基于AB PLC的絲杠控制系統(tǒng)的設計與調(diào)試

張文輝+王一凡+付華良

摘 要：設計了基于AB公司的Micro850-48QWB PLC的絲杠控制系統(tǒng)，并對系統(tǒng)進行了調(diào)試，系統(tǒng)以AB公司的Micro850-48QWB PLC為主控制器，通過觸摸屏實現(xiàn)系統(tǒng)啟動和停止，PLC通過以太網(wǎng)通訊方式控制變頻器，來驅(qū)動絲杠運轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)系統(tǒng)對滑塊的運動速度以及位置精度的要求。

關鍵詞：絲杠控制；PLC；變頻器；觸摸屏

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.22.106

1 絲杠控制系統(tǒng)的簡介

絲杠是將回轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為直線運動，或者將直線運動轉(zhuǎn)化為回轉(zhuǎn)運動的理想產(chǎn)品。絲杠主要應用于精密機械，將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為直線移動，精度高，能夠大大提高生產(chǎn)效率以及產(chǎn)品合格率。

絲杠控制系統(tǒng)是利用控制器與檢測元件實現(xiàn)對絲杠中滑塊的運動速度以及精度的控制與監(jiān)測。在PLC程序中設定好運行頻率、加減速時間后，通過以太網(wǎng)傳輸至變頻器，并且可以在觸摸屏操作實現(xiàn)啟停以及實時監(jiān)視電動機運行頻率的變化曲線。絲杠控制系統(tǒng)不需要按鈕，可以通過觸摸屏實現(xiàn)系統(tǒng)的啟停。

2 系統(tǒng)的控制精度要求

系統(tǒng)運行精度要求如下：

（1）在PLC程序中指定頻率后，滑塊以指定頻率從起點勻速運行450mm至終點后以0.8倍指定速度返回起點并停在起點處，通過中間的光電開關以及監(jiān)測程序檢測滑塊在運行過程中是否為勻速。

（2）在觸摸屏上指定絲杠中間的一個刻度，滑塊以最快速度運行至指定刻度處，運行過程中無抖動且不會過沖，速度曲線為加速-減速-停這一過程，而非勻速到達，且誤差在±1mm之內(nèi)。

3 系統(tǒng)硬件設計

3.1 系統(tǒng)總體設計

本系統(tǒng)主要由PLC、變頻器、觸摸屏、驅(qū)動裝置、絲杠、檢測裝置等構成。PLC作為絲杠控制系統(tǒng)的核心，按照內(nèi)部存儲的用戶程序?qū)崿F(xiàn)控制，通過接收檢測裝置的反饋信號以及觸摸品的控制信號，控制變頻器。PLC、變頻器與觸摸屏采用TCP/IP協(xié)議通訊，通過建立一個小型以太網(wǎng)實現(xiàn)通訊，驅(qū)動絲杠轉(zhuǎn)動，帶動滑塊移動，從而實現(xiàn)對滑塊運動速度以及精度的控制。如圖1所示。

3.2 PLC的接線

Micro850-48QWB是AB公司的48點PLC，擁有28個輸入端口和20個輸出端口。有多種通訊方式可供選擇，同時擁有強大的組網(wǎng)能力。

根據(jù)系統(tǒng)控制要求，由于此系統(tǒng)編程中高速計數(shù)器采用帶外部復位和保持的雙輸入計數(shù)器 （遞增和遞減），所以PLC輸入端I10、I11需要接入編碼器A、B相，以確保高速計數(shù)器正常使用。PLC硬件接線圖如圖2所示。

3.3 變頻器與PLC的通訊方式及參數(shù)設置

PowerFlex520 系列交流變頻器可實現(xiàn)最佳系統(tǒng)性能，縮短設計時間。系統(tǒng)中變頻器與PLC之前采用以太網(wǎng)通訊，通過路由器與網(wǎng)線建立起一個小型局域網(wǎng)，通過設置變頻器與PLC的IP地址使它們在同一網(wǎng)段內(nèi)，從而實現(xiàn)PLC與變頻器的通訊與控制。

變頻器參數(shù)如表1所示。

4 系統(tǒng)軟件設計

4.1 速度計算方法

在觸摸屏上指定絲杠中間的一個刻度，滑塊以最快速度運行至指定刻度處，運行過程中無抖動且不會過沖，速度曲線為加速-減速-停這一過程，而非勻速到達，且誤差在±1mm之內(nèi)。

首先需要確定滑塊的運行頻率，設計要求最快速度，而且不會抖動，通過設定不同頻率進行試驗，最終選定60Hz作為最高頻率，為了實現(xiàn)加速-減速-停這一曲線，需要對運行頻率做一番計算，如圖3所示。

注釋：A段表示加速階段頻率，計算公式為（實際位置-起點位置/P2-起點位置）×48+12；

B段表示加速階段頻率，計算公式為（P4-實際位置/P4-P2）×48+12；

C段表示滑塊接近指定位置時，變成勻速運動，直至停下來。這樣做的目的是保證滑塊不會過沖且誤差在±1mm之內(nèi)。

4.2 位置計算方法

此次設計選擇了長度為500mm的絲杠，經(jīng)過測量，每旋轉(zhuǎn)一圈，滑塊將運動4mm。本系統(tǒng)采用LPD3806-360BM-G5-24C編碼器進行滑塊位置計算，編碼器通過聯(lián)軸器與絲杠相連，分辨率為360線，即旋轉(zhuǎn)一圈，編碼器會發(fā)出360個脈沖，絲杠旋轉(zhuǎn)一圈，滑塊運動4mm，通過計算得出滑塊運動1cm編碼器發(fā)出的脈沖為360/0.4=900個，這樣便可以通過采集的高速脈沖計算出滑塊的位置。

4.3 系統(tǒng)流程圖

系統(tǒng)開始運行后，運行控制要求一時，在觸摸屏上點擊綠色啟動按鈕，若滑塊不在起點處，則先讓滑塊返回起點，若滑塊已在起點處，則開始運行，按照系統(tǒng)控制要求運行完一個周期后，滑塊返回起點，并最終停止，若要繼續(xù)運行，則再次按下啟動按鈕。

運行控制要求二時，首先在觸摸屏上設定位置信息，然后按下紅色啟動按鈕，按要求運行到指定位置，若要更改位置，則在觸摸屏上修改完成后再次按下紅色啟動按鈕，系統(tǒng)繼續(xù)運行。絲杠控制系統(tǒng)狀態(tài)流程圖如圖4所示。

5 系統(tǒng)調(diào)試

通過HMI界面，操作人員可以控制系統(tǒng)的啟停，并且實時觀察到滑塊當前位置、滑塊運行速度以及滑塊運行速度和位置曲線，并可通過HMI界面設置目標位置，控制滑塊運行，如圖5所示，當前位置為0cm，當前速度為0cm/s，表示滑塊目前停在起點處，通過檢測程序可以了解到滑塊是否滿足勻速運行的要求。經(jīng)過反復試驗，使得滑塊運行滿足控制要求二，在觸摸屏上可以通過設定目標值與滑塊當前位置值了解到實際誤差。

6 總結(jié)

本文設計了一種PLC控制的絲杠控制系統(tǒng)，系統(tǒng)以觸摸屏作為人機界面控制系統(tǒng)啟停，PLC通過以太網(wǎng)通訊方式控制變頻器，并最終控制絲杠中滑塊的運行速度及運行位置精度。該系統(tǒng)通過調(diào)試能夠滿足不同的精度要求，適用性廣泛。

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作者簡介：張文輝（1996-），江蘇常州人，學生，第四屆“AB杯”全國大學生自動化系統(tǒng)應用大賽二等獎，2017年江蘇省高等職業(yè)院校技能大賽“亞龍杯”自動化生產(chǎn)線安裝與調(diào)試項目一等獎，主要研究方向：機電一體化技術、電氣自動化技術。endprint