基于PLC的圓柱最大直徑測量裝置控制系統的設計

王小芍，吳玉國，張良安，秦海波

（安徽工業大學 機械工程學院，馬鞍山 243002）

0 引言

查閱相關資料，目前國內外對于圓柱體最大直徑的檢測多采用非接觸式檢測方法，存在著諸如對專業知識要求高、成本較高等一系列問題，無法滿足大規模的檢測要求[1]。基于這種現狀，本課題設計了一種接觸式測量方法，以PLC為控制核心，對被測圓柱體進行有步驟的輸送定位，配合光柵檢測系統，以流水線測量的方式對圓柱體的最大直徑進行自動檢測，是一種全新的測量裝置系統。

1 測量裝置

圖1為圓柱直徑測量裝置結構示意簡圖，被測圓柱體在板與固定板之間旋轉一周，通過測量此期間兩板之間的最大距離，得到被測圓柱體的最大直徑。本文主要針對此測量方法制定出了一種合理的測量方案，并重點對對此方案的控制系統進行設計與研究。

該檢測裝置主要包括傳送模塊、檢測模塊和分組模塊。

傳送模塊要實現傳送帶按照一定的速度勻速前進，由一個運行指示燈顯示其運行狀態。

檢測模塊一方面要實現擋板對機械運動的控制，完成其帶動被測圓柱體滾動前進的任務；另一方面，利用光柵傳感器測量圓柱體直徑，通過測量彈簧的壓縮量來間接得到擋板與固定板之間的距離，即可知圓柱體直徑。檢測模塊主要由擋板、光柵尺、光電傳感器和四個行程開關構成。

圖1 測量裝置結構示意簡圖

分組模塊由四個噴槍、幾個光電傳感器構成。此模塊中PLC分別控制四個噴槍對分組后相對應的圓柱體噴料，以不同顏色標示，完成分組。

2 測量裝置控制系統的硬件設計

2.1 測量裝置控制系統的控制要求

根據對測量裝置各模塊的分析，對其控制系統也提出了相應的控制要求：

1)初始狀態：擋板處于原點位置；工作指示燈熄滅；傳送帶處于靜止狀態。

2)選擇一個小型交流電機帶動傳送帶勻速運行，用一個啟動/停止開關來控制電機的啟停。

3) PLC控制伺服驅動器控制交流伺服電動機，通過設定Pr0.06（指令脈沖極性設置）參數就可以實現正反轉，從而控制擋板的往復運動，其行程路徑由四個行程開關控制。

4)通過數據處理電路對光柵傳感器的測得的尺寸脈沖進行細分、辨向等處理，以滿足本系統的測量精度要求。

5)對圓柱體進行分組，尺寸區間值為(299.0,29 9.5),(299.5,300.0),(300.0,300.5),(300.5,301.0)，依次為A、B、C、D四組，若尺寸小于299.0mm或者大于301.0mm，則為不合格。

6)A、B、C、D四組分別對應四個可以噴出不同顏色的噴槍，不合格的圓柱體不噴。在每個噴槍的前后安裝兩個光電開關，用來控制噴槍的啟停，準確控制噴槍的工作時間。

2.2 伺服控制系統

本課題的主要任務就是要完成對檢測模塊的控制，完成擋板在X、Y兩個方向上的往復運動，以及光柵尺對圓柱最大尺寸的測量。采用以PLC為控制核心的伺服控制系統，主要包括PLC、伺服驅動器、編碼器和伺服電動機。綜合考慮該系統的控制要求，查閱相關說明書，最終選擇的伺服驅動器為松下A5系列MADHT1507，配套使用的電動機型號為MSME022G1[2]。

圖2 松下A5伺服系統接線圖

圖2 中，SRV-ON口接PLC輸出繼電器控制，控制伺服驅動器啟動、停止。PULS1為指令脈沖輸入端口，SING1為方向信號輸入端口，分別由PLC發出控制信號，來控制伺服機的運行的步數及運行方向。

松下A5伺服驅動器有三種控制模式：伺服電機有三種控制模式：速度控制模式，位置控制模式，轉矩控制模式[3,4]。基于本設計所要完成的任務和精度要求，本設計中伺服驅動器對伺服電動機采用位置控制模式。上圖即為位置控制模式下的制信號接線圖。

在位置控制模式下，伺服驅動器接收PLC發出的位置指令信號脈沖/方向，送入脈沖列形態，經電子齒輪分/陪頻后，在偏差可逆計數器中與反饋脈沖信號比較后形成偏差信號。反饋脈沖是由光電編碼器檢測到電機實際所產生的脈沖數，經四倍頻后產生的。位置偏差信號經位置環的復合前饋控制器調節后，形成速度指令信號。速度指令信號與速度反饋信號與位置檢測裝置相同比較后的偏差信號經速度環比例積分控制器調節后產生電流指令信號，在電流環中經矢量變換后，由SPWM輸出轉矩電流，控制交流伺服電機的運行。

2.3 光柵尺測量電路

光柵是一種數字式位移傳感器,由于其具有高精確度、高分辨率、大量程、較強抗干擾能力、較高測量速度等特點,可實現動態測量、自動測試和數字顯示功能,目前已廣泛應用于位移精密測量和精密定位控制領域[5]。根據采集到的運動方向和信號變化的周期用計數器進行計數,就可以測出總的位移量。

圖3為該測量裝置的測量原理示意圖，圖3（a）圖所示擋板還處于原點位置，兩板之間的距離為H0,原長L0。彈簧被測圓柱到位后，電機1正轉，直到行程開關動作時停止前進，此時兩板之間的距離為H1，如圖3（b）。指示光柵固定在與彈簧相連的軸上，保證了指示光柵和標尺光柵的相對位移與彈簧的伸縮量一致。圓柱體在滾動前進的過程中，圓柱體直徑由小變大時，彈簧被壓縮，圓柱直徑由大變小時，彈簧伸長。彈簧的壓縮和伸長即對應著指示光柵的運動，通過測量指示光柵相對于標尺光柵的相對位移，即可得到彈簧的最大壓縮量，從而便可得到圓柱體的最大直徑Dmax。圖3（c）所示為測量圓柱位于最大直徑處，此時測得彈簧的最大壓縮量為Lmax=(L0-L2)，圓柱最大直徑即為：

圖3 測量原理示意圖

本設計預采用北京正開儀器有限公司生產的MC-JCXF系列小型位移光柵光感器，用于測量彈簧壓縮位移量。其可以輸出A、B兩路相位差為90°的方波信號，經辨向及計數電路處理后即可獲得與彈簧變形呈正比的計數脈沖[6]。

四倍頻專用集成電路 QA740210可以用于對光柵傳感器方波信號的處理。可以將兩路正交的方波進行四倍頻后產生兩路加、減計數信號，可送加減計數輸入雙時鐘可逆計數器進行加、減計數，也可直接送微型計算機進行數據處理。圖4所示，將集成電路獲得的兩路加減脈沖輸入到PLC的加減計數器，PLC最終通過脈沖計數得到彈簧的最大壓縮量，完成本次測量。

圖4 光柵傳感器測量硬件原理圖

2.4 分組系統

圖5 所示為本設計中分組模塊的噴槍安裝示意圖。四個噴槍依次排列在流水線上，每個噴槍前后各安裝一個光電開關，用于檢測噴槍開始工作和停止工作的時間。PLC依照通過光柵尺測量得到的圓柱直徑尺寸，對噴槍發送工作命令，完成對圓柱體噴料，實現分組[7]。

圖5 噴槍安裝示意圖

2.5 I/O分配及控制接線圖

根據該控制系統的控制要求和對該裝置控制過程的分析，列出圓柱體直徑測量裝置PLC控制系統的I/O端口分配如表1所示。

表1 輸入端子分配

表2 輸出端子分配

由表1和表2中PLC的I/O地址分配可知，系統共有18個開關量輸入點，12個開關量輸出點，根據以上分析，考慮能夠達到以上要求并且性價比較高的因素，最終為本系統選擇的PLC型號為西門子公司S7-226系列。該型號有24個輸入接口，16個輸出接口，可滿足輸入輸出要求。

首先要設置PLC 的啟動/停止控制，保證PLC必須是在一切就緒的情況下工作，同時在發生緊急情況下，可以人工控制程序的停止運行。如圖，I0.0為程序的啟動按鈕，I0.3是緊急停止按鈕。按下I0.0，中間繼電器M0.0自鎖，保證后續程序的執行。緊急情況下，按下I0.3，切斷M0.0，這樣后續的程序全部停止，保證安全。PLC協調各設備之間有序地完成對圓柱體最大直徑的檢測與分組，圖6所示為測量裝置的PLC控制系統接線圖。

圖6 測量裝置PLC控制系統接線圖

3 測量裝置控制系統的軟件設計

系統的軟件設計主要是根據生產工藝要求，完成對PLC程序的設計。

3.1 分組計算

PLC根據采集到的運動方向和信號變化的周期,用計數器C20對光柵尺輸入的加減脈沖進行計數,最終計數值乘以每個脈沖信號代表的移動距離，即為指示光柵和標尺光柵的最大相對位移，即彈簧的最大壓縮量。

本題選用的光柵傳感器的柵距為0.02mm(50線/mm)[8]。對光柵傳感器信號四細分后，每個脈沖信號代表的移動距離為0.005mm，若擋板和固定板之間的初始距離H0設為285mm，根據對圓柱體直徑的分組要求，其分組情況如下：

若1200

若1100

若1000≤C20≤110，則為C組；

若1300

若C20<1000，或 C20>1400，則不合格。

當C20完成一次測量計數后，將其計數值保存在寄存器VW0中，同時C20復位，等待下一次測量計數。

3.2 控制流程圖

在進行系統的程序編寫之前，必須要知道系統的運動流程，流程是根據系統的功能制定的。本系統以雙工作臺流水線上的圓柱體為對象，人工完成上料、下料，PLC完成定位、測量和分組的功能。

光電傳感器SQ0接收到工件到位信息后，PLC控制兩個電機的正反轉，同時光柵傳感器開始測量，最終脈沖計數器C20的值被保存在寄存器VW0中；擋板在電機的帶動下在X、Y兩個方向運動，其運動路徑分別由四個行程開關控制。測量完成后，將計數器清零繼續下一輪的測量，然后對VW0的值進行比較，對尺寸值分組。當圓柱體到達滿足要求的噴碼槍位置是，PLC控制噴槍工作，對圓柱體噴上對應的顏色，完成分組。這就完成了整個控制流程，如圖7所示。

PLC作為整個檢測裝置控制系統核心，承擔著設備的運動功能，同時還承擔著尺寸測量的運算功能。系統控制流程圖完成之后，根據流程圖所要完成的功能，完成PLC程序梯形圖、調試并運行。

圖7 PLC控制流程圖

4 結束語

本課題設計的基于PLC的圓柱體最大直徑檢測裝置的控制系統，具有如下成果：

1)完成傳送、檢測、分組的自動化，節省了大量的人力勞動。

2)與以往的人工測量相比，光柵測量技術的應用提高了測量精度。

3)不同分組的圓柱體使用不同顏色進行標示，為以后的裝配配對工作提供了方便。

[1]向際鷹.低分辨率CCD進行高精度邊緣檢測的一種新方法[J].儀表技術與傳感器,1997.(9):37-40.

[2]陶權,韋瑞錄.PLC控制系統設計、安裝與調試(第2版)[M].北京：北京理工大學出版社,2011.20-27.

[3]K S Low;K W Lim;M F Rahman A microprocessor based fully digital AC servo drive[J]1997(20) doi:10.1016/S0141-9331(97)01118-6.

[4]PANASONIC交流伺服電機驅動器MINAS A5系列使用說明書[Z].

[5]畢軍志.現代傳感器技術及應用[M].北京:電子工業出版社,2010.31-33.

[6]王永華,金友泉.現代電器控制及PLC應用技術[M].北京:北京航空航天大學出版社,2008.46-54.

[7]印浩.用PLC 實現靜電噴槍間隙控制[J].設備管理與維護,2002(6):22-24.

[8]顏正國,許廣賡,張德俊.光柵位移傳感器細分技術的新方法[J].吉林工業大學學報,1995(1):95-101.