基于PLC的控制设计(共19页).doc

精选优质文档-倾情为你奉上        随着社会生产不断进步和人们生活节奏不断加快，人们对生产效率也不断提出新要求。由于微电子技术和计算软、硬件技术的迅猛发展和现代控制理论的不断完善，使机械手技术快速发展，其中气动机械手系统由于其介质来源简便以及不污染环境、组件价格低廉、维修方便和系统安全可靠等特点，已渗透到工业领域的各个部门，在工业发展中占有重要地位。本文讲述的气动机械手有气控机械手、XY轴丝杠组、转盘机构、旋转基座等机械部分组成。主要作用是完成机械部件的搬运工作，能放置在各种不同的生产线或物流流水线中，使零件搬运、货物运输更快捷、便利。一四轴联动简易机械手的结构及动作过程机械手结构如下图1所示，有气控机械手(1)、XY轴丝杠组(2)、转盘机构(3)、旋转基座(4)等组成。其运动控制方式为：(1)由伺服电机驱动可旋转角度为360°的气控机械手(有光电传感器确定起始0点)；(2)由步进电机驱动丝杠组件使机械手沿X、Y轴移动(有x、y轴限位开关)；(3)可回旋360°的转盘机构能带动机械手及丝杠组自由旋转(其电气拖动部分由直流电动机、光电编码器、接近开关等组成)；(4)旋转基座主要支撑以上3部分；(5)气控机械手的张合由气压控制(充气时机械手抓紧，放气时机械手松开)。其工作过程为：当货物到达时，机械手系统开始动作；步进电机控制开始向下运动，同时另一路步进电机控制横轴开始向前运动；伺服电机驱动机械手旋转到达正好抓取货物的方位处，然后充气，机械手夹住货物。步进电机驱动纵轴上升，另一个步进电机驱动横轴开始向前走；转盘直流电机转动使机械手整体运动，转到货物接收处；步进电机再次驱动纵轴下降，到达指定位置后，气阀放气，机械手松开货物；系统回位准备下一次动作。二控制器件选型为达到精确控制的目的，根据市场情况，对各种关键器件选型如下：1.步进电机及其驱动器机械手纵轴(Y轴)和横轴(X轴)选用的是北京四通电机技术有限公司的42BYG250C型两相混合式步进电机，步距角为0.9°/1.8°，电流1.5A。M1是横轴电机，带动机械手机构伸、缩；M2是纵轴电机，带动机械手机构上升、下降。所选用的步进电机驱动器是SH-20403型，该驱动器采用1040V直流供电，H桥双极恒相电流驱动，最大3A的8种输出电流可选，最大64细分的7种细分模式可选，输入信号光电隔离，标准单脉冲接口，有脱机保持功能，半密闭式机壳可适应更恶劣的工况环境，提供节能的自动半电流方式。驱动器内部的开关电源设计，保证了驱动器可适应较宽的电压范围，用户可根据各自情况在1040VDC之间选择。一般来说较高的额定电源电压有利于提高电机的高速力矩，但却会加大驱动器的损耗和温升。本驱动器最大输出电流值为3A/相(峰值)，通过驱动器面板上六位拨码开关的第5、6、7三位可组合出8种状态，对应8种输出电流，从0.9A到3A以配合不同的电机使用。本驱动器可提供整步、改善半步、4细分、8细分、16细分、32细分和64细分7种运行模式，利用驱动器面板上六位拨码开关的第1、2、3三位可组合出不同的状态。2.伺服电机及其驱动器机械手的旋转动作采用松下伺服电机A系列小惯量MSMA5AZA1G，其额定输出50W、100/200V共用，旋转编码器规格为增量式(脉冲数2500p/r、分辨率10000p/r、引出线11线)；有油封，无制动器，轴采用键槽连接。该电机采用松下公司独特算法，使速度频率响应提高2倍，达到500Hz；定位超调整定时间缩短为以往松下伺服电机产品V系列的1/4。具有共振抑制功能、控制功能、全闭环控制功能，可弥补机械的刚性不足，从而实现高速定位，也可通过外接高精度的光栅尺，构成全闭环控制，进一步提高系统精度。具有常规自动增益调整和实时自动增益调整两种自动增益调整方式，还配有RS-485、RS-232C通信口，使上位控制器可同时控制多达16个轴。伺服电机驱动器为A系列MSDA5A3A1A，适用于小惯量电动机。3.直流电机可回旋360°的转盘机构有直流无刷电机带动，系统选用的是北京和时利公司生产的57BL1010H1无刷直流电机，其调速范围宽、低速力矩大、运行平稳、低噪音、效率高。无刷直流电机驱动器使用北京和时利公司生产的BL-0408驱动器，其采用2448V直流供电，有起停及转向控制、过流、过压及堵转保护，且有故障报警输出、外部模拟量调速、制动快速停机等特点。4.旋转编码器在可回旋360°的转盘机构上，安装有OMRON公司生产的E6A2增量型旋转编码器，编码器将信号传给PLC，实现转盘机构的精确定位。5. PLC的选型根据系统的设计要求，选用OMRON公司生产的CPM2A小型机。CPM2A在一个小巧的单元内综合有各种性能，包括同步脉冲控制、中断输入、脉冲输出、模拟量设定和时钟功能等。CPM2A的CPU单元又是一个独立单元，能处理广泛的机械控制应用问题，所以它是在设备内用作内装控制单元的理想产品。完整的通信功能保证了与个人计算机、其它OMRON PC和OMRON可编程终端的通信。这些通信能力使四轴联动简易机械手能方便的融合到工业控制系统中。三软件编程1.软件流程图流程图是PLC程序设计的基础。只有设计出流程图，才可能顺利而便捷地编写出梯形图并写出语句表，最终完成程序的设计。所以写出流程图非常关键也是程序设计首先要做的任务。依据四轴联动简易机械手的控制要求，绘制流程图如图2所示。2.程序部分由于论文篇幅有限，这里只列出了开始两段程序，供读者参阅，见图3。四结束语四轴联动简易机械手的各个动作和状态都由PLC控制，不仅能满足机械手的手动、半自动、自动等操作方式所需的大量按扭、开关、位置检测点的要求，更可通过接口元器件与计算机组成PLC工业局域网，实现网络通信与网络控制。使四轴联动简易机械手能方便地嵌入到工业生产流水线中。 用PLC实现三工位旋转工作台的定位控制王欣，柳滨 (中国电子科技集团公司第四十五研究所，北京东燕郊，) 1 引言 PLC的处理器速度和功能在不断增加，已发展成具有逻辑控制功能过程控制功能运动控制功能、数据处理功能、联网通信功能等的多功能控制器，加上它的价格低廉、操作简便、改变功能灵活易用、维护工作量小等优势，使PLC在工业生产过程自动化中获得广泛应用。本文介绍采用PLC系统对某设备的三工位旋转工作台进行精确定位的一种低成本、高精度的控制方式(参见图1)，该设备的整体结构是以三菱CC-Link网络通讯方式进行主站和从站设备之间的实时通讯的，工作台系统是该设备的重要结构之一，要求工作台在一定范围内实现旋转角度与速度的精确控制，并将定位结果及时反馈给PLC以进行相应的调整。图1中3个圆形承片台工位以120°均布于旋转工作台面上，要求工位之间能够自由精确地转换位置，各工位的承片台要具有真空、吹气、清洗和按照设定速度值旋转的功能。按照上述功能要求，选用PLC系统和编码器脉冲计数方式进行工作台的位置控制。2 控制要求该控制系统根据设备工艺流程的需要来设定定位角度，图1所示的旋转工作台上有3个工位，各工位承片台的位置能根据上位机的控制要求自由转换，(例如操作l号工位的承片台旋转到2号工位进行该工位的工艺加工)所以该系统可以实现的功能有：工作台旋转实现工位的位置转换；各个承片台能按照设定的速度值旋转；工作台需具有在任意位置回零和微调角度的功能；系统运行过程出现异常时能实时报警并停止工作；操作人员可通过确认按钮解除报警信号；还应该具有手动自动两种控制方式，并设有试验测试功能。3 PLC选型PLC的选择应着重考虑PLC的性能价格比，选择可靠性高，功能相当，负载能力合适，经济实惠的PLC。在该设备整体方案选用了三菱CC-Link网络通讯系统的基础上，针对工作台部分控制系统的输入、输出点数和负载能力等要求，选用日本三菱公司FX2N-64MT型PLC。4 系统硬件相关配置为实现该系统的手动/自动控制，PLC需要不少于输入23点，输出27点的I/O单元，因此选用三菱公司的FX2N-64MT型可编程序控制器作为主控单元，分别有32个输入和32个输出点，输入端为光电隔离，输出端为晶体管源型，该机型结构紧凑、体积小、质量轻，具有很强的抗干扰能力和负载能力，满足设计需求。由于该设备控制系统采用三菱的现场总线网CC-Link网络通讯方式负责主站对从站发送从控制平台获取的控制信息、从站对主站的反馈信息以及处理各从站之间的信息交换，以实现各台PLC之间的无差错适时自动化运作。因此工作台控制系统作为整个设备的一部分，需要选用CC-Link扩展模块实现和主站设备的远程通讯，从主站获取控制信号以执行各部分的动作。为了实现工作台的精确定位，选用能输出高频脉冲的定位扩展模块FX2N10GM，10GM是三菱公司的单轴定位单元，属于带CPU的智能模块，它可实现完善的位置控制功能，与PLC并行工作，提高了速度，简化了编程。根据其定位精度选择伺服系统作为执行机构，由于机械传动机构产生的间隙和回程差等外界因素导致的工作台旋转误差，为了测量和补偿这个误差，将一个增量式旋转编码器与工作台同轴安装，伺服电机带动工作台转动的同时，编码器以同样的角速度转动，产生两路相位相差90。的脉冲，通过判断相位超前滞后的关系确定工作台的旋转方向，工作台的每转动一个位置对应一个脉冲计数值，根据设计需要将工作台的各个位置对应的角度换算成相应的脉冲数，通过比较判断所记录的脉冲数就可以实现工作台的定位控制。该部分是工作台定位设计的核心，主要依靠软件来实现，其结构参见图2。各工位承片台的自旋转动作采用模拟量控制模块FX2N-4DA来控制相应伺服系统的转速。4DA模块有4个输出通道，即可外接4个伺服电机，输出通道接受数字信号并转换成等价的模拟信号，最大分辨率是12位。基于输入/输出的电压电流通过用户配线完成，可选用的模拟值范围是直流电压 一1010V(分辨率：5 mV)，或者020 mA(分辨率：20 A，可被每个通道分别选择控制各电机转速。所以旋转工作台电气控制系统是由和上位机通讯的CC-Link扩展模块、定位模块、模拟量控制模块、动作执行机构、增量式编码器、外围控制电路和核心器件PLC组成，PLC是集信号采集、信号输出和逻辑控制于一体，与电力拖动系统一起实现了工作台以及各个工位承片台的所有功能。参见图3系统硬件结构框图。5 系统软件设计51 控制程序流程图基于工作台控制系统的工艺要求，其软件设计思路分为三部分完成控制动作，即：手动状态、测试状态和自动状态。手动状态下可以单独控制每个执行机构的动作，主要有：工作台3个工位之间的位置转换；旋转工作台的手动回零；3个工位的承片台旋转的启动与停止；对各承片台上真空、吹气、清洗水等动作的开、关等。 测试状态主要是根据工艺需要，操作各个工位在工作台的允许范围内相对零点的任意角度旋转和对三个工位转动角度的微调，因为实际的工艺可能要求各个工位之间的旋转角度会有所不同，例如需要1号工位旋转119°或其他角度至2号工位，微调测试就可以将其角度值重新调整并确定，以适应各种工艺需求。自动状态分为单程循环和自动循环，指在循环条件满足的状况下，按照系统的工艺流程自动执行的过程，图4所示为具体流程图。软件部分的核心是工作台工位转换时要准确进行工位检测及判断各工位的具体位置，以进行相应的转向控制。因为选用的是低成本经济型控制方式，加之机械设计结构的限制，工作台只能在一定的角度范围内旋转定位(图1所示的左、右极限范围内)，在软件设计过程中要考虑到：无论手动还是自动状态下，控制工作台工位的转换，都需要先判断各承片台相对零点的位置，再执行正转或反转的动作，否则会导致系统极限位报警。图5所示的是操作1号工位的承片台旋转至2号工位时的软件流程，当接受到工位旋转的控制要求后，判断原点承片台位置，如果在l号位，工作台逆向旋转120°后，发送定位结束信号就完成了一个工位的转换。52 控制系统的通讯方式编写程序时，PLC用FROM/TO指令对定位扩展模块10GM进行读写操作。10GM的m码指令为和PLC进行信息交流提供了方便，它能够实现定位、回零等的操作；还有类似于PLC的基本逻辑指令和功能指令。PLC读写m码信息是通过10GM的缓冲存储器进行的，不是直接操作。FX2N_4DA和PLC之间也是通过其内部缓冲存储器用FROM和TO指令来传输数据。将4DA设置为电压模拟量控制方式，PLC根据控制系统的需求读写它的内部缓冲存储器BFM，分别设置各通道的模拟电压值，以控制每个承片台伺服电机的转速。PLC与CC-Link扩展模块同样是用FROM/TO指令实现和主站设备的远程通讯。用FROM语句从主站获取控制信号以执行各部分的动作，用TO语句传送工作台部分的状态信息。53 编程说明本系统软件主要在三菱公司的PLC编程软件环境 FX DEVELOPER 70下用梯形图方式编写；FX2N-10GM的编程软件FXVPS-E 100用于编写定位模块的程序。6 实验结果的分析及改进方法本系统应用增量式旋转编码器反馈工作台的旋转角度值，在软件设计中补偿定位精度，但在程序实验运行过程中发现，影响工作台定位精度的因素除机械传动造成的间隙外，还有以下几点：(1)工作台转动惯性和继电器动作延时，使得工作台定位结束需要一定的延时时间t1。(2)程序中对应的定位系统计数脉冲值只有在控制器扫描时才被刷新，当程序较复杂时，扫描时间大于脉冲宽度时，程序中读取的脉冲数值就不是一个连续变化的数，即扫描间隔会造成一定的死区时间t2。(3)从发出停止指令到输出端口状态的刷新存在一定的延时时间t3。综上所述，工作台定位结束时间应该是：t=t1+t2+t3，因此，考虑到影响到工作台定位精度的各种因素，在程序设计过程中，进行了以下改进措施：(1)为了减小累计误差，可在工作台到达零限位时对计数器清零复位。(2)通过编制延时程序、记录延时时间及脉冲变化值对多组实验数据求平均值的方法，得到工作台定位结束所需的时间，在定位程序中增加延时以保证工作台定位精度。(3)采用中断的方式增加扫描频率，减小刷新延时时间。实验证明，采用改进的方式后，工作台定位精度达到±0045°，实现了良好的运行效果。7 结束语本文介绍的PLC为核心的旋转工作台定位控制系统，硬件电路结构简单，软件设计合理可靠。实践应用证明，该设计方法能够准确实现三工位的旋转工作台的定位精度，操作简便，易于维护，有效降低了成本。1 引言 切纸机械是印刷和包装行业最常用的设备之一。切纸机完成的最基本动作是把待裁切的材料送到指定位置，然后进行裁切。其控制的核心是一个单轴定位控制。我公司引进欧洲一家公司的两台切纸设备，其推进定位系统的实现是利用单片机控制的。控制过程是这样的，当接收编码器的脉冲信号达到设定值后，单片机系统输出信号，断开进给电机的接触器，同时电磁离合制动器的离合分离，刹车起作用以消除推进系统的惯性，从而实现精确定位。由于设备的单片机控制系统老化，造成定位不准，切纸动作紊乱，不能正常生产。但此控制系统是早期产品，没有合适配件可替换，只能采取改造这一途径。目前国内进行切纸设备进给定位系统改造主要有两种方式，一是利用单片机结合变频器实现，一是利用单片机结合伺服系统实现，不过此两种改造方案成本都在两万元以上。并且单片机系统是由专业开发公司设计，技术保守，一旦出现故障只能交还原公司维修或更换，维修周期长且成本高，不利于改造后设备的维护和使用。我们结合自己设备的特点提出了新的改造方案，就是用PLC的高速计数器功能结合变频器的多段速功能实现定位控制，并利用HMI（人机界面HumanMachineInterface）进行裁切参数设定和完成一些手动动作。 2 改造的可行性分析 现在的大多PLC都具有高速计数器功能，不需增加特殊功能单元就可以处理频率高达几十或上百KHz的脉冲信号，而切纸机对进给系统的精度和响应速度要求不是很高。可以通过对切纸机进给系统相关参数的计算，合理的选用编码器，让脉冲频率即能在PLC处理的范围内又可以满足进给的精度要求。在进给过程中，让PLC对所接收的脉冲数与设定数值进行比较，根据比较结果驱动相应的输出点对变频器进行输出频率的控制，实现接近设定值时进给速度变慢，从而减小系统惯性，达到精确定位的目的。另外当今变频器技术取得了长足的发展，使电机在低速时的转矩大幅度提升，从而也保证了进给定位时低速推进的可行性。 3 主要控制部件的选取 3.1 PLC的选取 设备需要的输入输出信号如下： x0脉冲输入 x1脉冲输入 x2前限位 x3后限位 y3 前进! x4前减速位 y4 后退 x5电机运转信号 y5 高速 x6刀上位 y6 中速 x7滑刀保护 y7 低速 x10压纸器上位 y10 x11光电保护 y11 x12小车后位 y12 进给离合x13双手下刀按钮 y13 压板下 x14停止按钮 y14 刀离合 x15连杆保护 y15 电机禁启动 x16刀回复到位 针对这些必需的输入点数，选用了FX1s30MR的PLC，因为选用了人机界面，其它一些手动动作，如前进、后退、换刀等都通过人机界面实现，不需占用PLC输入点，从而为选用低价位的FX1s系列PLC成为可能，因为FX1s系列PLC输入点最多只有16点。另外此系列PLC的高速计数器具有处理频率高达60千赫的脉冲的能力，足可以满足切纸机对精度的要求。 3.2 编码器的选取 编码器的选取要符合两个方面，一是PLC接收的最高脉冲频率，二是进给的精度。我们选用的是编码器分辨率是500P/R（每转每相输出500个脉冲）的。通过验正可以知道此分辨率可以满足上面两个条件。验证所需的参数：电机最高转速是1500转/分（25转/秒）、进给丝杆的导程是10mm/转。验证如下： 本系统脉冲最高频率25转/秒×500个/转×2（A/B两相）25KHz 理论进给分辨率10mm/500=0.02mm 同时由上面的数据知道进给系统每走1mm编码器发出50（此数据很重要，在PLC程序的数据处理中要用到）个脉冲信号。由于此工程中对编码器的A/B相脉冲进行了分别计数，使用了两个高速计数器，且在程序中应用了高速定位指令，则此PLC可处理的最高脉冲频率为30千赫，因此满足了第一个条件;我们的切纸机的载切精度要求是0.2mm，可知理论精度完全满足此要求。 3.3 变频器和HMI的选取 这两个部件我们都选用了三菱公司的产品，分别是FR-E540-0.75K-CH和F920GOT-BBD-K-C。 4 F920GOT-BBD-K-C的特点: F920GOT是带按键型的HMI，它的使用和编程非常简单方便。它具有以下特点：1）可以方便的实现和PLC的数据交换；2）通过本身自带的6个功能按键开关，可以控制PLC内部的软继电器，从而可以减少PLC输入点的使用;3）具有两个通讯口，一个RS232C（用于和个人电脑通讯）和一个RS422（用于和PLC通讯），利用电脑和F920GOT相连后不仅可以对HMI进行程序的读取和上传，还可以直接对PLC的程序进行上传下载、调整和监控。 5 PLC和HMI程序的编写 此工程中程序的难点主要在于数据的处理上。在切纸机工作过程中除手动让进给定位机构前进后退外，还要实现等分裁切功能和指定具体位置定位功能，并且HMI上还要即时显示定位机构的当前位置。我们为了简化程序中的计算，采用了两个高速计数器C235和C236。C236通过计算前进后退的脉冲数，再进行换算后用于显示进给机构的当前位置；C235用于进行精确定位。定位过程是这样的，每次进给机构需要定位工作时，通过计算把需要的脉冲数送到C235，不论进给机构前进还是后退C235进行减计数，同时对C235中的数值进行比较，根据比较结果驱动相应的输出点对变频器进行输出频率的控制，实现接近设定值时进给速度变慢，从而达到精确定位。因为任何系统都有惯性和时间上的迟滞，所以变频器停止输出的时间并不是C235中的计数值减小到0时，而是让C235和一个数据寄存器D130比较，当C235中的值减小到D130中的设定值时PLC控制变频器停止输出。D130的值可通过人机界面进行修改和设定，在调试时通过修改这个值，以达到定位准确的目的。显示定位机构当前位置的程序见下图1， 图1显示定位机构当前位置程序段 实现定位控制的程序段见下图2。 图2定位程序段 还有一个问题是参数设定时的小数点位问题，实际工作中在设定位置时要精确到0.1mm。这个问题在一些单片机系统中常会遇到，常见的处理办法是加大一个数量级，就是设定数据时，在人机界面上用1代替0.1mm，10代替1mm。不过我们在处理此问题时通过HMI中对数据的设置和PLC的程序编写达到了所见即所得的效果。HMI中主要是对数值的格式要设定好。HMI中的设置画面见下图。 图3HMI中数据设置画面 比如我要等分裁切10.5mm的纸，就可以在HMI上设定为10.5，而不是像我公司其它设备上要设为105，但PLC的寄存器D128的内容是105而不是10.5，这样在计算需要的脉冲数时就要用下面一条命令： MULD128K5D10（此命令中尽管编程时D11不出现但实际上寄存器D11被占用，不能再应用于其它地方，否则会出现问题。） 而不是用： MULD128K50D10 编程中其它应注意的问题。一是双线圈问题。本工程中利用条件跳转和步进指令避免了双线圈问题。二是误信号问题。编码器是一种比较精密的光电产品，受振动时不可避免的会出现误信号，而切纸机在执行裁切动作时会造成很大振动，如果忽视这个现象，定位精度和执行机构当前位置的显示都会不准确。本工程中处理方法参见上面例子程序图1，只有Y3、Y4接通，即只有进给机构前进和后退时才让C236进行计数，这样就屏蔽了裁切时震动造成的误信号。6 变频器的参数设置 此工程中需设定的变频器的主要参数见下。参数 号名 称设定值 0 转矩提升 8%（低速时电机转矩不足时可提高此数字） 43 速设定（高速） 30Hz 53 速设定（中速） 10Hz 63 速设定（低速） 2Hz 7 加速时间 0.5s8 减速时间 0.5s 24 多段速设定（4速）50Hz 79 操作模式 2（只执行外部操作）在调试过程中为了达到定位速度和精度的完美结合，应对三段速设定值，加减速时间和HMI中D130、D200和D202的数值进行相应调整。 7 结论通过上述的改造过程，完全恢复了我们切纸机的功能，试用三个月以来运行非常稳定。由这个应用实例可以看出结合PLC的高速计数器功能，合理的进行应用，在一定场合可以取代高成本的定位控制系统，实现控制系统最优的性价比。也迎合了我国当前提出的建设节约型社会的宗旨。专心-专注-专业