基于PLC的光柵刻劃機(jī)控制系統(tǒng)研究

王 淼

WANG Miao

（長春汽車工業(yè)高等專科學(xué)校，長春 130011）

0 引言

光柵作為現(xiàn)代高精度光譜儀器的核心元件，廣泛應(yīng)用于天文學(xué)、光通信及國防等諸多重要領(lǐng)域，其制造能力已成為光譜儀器技術(shù)的關(guān)鍵[1]。目前通過高精度的光柵刻劃機(jī)刻劃衍射光柵依然是制作高質(zhì)量母光柵最重要的手段，而光柵刻劃機(jī)的刻劃質(zhì)量則在很大程度上取決于其控制系統(tǒng)的控制精度[2,3]。因此研究高精度的光柵刻劃機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)對(duì)獲得高精度光柵具有重要意義。

針對(duì)制作高質(zhì)量母光柵對(duì)光柵刻劃機(jī)的高控制精度需求，基于PLC可編程邏輯控制器設(shè)計(jì)了光柵刻劃機(jī)位置和溫度控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)以交流伺服電機(jī)為動(dòng)力元件，使用加熱板控制器為溫控設(shè)備，可以實(shí)現(xiàn)光柵刻劃機(jī)工作臺(tái)的高精度控制。同時(shí)為便于實(shí)時(shí)了解光柵刻劃機(jī)的工作情況，還基于LabVIEW軟件開發(fā)了光柵刻劃機(jī)的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。

1 基于PLC的控制系統(tǒng)

以PLC為核心的光柵刻劃機(jī)控制系統(tǒng)原理圖如圖1所示，控制系統(tǒng)主要通過控制兩臺(tái)伺服電機(jī)（圖中M）來完成光柵的分度及刻劃工作循環(huán)，系統(tǒng)還通過溫度模塊對(duì)光柵刻劃機(jī)工作環(huán)境溫度進(jìn)行控制。光柵刻劃機(jī)進(jìn)行光柵加工時(shí)控制系統(tǒng)PLC向執(zhí)行元件（伺服電機(jī)和溫度模塊）發(fā)送命令，同時(shí)還接收伺服電機(jī)編碼器的檢測(cè)信號(hào)、光柵尺和讀數(shù)頭信號(hào)及溫度模塊的環(huán)境溫度作為反饋，以便及時(shí)通過PLC對(duì)執(zhí)行元件的工作參數(shù)進(jìn)行更新修正，提高所加工光柵的品質(zhì)。

圖1 基于PLC的光柵刻劃機(jī)控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)的核心PLC選用三菱Fx1N-60MT可編程控制器，其直接以220V交流電源為輸入，且有60個(gè)I/O點(diǎn)的基本單元（其中直流輸入36點(diǎn)、晶體管輸出24點(diǎn)）。Fx1N-60MT的輸入接口電路如圖2所示，其中虛線框內(nèi)為PLC內(nèi)部電路，R1為限流電阻，R2和C1構(gòu)成濾波電路，發(fā)光二極管與光電三極管封裝成光電耦合器，該點(diǎn)的輸入狀態(tài)通過LED發(fā)光二極管指示。若COM端接低電平，則開關(guān)SW4閉合，光電耦合器的二極管中有電流流過，光電三極管導(dǎo)通，開關(guān)SW4閉合的信號(hào)被送入內(nèi)部電路，同時(shí)LED燈亮，指示開關(guān)SW4閉合。

圖2 PLC輸入接口電路

光柵刻劃機(jī)控制系統(tǒng)的溫度模塊選用Fx2N-4AD-PT模擬量輸入模塊和Fx2N-2DA模擬量輸出模塊。Fx2N-4AD-PT將來自四個(gè)箔溫度傳感器的輸入信號(hào)放大并轉(zhuǎn)換為12位可讀數(shù)據(jù)，在程序中占用8個(gè)I/O點(diǎn)；Fx2N-2DA用于將12位的數(shù)字值轉(zhuǎn)換成2點(diǎn)模擬電壓輸出和電流輸出并將它們輸入到PLC中，在程序中占用8個(gè)I/O點(diǎn)。

2 各接口電路的設(shè)計(jì)

PLC光柵刻劃機(jī)控制系統(tǒng)主要包括：1)以斷路器和繼電器為主的開關(guān)保護(hù)電路；2)PLC與伺服驅(qū)動(dòng)器間的接口電路；3)PLC與光柵反饋裝置間的接口電路；4)PLC和溫控設(shè)備間的接口電路等接口電路，在此僅前給出前個(gè)接口電路的設(shè)計(jì)。

2.1 開關(guān)保護(hù)電路

控制系統(tǒng)設(shè)置了常開與常閉兩個(gè)控制按鈕以對(duì)開關(guān)保護(hù)電路中的繼電器、斷路器及接觸器等進(jìn)行控制操作。開關(guān)保護(hù)電路的繼電器選用OMRON-MY4J-24V-DC型直流繼電器、斷路器選用MerlinGerin-Multi9-C65N-C2型交流斷路器與MerlinGerin-Easy9-C6-EA9A N1C6型直流斷路器、接觸器則選用Telemecanique-LC1-D0910型交流接觸器。

總開關(guān)控制電路如圖3所示，其工作過程為：220V交流上電并閉合交流斷路器，按下常開按鈕的瞬間，繼電器線圈通電后三組觸點(diǎn)（端子2和3、5和6及8和9）閉合，觸點(diǎn)2輸出24V直流電通過常閉按鈕給繼電器線圈供電，電路保持連通繼電器工作，然后觸點(diǎn)5輸出24V直流電供給伺服驅(qū)動(dòng)器的開關(guān)控制系統(tǒng)，觸點(diǎn)8則輸出220V交流電給PLC供電。

圖3 總開關(guān)控制電路圖

2.2 PLC和伺服驅(qū)動(dòng)器的接口電路

控制系統(tǒng)選用三菱MR-J2S-40A型伺服驅(qū)動(dòng)器，其硬件接口電路如圖4所示。伺服驅(qū)動(dòng)器的主電路和控制電路分開供電，其中PLC的輸出公共端子與伺服驅(qū)動(dòng)器CN1A接口的公共端相連，PLC的輸出端子Y1、Y5分別與CN1A的脈沖控制端子PP和NP相接以控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，PLC的輸出端子Y3與CN1A的速度選擇端子SP1相接以判斷電機(jī)是否處于速度控制模式，CN1A的OPC端子和COM端子短接以提供驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部使用的低壓電源。伺服驅(qū)動(dòng)器輸出三相電源驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)，伺服電機(jī)同軸編碼器通過雙絞屏蔽電纜把反饋信號(hào)傳遞到伺服驅(qū)動(dòng)器的CN2接口，形成伺服系統(tǒng)的閉環(huán)控制。

圖4 PLC和伺服驅(qū)動(dòng)器的接口電路

2.3 PLC和光柵反饋裝置之間的接口電路

光柵刻劃機(jī)控制系統(tǒng)的光柵尺為Renishaw反射式金屬光柵尺，初始分辨率為20μm，經(jīng)過200細(xì)分后，反饋系統(tǒng)的最終分辨率為100nm。讀數(shù)頭經(jīng)細(xì)分后輸出A、B二相正交、占空比為50%的5V方波信號(hào)，而PLC能接收的信號(hào)的電壓為24V，因此設(shè)計(jì)了脈沖接口模塊（圖5）將5V電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為24V電壓信號(hào)供PLC計(jì)數(shù)。

3 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

光柵刻劃是相當(dāng)漫長的過程，這就要求光柵刻劃機(jī)的控制操作應(yīng)盡可能的簡單友好，傳統(tǒng)的PLC人機(jī)界面已無法實(shí)現(xiàn)高效率的光柵制造。基于圖形化的LabVIEW平臺(tái)設(shè)計(jì)光柵機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，通過PC終端軟件即可完成實(shí)時(shí)刻劃數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)分析及數(shù)據(jù)庫建立等操作，這樣不僅可使光柵刻劃機(jī)的刻劃過程更為直觀易懂，而且還能及時(shí)發(fā)現(xiàn)光柵刻劃過程中的異常情況，提高光柵刻劃過程的可靠性和光柵刻劃機(jī)的刻劃效率。

3.1 PC與PLC間的通信

計(jì)算機(jī)與PLC間采用主從方式進(jìn)行通信，即以計(jì)算機(jī)為主機(jī)而PLC作為從機(jī)，一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中只能有一臺(tái)主機(jī)，從機(jī)收到主機(jī)的讀寫命令之后才能發(fā)送數(shù)據(jù)。就小型控制系統(tǒng)而言，為盡可能的降低系統(tǒng)成本，常利用FX1N系列PLC編程口實(shí)現(xiàn)上位機(jī)PC與PLC通信。PLC編程口的基本功能是向PLC的用戶程序區(qū)寫入程序和進(jìn)行程序的在線調(diào)試，其完全具備監(jiān)控通信接口的功能，并具備讀、寫、置位及復(fù)位PLC內(nèi)部軟元件的能力。控制系統(tǒng)的PLC程序調(diào)試成功之后，編程口就基本上閑置，因此采用PLC的編程口進(jìn)行通信操作。

表1 通信指令

圖5 脈沖接口模塊電路圖

光柵刻劃機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的PC通過RS-232通信端口，經(jīng)信號(hào)轉(zhuǎn)換后直接與PLC的編程口連接。不同于有通信軟件的接口不同，F(xiàn)X1N系列PLC編程口不能使用匯編級(jí)的通信指令和符號(hào)化的地址，而只能用表1所示的4條指令，并且在編程中必須將這4條指令以16進(jìn)制機(jī)器碼的形式來表示。

3.2 監(jiān)控系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

LabVIEW是美國NI（National Instrument）公司開發(fā)的圖形化編程語言開發(fā)環(huán)境，其具有高效、靈活及面向?qū)ο蟮葍?yōu)點(diǎn)，它集成了GPIB、VXI、RS-232和RS-485協(xié)議的硬件及數(shù)據(jù)采集卡通訊的全部功能，還內(nèi)置了便于應(yīng)用TCP/IP、ActiveX等軟件標(biāo)準(zhǔn)的庫函數(shù)，運(yùn)用虛擬儀器軟件LabVIEW可以很方便實(shí)現(xiàn)基于PLC的遠(yuǎn)程在線實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)。

圖6 實(shí)時(shí)監(jiān)控界面

通過LabVIEW編程實(shí)現(xiàn)PLC控制系統(tǒng)的監(jiān)控界面，不僅可以顯示被控對(duì)象的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)曲線，而且還可通過PLC的編程口進(jìn)行被控對(duì)象參數(shù)設(shè)置。基于LabVIEW平臺(tái)構(gòu)建的光柵刻劃機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)界面如圖6所示，通過監(jiān)控系統(tǒng)不僅可以觀察光柵刻劃過程的實(shí)時(shí)溫度等參數(shù)變化情況，還允許用戶根據(jù)需要對(duì)光柵刻劃機(jī)的工作模式和參數(shù)進(jìn)行設(shè)定。

4 結(jié)束語

光柵刻劃機(jī)作為衍射光柵最重要的制作手段，其具有高精度的控制系統(tǒng)是制作高品質(zhì)母光柵的必要條件。以PLC為控制核心，本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了以伺服電機(jī)和溫度模塊為執(zhí)行元件的光柵刻劃機(jī)控制系統(tǒng)，完成了硬件PLC的選型并對(duì)其中的主要硬件接口電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)；最后還基于圖形化的LabVIEW編程軟件編輯了光柵刻劃機(jī)的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)光柵刻劃過程的遠(yuǎn)程監(jiān)控，可極大地提高光柵刻劃機(jī)的刻劃效率。

[1]劉棟材,李端發(fā),練國富,等.光柵刻劃機(jī)的建模與仿真方法研究[J].計(jì)算機(jī)工程,2012,38(4):31-34.

[2]蔡錦達(dá),王英,顏廷萌,等.衍射光柵刻劃機(jī)的閉環(huán)控制系統(tǒng)[J].光學(xué)精密工程,2012,20(11):2416-2423.

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