經濟的PLC伺服隨動控制系統設計

劉春梅 張忠寶

(1.大連大地基礎工程有限公司，遼寧 大連 116023； 2.大連博瑞致信息技術有限公司，遼寧 大連 116000)

0 引言

目前，機電一體化的趨勢日漸明顯，現代化工業、農業、高科技領域及人們生活也越來越離不開PLC伺服控制系統。隨著微電子、計算機、電力半導體和電機制造技術取得巨大技術進步，PLC伺服定位控制系統也將具有更加美好的發展前景。

本次設計實現了基于三菱PLC的伺服隨動控制系統，能夠實現兩軸十字滑臺穩定跟隨工作盤上的磁鋼做圓周運動，轉速范圍為10～50。結構上采用同步輪和同步帶作為兩軸滑臺的傳動機構，在保證系統跟蹤性能的前提下達到了系統的經濟性；系統軟件設計采用模塊化的設計理念，根據系統的插補要求以及硬件連接，分別設計主程序及對應的子程序，將基本功能模塊封裝，模塊間相互獨立，降低了軟件的復雜度，提高了軟件的可靠性。

1 系統方案

從設計要求出發，本設計的系統方案設計如圖1所示，系統結構示意圖如圖2所示。

本系統以三菱PLC為控制核心，由檢測單元、旋轉工作臺、兩軸十字滑臺和人機接口(HMI)4個模塊組成。檢測單元由4個霍爾傳感器組成，用來探測磁鋼的位置，信號經過A/D轉換后傳入到PLC中；旋轉工作臺由變頻器和交流電機構成的變頻調速系統驅動，能夠滿足工作臺以不同速度旋轉的需求；兩軸十字滑臺由兩套伺服驅動器和伺服電機組成的伺服系統構成，能夠實現精確的兩軸聯動；人機接口采用觸摸屏，通過友好的人機界面能夠實現系統的監控。系統的設備選型如表1所示。

表1 系統的設備型號表

名稱型號PLC主機FX3U-48MT模擬量特殊功能模塊FX0N-3A變頻器FR-E400-0.75K交流電機4IK25GN-Y兩軸定位模塊FX2N-20GM伺服驅動器MR-JE-10A伺服電機HG-KN-13歐姆龍觸摸屏NP5-MQ001B

2 硬件設計

2.1 檢測單元

檢測單元由4個霍爾傳感器組成，用來探測磁鋼的位置，信號經過A/D轉換后傳入到PLC中，單路的霍爾傳感器接線圖如圖3所示。

2.2 兩軸十字滑臺

兩軸十字滑臺由兩套伺服驅動器和伺服電機組成的伺服系統構成，能夠實現精確的兩軸聯動，兩軸接線完全相同，圖4顯示了單軸伺服驅動的接線。

通過設置定位模塊和伺服驅動器的參數可以實現不同的運行性能。本系統中，定位模塊的參數設置是在通過定位模塊編程軟件SWOD5-FXVPS-E實現的，具體的參數設置如表2所示。

表2 伺服驅動器設置參數及其功能

2.3 旋轉工作臺

旋轉工作臺由變頻器和交流電機構成的變頻調速系統驅動，能夠滿足工作臺以不同速度旋轉的需求，電氣接線圖如圖5所示。

本系統選用的變頻器型號為FR-E740-0.75k，主要參數設置如表3所示,通過控制電壓輸入來控制頻率輸出，從而達到控制圓盤的旋轉速度的目的，使用D/A模塊輸出連接至變頻器的2，5端子。

表3 變頻器主要設定的參數

3 軟件設計

3.1 系統的軟件流程圖

系統的軟件流程圖如圖6所示。首先進行系統的初始化，然后兩軸滑臺起動，尋找機械零點，以便探頭定位磁鋼位置：機構以一個較慢的速度沿指定軌跡運動，去檢測正在做圓周運動的磁鋼，通過霍爾傳感器檢測到的信號進行比較來定位磁鋼位置，從而獲得磁鋼的旋轉半徑。之后機構原地等待兩周，記錄兩次檢測到磁鋼的時間，從而獲得磁鋼的旋轉速度，最后執行磁鋼的跟隨運動。

3.2 FX0N-3A特殊功能模塊程序設計

模擬量特殊功能模塊FX0N-3A有2個A/D和1個D/A，既可以進行A/D轉換，又可以進行D/A轉換，其緩沖存儲器(BFM)的分配如表4所示，程序使用FROM和TO指令對BFM操作。

3.3 FX2N-20GM定位模塊程序設計

FX2N-20GM定位模塊能夠同時控制兩個軸，內嵌了線性和圓弧插補算法，可以方便地實現兩軸精確定位。PLC使用FROM和TO指令對FX2N-20GM定位模塊的內部存儲數據進行讀寫操作，從而實現信息的獲取以及控制目的。

表4 緩沖存儲器的分配

BFM編號b8-15b7b6b5b4b3b2b1b00保留在A/D轉換通道上的輸入數據16保留在D/A轉換通道上的輸出數據17保留D/A起動A/D起動A/D通道1-518-31保留

3.4 HMI界面設計

本系統選用的觸摸屏型號是歐姆龍公司生產的NP5-MQ001B，使用編程工具NP-Designer來進行界面設計，本系統設計的觸摸屏界面如圖7所示。

本系統的HMI界面共有3個：設置及控制界面、運行狀態顯示界面、運行軌跡顯示界面，不僅可以控制系統，而且可以進行運行狀態顯示。

4 系統調試及結論

本課題設計的PLC伺服隨動控制系統實物圖如圖8所示。

經過模擬量特殊功能模塊調試、變頻器調試、定位模塊調試以及系統的綜合調試，本系統能夠實現對磁鋼的穩定跟隨，主要的系統功能有：

1)手動控制十字架在XY平面的自由運動；

2)摸屏作為人機接口，實現了系統的監控功能，不僅可以控制系統、設置參數，而且也可以實時顯示系統運行狀態；

3)用PLC的高速脈沖輸出直接控制伺服驅動器，設計插補操作定位算法控制系統運行。

本系統采用同步輪和同步帶作為兩軸滑臺的傳動機構，經濟高效。實驗結果表明，各項功能均可實現，達到預期，設計滿足要求。