基于PLC的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

(東北林業(yè)大學(xué) 黑龍江 哈爾濱 150000)

基于PLC的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

秦爭(zhēng)營(yíng)

(東北林業(yè)大學(xué)黑龍江哈爾濱150000)

本文在研究運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)相關(guān)理論的同時(shí)，將PLC應(yīng)用于自動(dòng)配料系統(tǒng)中配料小車(chē)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中。設(shè)計(jì)的PLC運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)是由系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)和系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)兩部分組成。其中，硬件設(shè)計(jì)主要是硬件的選型設(shè)計(jì)，軟件設(shè)計(jì)包括主程序以及其他輔助控制程序設(shè)計(jì)，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速、及轉(zhuǎn)向控制。

PLC；運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)；步進(jìn)電動(dòng)機(jī)

1873年法國(guó)科學(xué)家J.J Farcot在其出版的“Le Ser——Motor on Moteur Asservi”著作中介紹了伺服系統(tǒng)，然后經(jīng)過(guò)智能化和自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，最終伺服系統(tǒng)發(fā)展為目前的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)[1]。在早期的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)可以作為一個(gè)單獨(dú)的控制器，但是這種控制器智能單一的行業(yè)，不能跨行業(yè)應(yīng)用，而PLC在運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，完全解決了上述問(wèn)題，為運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)在各領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用提供了技術(shù)支持。

一、運(yùn)動(dòng)控制的基本概念

運(yùn)動(dòng)控制(MC)是自動(dòng)化的一個(gè)分支，是通過(guò)電壓、電流、頻率等輸入點(diǎn)亮的控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備運(yùn)動(dòng)準(zhǔn)確控制。運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)可以有效地完成設(shè)備運(yùn)動(dòng)部件定位、速度以及運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行實(shí)時(shí)控制[2]。它使用統(tǒng)稱為伺服機(jī)構(gòu)的一些設(shè)備，先行執(zhí)行機(jī)或者是電機(jī)來(lái)控制機(jī)器和速度。

運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)是在以數(shù)字信號(hào)處理器DSP為代表的高性能高速微處理器及大規(guī)模可編程邏輯器件FPGA的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的，他是廣義上的數(shù)控裝置[3]。

二、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的組成及分類(lèi)

(一)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的組成

(1)一個(gè)運(yùn)動(dòng)控制器用以生成軌跡點(diǎn)(期望輸出)和閉合位置的反饋環(huán)。許多控制器也可以在內(nèi)部閉合一個(gè)速度環(huán)。

(2)一個(gè)驅(qū)動(dòng)器或放大器用來(lái)將運(yùn)動(dòng)控制器的控制信號(hào)(通常是速度或扭矩信號(hào))轉(zhuǎn)換為更高功率的電流或電壓信號(hào)。更為先進(jìn)的智能化驅(qū)動(dòng)可以自身閉合位置環(huán)和速度環(huán)，以獲得更精確的控制。

(3)一個(gè)執(zhí)行器如液壓泵、氣缸、線性執(zhí)行機(jī)構(gòu)或電機(jī)用以輸出運(yùn)動(dòng)。

(4)一個(gè)反饋傳感器如光電編碼器、旋轉(zhuǎn)變壓器或霍爾效應(yīng)設(shè)備等用以反饋執(zhí)行器的位置到位置控制器，以實(shí)現(xiàn)和位置控制環(huán)的閉合。

(5)眾多機(jī)械部件用以將執(zhí)行器的運(yùn)動(dòng)形式轉(zhuǎn)換為期望的運(yùn)動(dòng)形式，它包括齒輪箱、軸、滾珠絲杠、齒形帶、聯(lián)軸器以及線性和旋轉(zhuǎn)軸承。

(二)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)功能的分類(lèi)

(1)點(diǎn)位運(yùn)動(dòng)控制。這種運(yùn)動(dòng)控制的特點(diǎn)是僅對(duì)終點(diǎn)位置有要求，與運(yùn)動(dòng)的中間過(guò)程即運(yùn)動(dòng)軌跡無(wú)關(guān)。相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)控制器要求具有快速的定位速度，在運(yùn)動(dòng)的加速段和減速段，采用不同的加減速控制策略。

(2)連續(xù)軌跡運(yùn)動(dòng)控制。又稱為輪廓控制，主要應(yīng)用在傳統(tǒng)的數(shù)控系統(tǒng)、切割系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)輪廓控制。相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)控制器要解決的問(wèn)題是如何使系統(tǒng)再告訴運(yùn)動(dòng)的情況下，既要保證系統(tǒng)加工的輪廓精度，還要保證刀具沿輪廓運(yùn)動(dòng)時(shí)的切向速度的恒定。

三、基于PLC在控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

本文將研究自動(dòng)配料系統(tǒng)中配料小車(chē)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，其中配料小車(chē)的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)原理如圖1所示。隨著科學(xué)技術(shù)不斷的發(fā)展，工業(yè)制造的智能化水平也不斷地提高，這使PLC在運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。

圖1 配料小車(chē)的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)原理

由圖可知，配料小車(chē)的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)主要包括人機(jī)交換界面、PLC、定位模塊、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和步進(jìn)電機(jī)這五部分。在此系統(tǒng)中，技術(shù)人員通過(guò)人機(jī)交換界面進(jìn)行操作，然后PLC將會(huì)接收相關(guān)的操作指令，PLC的CPU經(jīng)過(guò)處理分析后將會(huì)對(duì)定位模塊發(fā)送操作指令，定位模塊接收到操作指令后，產(chǎn)生相關(guān)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，這驅(qū)動(dòng)信號(hào)將會(huì)控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)，達(dá)到控制配料小車(chē)的位置、速度等參數(shù)。隨著科學(xué)技術(shù)不斷的發(fā)展，工業(yè)制造的智能化水平也不斷地提高，這使PLC在運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。

(一)硬件選型。本文設(shè)計(jì)的配料小車(chē)的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的PLC型號(hào)為為西門(mén)子S7-300，同時(shí)定位模塊型號(hào)為FM353。S7-300系列PLC不僅擁有配置靈活、擴(kuò)展功能強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，而且具有通信聯(lián)網(wǎng)能力強(qiáng)和編程方法靈活等優(yōu)點(diǎn)，能夠根據(jù)客戶的需求進(jìn)行模塊組合，有效地滿足不同行業(yè)對(duì)控制系統(tǒng)的需求。隨著科學(xué)技術(shù)不斷的發(fā)展，工業(yè)制造的智能化水平也不斷地提高，這使PLC在運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。

FM353可以輸出最高可達(dá)200K的脈沖，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的速度進(jìn)行精確控制。此外，F(xiàn)M353定位模塊還具有4DI/4DO編程功能，可以通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)動(dòng)部件精準(zhǔn)的定位，同時(shí)能夠?qū)?fù)雜的運(yùn)動(dòng)模式簡(jiǎn)單化，提高設(shè)備的響應(yīng)速度以及控制準(zhǔn)確度。FM353定位模塊可以將PLC輸送的弱電信號(hào)轉(zhuǎn)換為強(qiáng)電信號(hào)，從而控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的運(yùn)動(dòng)。隨著科學(xué)技術(shù)不斷的發(fā)展，工業(yè)制造的智能化水平也不斷地提高，這使PLC在運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。

(二)軟件設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的配料小車(chē)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)主要包括主程序設(shè)計(jì)、步進(jìn)電機(jī)位移糾偏措施以及中斷程序。

(1)主程序設(shè)計(jì)。本文設(shè)計(jì)的主程序?yàn)椋河捎诙ㄎ荒K在運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)運(yùn)行前對(duì)運(yùn)動(dòng)部件的停止位置是不知的，因此，在系統(tǒng)運(yùn)行前，定位模塊需要控制步進(jìn)電機(jī)使設(shè)備回歸到初始位置(也即系統(tǒng)的零點(diǎn)位置)。當(dāng)運(yùn)動(dòng)部件回到初始位置后，F(xiàn)M353定位模塊的定位裝置將會(huì)與設(shè)備完成同步工作。于是運(yùn)動(dòng)控制將會(huì)開(kāi)啟自動(dòng)工作模式，可以自動(dòng)的完成客戶指定的定位任務(wù)，當(dāng)指定任務(wù)完成后將會(huì)結(jié)束自動(dòng)模式。

(2)步進(jìn)電機(jī)位移糾偏措施。為了解決開(kāi)環(huán)控制的步進(jìn)電機(jī)存在脈沖丟步的問(wèn)題，在小車(chē)完成一個(gè)裝料循環(huán)，退回卸料點(diǎn)后，步進(jìn)電機(jī)重新確認(rèn)原點(diǎn)。步進(jìn)電機(jī)的齒輪間隙誤差一般較小，可在編程時(shí)通過(guò)脈沖預(yù)置的方法消除誤差。隨著科學(xué)技術(shù)不斷的發(fā)展，工業(yè)制造的智能化水平也不斷地提高，這使PLC在運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。

(3)中斷程序。FM353提供中斷輸人功能，控制系統(tǒng)設(shè)有急停、暫停、步進(jìn)電機(jī)前后限位等信號(hào)作為外部中斷輸入，當(dāng)PLC檢測(cè)到這些信號(hào)時(shí)，可根據(jù)故障等級(jí)執(zhí)行緊急停機(jī)、安全停機(jī)和正常停機(jī)，及時(shí)處理故障，確保設(shè)備和人身的安全。除PLC的CPU故障外，對(duì)于一般故障，系統(tǒng)應(yīng)能保留故障前的數(shù)據(jù)狀態(tài)，可以重新投入自動(dòng)運(yùn)行，對(duì)于嚴(yán)重故障，應(yīng)能通過(guò)設(shè)計(jì)的手動(dòng)和點(diǎn)動(dòng)控制功能手動(dòng)處理故障后的工序。

四、結(jié)束語(yǔ)

隨著科學(xué)技術(shù)不斷的發(fā)展，工業(yè)制造的智能化水平也不斷地提高，這使PLC在運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。本文通過(guò)對(duì)控制系統(tǒng)相關(guān)理論的研究，同時(shí)采用PLC設(shè)計(jì)自動(dòng)配料系統(tǒng)中配料小車(chē)的控制系統(tǒng)，提高PLC在運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的應(yīng)用水平，為運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)智能化發(fā)展提供經(jīng)驗(yàn)借鑒。

[1]林杰文, 吳亦鋒. 基于PLC的伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 機(jī)電技術(shù), 2015(5): 20-23.

[2]陸幸駿, 包曄峰, 楊可. 基于PLC的兩軸運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 鍛壓裝備與制造技術(shù), 2015, 50(1):62-64.

[3]張志敏, 路敦民, 張厚江, 賀昌勇. 基于LabVIEW及PLC電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J]. 測(cè)控技術(shù), 2016, 35(1): 56-60.