基于PLC網絡控制技術的珩磨機運動控制

唐中燕

(華北電力大學，河北保定071003)

珩磨機是一種利用珩磨頭珩磨工件精加工表面的磨床，主要用在汽車、拖拉機、液壓件、軸承、航空等制造業中珩磨工件的孔。珩磨加工要求珩磨機床控制系統實現對珩磨頭徑向進給運動、旋轉運動以及軸向往復運動的控制，且在加工時需要有精確的位置定位精度。對于這種要求精確定位的位置控制系統，應采用交流伺服電動機和伺服驅動器的伺服系統控制。

為了便于實時準確獲取電動機狀態信息，在線修改電動機參數設置，直接、簡捷地控制電動機運行，主控制器可通過控制網絡對驅動器實施網絡控制。驅動器的網絡控制是指利用通信的手段，實現驅動器與外設的數據交換、驅動器調試監控以及運行過程控制的功能。這里介紹一種將PLC技術應用于高精度珩磨機床的控制系統。即PLC作為主控制器，通過串行通信與控制網絡控制伺服驅動器及變頻器等的運行，實現珩磨機位置伺服控制功能。

1 控制系統構成

珩磨機進給運動由伺服驅動器帶動伺服電動機完成，主運動由變頻器帶動三相電動機完成。控制系統要求具備手動和自動功能。手動用于工藝參數的設置，如分段位置值和速度值。自動用于完成循環加工過程。實際中要求珩磨頭能夠做上下往復運動，且完成一定次數的短沖。

根據珩磨機加工原理和控制要求，控制系統由PLC、伺服驅動器、變頻器及觸摸屏等組成。系統構成如圖1所示。采用RS－485總線構成控制網絡，以主從式結構，主站(PLC)對各從站(伺服驅動器、變頻器等)進行運行控制，即PLC通過RS－485總線與伺服驅動器、變頻器通信，完成對它們控制命令字寫入和實時運行狀態字讀取功能。伺服驅動器主要完成電動機多段速度給定，即通過編碼器接口檢測電動機運行的實際位置，對應不同的位置分段寫入相應的加工速度命令，利用其基本定位功能進行位置控制。同時伺服驅動器讀取電動機實時運行信息(運行狀態字、電動機位置、實際速度、實際轉矩)并上傳給PLC。變頻器用于控制主軸電動機正反轉、點動速度和連續速度給定，同時將主軸運行狀態信息(實際速度、實際轉矩、電動機溫度)上傳給PLC。

PLC采用三菱Q系列 PLC:Q02HCPU模塊、Q61P電源、QJ71C24N串行通信模塊及Q38B基板。伺服驅動器采用三菱網絡控制型交流伺服驅動器MR－J3。變頻器采用三菱FR－E740－CHT。C24N為Q系列PLC的專用串行通信模塊，支持RS－232C、RS－422、RS－485三種串行通信接口傳輸標準。本系統采用RS－485接口方式的一對多連接。變頻器側的RS－485接口使用PU口。伺服驅動器的通信接口為CN3。

通信前C24N模塊、伺服驅動器通信接口、變頻器通信接口需分別進行通信參數的設置。

MR－J3通信接口規范:RS－485;通信協議與方式:ASCII字符傳輸協議，異步/半雙工通信;數據幀格式與長度:11位，起始位1/數據位8/奇偶校驗位1/停止位1。MR－J3通信接口其他通信參數設置如下:

PC20:從站地址，設為0。

PC21.1:通信速率，設為 4，38 400 bit/s。

PC21.3:通信延時，設為 0，無延時。

E740的PU口通信參數設置如下:

Pr79:從站地址，設為1。

Pr118:通信速率，設為 384，38 400 bit/s。

Pr119:停止位長，設為11，數據8位，停止位1位。

Pr120:校驗，設為1，奇校驗。

Pr118:通信速率，設為 384，38 400 bit/s。

Pr123:通信延時，設為0，無延時。

Pr124:有無 CR、LF，設為 2，有 CR、LF。

Pr549:通信協議選擇，設為0，專用通信協議。

2 PLC與伺服驅動器及變頻器的通信

在該控制系統中，PLC與伺服驅動器及變頻器間的通信是實施網絡控制的關鍵。下面介紹通信的具體實現。

2.1 PLC與伺服驅動器的通信

在數據通信或網絡控制時，MR－J3只能以從站的形式接入系統，因此，MR－J3只能接收主站的控制命令，并根據命令要求進行相關操作。MR－J3與PLC的通信過程如下:

①PLC執行通信程序，向驅動器發送控制命令。

②驅動器根據控制命令要求，進行數據讀出或寫入操作(通信處理)，完成后向PLC返回執行結果數據(如返回讀出的參數值或命令執行時的錯誤信息等)。

③PLC執行通信程序，從驅動器接收執行結果數據，并根據執行結果數據，進行相關處理(數據處理)。

PLC通過其串行通信模塊C24N與MR－J3系列伺服驅動器通信時應采用MR－J3的專用協議。該協議下的控制命令格式與執行結果數據格式如圖2～3。

PLC執行通信程序，發送格式A、格式B形式的控制命令，接收格式C、格式D形式的執行結果數據，即可實現與驅動器的通信。其中指令代碼規定了驅動器要進行的操作;數據號用于指定參數號、運行參數等;指令數據為1～16幀，用于數據寫入與運行控制命令，以發送參數值等;讀出數據為驅動器內部工作狀態數據或參數值;出錯代碼為命令執行時的錯誤信息。

鑒于PLC通信程序的編寫與調試非常繁復，三菱電動機提供了用于配置C24系列模塊的各種參數和進行可視化編程的軟件包CX Cconfigurator－SC。所以進行參數設置及通信程序編制都是通過該軟件的。編寫PLC通信程序前，需先制作發送功能塊與接收功能塊。通過CX Configurator－SC軟件包中的FB Support功能完成PLC功能塊的制作。發送功能塊與接收功能塊的制作具體有3步:

①控制命令格式與執行結果數據格式的制作。

按照驅動器通信協議規定的格式A、格式B制作發送數據幀格式;按照驅動器通信協議規定的格式C、格式D制作接收數據幀格式。

②控制命令內容與執行結果數據內容的制作。

按照格式A、格式B填入相應的發送內容(數據或形參);按照格式C、格式D填入相應的接收內容(數據或形參)。

③發送與接收功能塊的制作。

制作的功能塊用于完成數據發送與接收。

根據珩磨機運動控制特點和工藝參數要求，發送數據主要用于實現電動機多段速度命令給定，接收數據主要用于電動機實際運行狀態的讀取。

最后分別對各功能塊編譯后就可以用其編制PLC通信程序了。

2.2 PLC與變頻器的通信

三菱FR系列變頻器在使用本機自帶的串口時可使用兩種通信協議:三菱變頻器專用協議和 Modbus協議。三菱變頻器專用協議的幀格式是完全公開的，本設計使用專用協議。由于在網絡中FR也是作為從站，所以FR也只能接收主站的控制命令，并根據命令要求進行相關操作。FR與PLC的通信過程和MR－J3與PLC的通信過程相同，但其通信協議下的控制命令格式與執行結果數據格式與MR－J3的不同，其控制命令格式與執行結果數據格式如圖4～5所示。

按照變頻器的通信協議編寫PLC通信程序，實現PLC與變頻器的通信。如前所述，該通信程序的編寫也是利用軟件包CX Cconfigurator－SC中的FB Support功能，先制作發送功能塊與接收功能塊，再編寫PLC通信程序。

3 結語

本文構建了基于RS－485的主從式控制網絡。利用該網絡中主站PLC可靠性高、抗干擾能力強、易于編程、能夠實現網絡控制等特點，通過控制網絡完成對各伺服驅動器、變頻器等的運行控制，簡捷地實現了珩磨機的位置伺服控制。

該控制系統實施的控制方法簡單方便，控制功能更加完善，同時利用觸摸屏可以隨時了解和控制加工過程與工藝參數，對各種故障的及時記錄并報警，從而完全實現了珩磨機加工過程的遠程監控。

［1］龔仲華.交流伺服驅動器從原理到完全應用［M］.北京:人民郵電出版社，2010.

［2］王輝.三菱電動機通信網絡應用指南［M］.北京:機械工業出版社，2010.