào)的回路傳輸方式，特別是當(dāng)傳輸距離較遠(yuǎn)時(shí)，這種優(yōu)勢(shì)更為明顯。

三、自動(dòng)化控制裝置軟件設(shè)計(jì)

（一）步進(jìn)電機(jī)的主程序設(shè)計(jì)

1. 步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在主程序中完成的主要功能有：在通電的開始，先將輸出口Q0.0初始化置零;設(shè)定電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向;調(diào)用子程序完成步進(jìn)電機(jī)的前進(jìn)和返回控制;電機(jī)的啟動(dòng)和停止控制。

2.正反轉(zhuǎn)程序設(shè)計(jì)

PLC在接收到鍵盤的指令后，通過驅(qū)動(dòng)電路發(fā)出脈沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，以使得步進(jìn)電機(jī)能按照鍵盤的輸入做出正確的轉(zhuǎn)向。步進(jìn)電機(jī)換向時(shí)，一定要在電機(jī)降速停止或降到突跳頻率范圍之內(nèi)再換向以免產(chǎn)生較大的沖擊而損壞電機(jī)。換向信號(hào)一定要在前一個(gè)方向的最后一個(gè)CP脈沖結(jié)束后以及下一個(gè)方向的第一個(gè) CP脈沖前發(fā)出。

（二）報(bào)警電路的設(shè)計(jì)

由于條件有限，報(bào)警電路的設(shè)計(jì)較為簡(jiǎn)單，利用I2.1～I(xiàn)2.7作為各電動(dòng)機(jī)故障信號(hào)。程序運(yùn)行流程如下：

故障產(chǎn)生;按下試燈、試鈴按鈕→故障指示燈亮，報(bào)警電鈴響→按消鈴按鈕關(guān)閉電鈴，報(bào)警指示燈變?yōu)槌Ａ痢收稀鷪?bào)警燈熄滅

（三） 斷電保護(hù)程序設(shè)計(jì)

由于整個(gè)設(shè)備的工作流程是連續(xù)循環(huán)進(jìn)行的，因此斷電之后再起動(dòng)必須仍然恢復(fù)斷電前的狀態(tài)。程序設(shè)計(jì)選擇具有斷電保護(hù)的內(nèi)部輔助保持繼電器和數(shù)據(jù)，將電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)和參數(shù)進(jìn)行保存，實(shí)現(xiàn)斷電保護(hù)。

總結(jié)

隨著計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，PLC的功能越來越強(qiáng)大，處理速度越來越快，用微小型的PLC系統(tǒng)構(gòu)成的各種數(shù)控機(jī)床控制系統(tǒng)，具有控制簡(jiǎn)單、運(yùn)行穩(wěn)定、開發(fā)周期短、性價(jià)比優(yōu)越等特點(diǎn)，是一種切實(shí)可行的數(shù)控機(jī)床控制方案。在PLC控制數(shù)控機(jī)床的控制系統(tǒng)中，以輔助系統(tǒng)為控制對(duì)象，用西門子S7-200PLC為核心控制器，設(shè)計(jì)了數(shù)控機(jī)床硬件控制系統(tǒng)，用軟件代替硬件控制，增強(qiáng)了系統(tǒng)的通用性和靈活性、成本也大大降低，有著十分廣闊的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)：

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