基于PLC的控制设计

随着社会生产不断进步和人们生活节奏不断加快，人们对生产效率也不断提出新要求。由于微电子技术和计算软、硬件技术的迅猛发展和现代控制理论的不断完善，使机械手技术快速发展，其中气动机械手系统由于其介质来源简便以及不污染环境、组件价格低廉、维修方便和系统安全可靠等特点，已渗透到工业领域的各个部门，在工业发展中占有重要地位。本文讲述的气动机械手有气控机械手、XY轴丝杠组、转盘机构、旋转基座等机械部分组成。主要作用是完成机械部件的搬运工作，能放置在各种不同的生产线或物流流水线中，使零件搬运、货物运输更快捷、便利。一四轴联动简易机械手的结构及动作过程机械手结构如下图1所示，有气控机械手(1)、XY轴丝杠组(2)、转盘机构(3)、旋转基座(4)等组成。其运动控制方式为：(1)由伺服电机驱动可旋转角度为360°的气控机械手(有光电传感器确定起始0点)；(2)由步进电机驱动丝杠组件使机械手沿X、Y轴移动(有x、y轴限位开关)；(3)可回旋360°的转盘机构能带动机械手及丝杠组自由旋转(其电气拖动部分由直流电动机、光电编码器、接近开关等组成)；(4)旋转基座主要支撑以上3部分；(5)气控机械手的张合由气压控制(充气时机械手抓紧，放气时机械手松开)。其工作过程为：当货物到达时，机械手系统开始动作；步进电机控制开始向下运动，同时另一路步进电机控制横轴开始向前运动；伺服电机驱动机械手旋转到达正好抓取货物的方位处，然后充气，机械手夹住货物。步进电机驱动纵轴上升，另一个步进电机驱动横轴开始向前走；转盘直流电机转动使机械手整体运动，转到货物接收处；步进电机再次驱动纵轴下降，到达指定位置后，气阀放气，机械手松开货物；系统回位准备下一次动作。二控制器件选型为达到精确控制的目的，根据市场情况，对各种关键器件选型如下：1.步进电机及其驱动器机械手纵轴(Y轴)和横轴(X轴)选用的是北京四通电机技术有限公司的42BYG250C型两相混合式步进电机，步距角为0.9°/1.8°，电流1.5A。M1是横轴电机，带动机械手机构伸、缩；M2是纵轴电机，带动机械手机构上升、下降。所选用的步进电机驱动器是SH-20403型，该驱动器采用10～40V直流供电，H桥双极恒相电流驱动，最大3A的8种输出电流可选，最大64细分的7种细分模式可选，输入信号光电隔离，标准单脉冲接口，有脱机保持功能，半密闭式机壳可适应更恶劣的工况环境，提供节能的自动半电流方式。驱动器内部的开关电源设计，保证了驱动器可适应较宽的电压范围，用户可根据各自情况在10～40VDC之间选择。一般来说较高的额定电源电压有利于提高电机的高速力矩，但却会加大驱动器的损耗和温升。本驱动器最大输出电流值为3A/相(峰值)，通过驱动器面板上六位拨码开关的第5、6、7三位可组合出8种状态，对应8种输出电流，从0.9A到3A以配合不同的电机使用。本驱动器可提供整步、改善半步、4细分、8细分、16细分、32细分和64细分7种运行模式，利用驱动器面板上六位拨码开关的第1、2、3三位可组合出不同的状态。2.伺服电机及其驱动器机械手的旋转动作采用松下伺服电机A系列小惯量MSMA5AZA1G，其额定输出50W、100/200V共用，旋转编码器规格为增量式(脉冲数2500p/r、分辨率10000p/r、引出线11线)；有油封，无制动器，轴采用键槽连接。该电机采用松下公司独特算法，使速度频率响应提高2倍，达到500Hz；定位超调整定时间缩短为以往松下伺服电机产品V系列的1/4。具有共振抑制功能、控制功能、全闭环控制功能，可弥补机械的刚性不足，从而实现高速定位，也可通过外接高精度的光栅尺，构成全闭环控制，进一步提高系统精度。具有常规自动增益调整和实时自动增益调整两种自动增益调整方式，还配有RS-485、RS-232C通信口，使上位控制器可同时控制多达16个轴。伺服电机驱动器为A系列MSDA5A3A1A，适用于小惯量电动机。3.直流电机可回旋360°的转盘机构有直流无刷电机带动，系统选用的是北京和时利公司生产的57BL1010H1无刷直流电机，其调速范围宽、低速力矩大、运行平稳、低噪音、效率高。无刷直流电机驱动器使用北京和时利公司生产的BL-0408驱动器，其采用24～48V直流供电，有起停及转向控制、过流、过压及堵转保护，且有故障报警输出、外部模拟量调速、制动快速停机等特点。4.旋转编码器在可回旋360°的转盘机构上，安装有OMRON公司生产的E6A2增量型旋转编码器，编码器将信号传给PLC，实现转盘机构的精确定位。5.PLC的选型根据系统的设计要求，选用OMRON公司生产的CPM2A小型机。CPM2A在一个小巧的单元内综合有各种性能，包括同步脉冲控制、中断输入、脉冲输出、模拟量设定和时钟功能等。CPM2A的CPU单元又是一个独立单元，能处理广泛的机械控制应用问题，所以它是在设备内用作内装控制单元的理想产品。完整的通信功能保证了与个人计算机、其它OMRONPC和OMRON可编程终端的通信。这些通信能力使四轴联动简易机械手能方便的融合到工业控制系统中。三软件编程1.软件流程图流程图是PLC程序设计的基础。只有设计出流程图，才可能顺利而便捷地编写出梯形图并写出语句表，最终完成程序的设计。所以写出流程图非常关键也是程序设计首先要做的任务。依据四轴联动简易机械手的控制要求，绘制流程图如图2所示。2.程序部分由于论文篇幅有限，这里只列出了开始两段程序，供读者参阅，见图3。四结束语四轴联动简易机械手的各个动作和状态都由PLC控制，不仅能满足机械手的手动、半自动、自动等操作方式所需的大量按扭、开关、位置检测点的要求，更可通过接口元器件与计算机组成PLC工业局域网，实现网络通信与网络控制。使四轴联动简易机械手能方便地嵌入到工业生产流水线中。用PLC实现三工位旋转工作台的定位控制王欣，柳滨(中国电子科技集团公司第四十五研究所，北京东燕郊，065201)1引言PLC的处理器速度和功能在不断增加，已发展成具有逻辑控制功能过程控制功能运动控制功能、数据处理功能、联网通信功能等的多功能控制器，加上它的价格低廉、操作简便、改变功能灵活易用、维护工作量小等优势，使PLC在工业生产过程自动化中获得广泛应用。本文介绍采用PLC系统对某设备的三工位旋转工作台进行精确定位的一种低成本、高精度的控制方式(参见图1)，该设备的整体结构是以三菱CC-Link网络通讯方式进行主站和从站设备之间的实时通讯的，工作台系统是该设备的重要结构之一，要求工作台在一定范围内实现旋转角度与速度的精确控制，并将定位结果及时反馈给PLC以进行相应的调整。图1中3个圆形承片台工位以120°均布于旋转工作台面上，要求工位之间能够自由精确地转换位置，各工位的承片台要具有真空、吹气、清洗和按照设定速度值旋转的功能。按照上述功能要求，选用PLC系统和编码器脉冲计数方式进行工作台的位置控制。2控制要求该控制系统根据设备工艺流程的需要来设定定位角度，图1所示的旋转工作台上有3个工位，各工位承片台的位置能根据上位机的控制要求自由转换，(例如操作l号工位的承片台旋转到2号工位进行该工位的工艺加工)所以该系统可以实现的功能有：工作台旋转实现工位的位置转换；各个承片台能按照设定的速度值旋转；工作台需具有在任意位置回零和微调角度的功能；系统运行过程出现异常时能实时报警并停止工作；操作人员可通过确认按钮解除报警信号；还应该具有手动／自动两种控制方式，并设有试验测试功能。3PLC选型PLC的选择应着重考虑PLC的性能价格比，选择可靠性高，功能相当，负载能力合适，经济实惠的PLC。在该设备整体方案选用了三菱CC-Link网络通讯系统的基础上，针对工作台部分控制系统的输入、输出点数和负载能力等要求，选用日本三菱公司FX2N-64MT型PLC。4系统硬件相关配置为实现该系统的手动/自动控制，PLC需要不少于输入23点，输出27点的I/O单元，因此选用三菱公司的FX2N-64MT型可编程序控制器作为主控单元，分别有32个输入和32个输出点，输入端为光电隔离，输出端为晶体管源型，该机型结构紧凑、体积小、质量轻，具有很强的抗干扰能力和负载能力，满足设计需求。由于该设备控制系统采用三菱的现场总线网CC-Link网络通讯方式负责主站对从站发送从控制平台获取的控制信息、从站对主站的反馈信息以及处理各从站之间的信息交换，以实现各台PLC之间的无差错适时自动化运作。因此工作台控制系统作为整个设备的一部分，需要选用CC-Link扩展模块实现和主站设备的远程通讯，从主站获取控制信号以执行各部分的动作。为了实现工作台的精确定位，选用能输出高频脉冲的定位扩展模块FX2N．10GM，10GM是三菱公司的单轴定位单元，属于带CPU的智能模块，它可实现完善的位置控制功能，与PLC并行工作，提高了速度，简化了编程。根据其定位精度选择伺服系统作为执行机构，由于机械传动机构产生的间隙和回程差等外界因素导致的工作台旋转误差，为了测量和补偿这个误差，将一个增量式旋转编码器与工作台同轴安装，伺服电机带动工作台转动的同时，编码器以同样的角速度转动，产生两路相位相差90。的脉冲，通过判断相位超前滞后的关系确定工作台的旋转方向，工作台的每转动一个位置对应一个脉冲计数值，根据设计需要将工作台的各个位置对应的角度换算成相应的脉冲数，通过比较判断所记录的脉冲数就可以实现工作台的定位控制。该部分是工作台定位设计的核心，主要依靠软件来实现，其结构参见图2。各工位承片台的自旋转动作采用模拟量控制模块FX2N-4DA来控制相应伺服系统的转速。4DA模块有4个输出通道，即可外接4个伺服电机，输出通道接受数字信号并转换成等价的模拟信号，最大分辨率是12位。基于输入/输出的电压电流通过用户配线完成，可选用的模拟值范围是直流电压一10～10V(分辨率：5mV)，或者0～20mA(分辨率：20μA，可被每个通道分别选择控制各电机转速。所以旋转工作台电气控制系统是由和上位机通讯的CC-Link扩展模块、定位模块、模拟量控制模块、动作执行机构、增量式编码器、外围控制电路和核心器件PLC组成，PLC是集信号采集、信号输出和逻辑控制于一体，与电力拖动系统一起实现了工作台以及各个工位承片台的所有功能。参见图3系统硬件结构框图。5系统软件设计5．1控制程序流程图基于工作台控制系统的工艺要求，其软件设计思路分为三部分完成控制动作，即：手动状态、测试状态和自动状态。手动状态下可以单独控制每个执行机构的动作，主要有：工作台3个工位之间的位置转换；旋转工作台的手动回零；3个工位的承片台旋转的启动与停止；对各承片台上真空、吹气、清洗水等动作的开、关等。测试状态主要是根据工艺需要，操作各个工位在工作台的允许范围内相对零点的任意角度旋转和对三个工位转动角度的微调，因为实际的工艺可能要求各个工位之间的旋转角度会有所不同，例如需要1号工位旋转119°或其他角度至2号工位，微调测试就可以将其角度值重新调整并确定，以适应各种工艺需求。自动状态分为单程循环和自动循环，指在循环条件满足的状况下，按照系统的工艺流程自动执行的过程，图4所示为具体流程图。软件部分的核心是工作台工位转换时要准确进行工位检测及判断各工位的具体位置，以进行相应的转向控制。因为选用的是低成本经济型控制方式，加之机械设计结构的限制，工作台只能在一定的角度范围内旋转定位(图1所示的左、右极限范围内)，在软件设计过程中要考虑到：无论手动还是自动状态下，控制工作台工位的转换，都需要先判断各承片台相对零点的位置，再执行正转或反转的动作，否则会导致系统极限位报警。图5所示的是操作1号工位的承片台旋转至2号工位时的软件流程，当接受到工位旋转的控制要求后，判断原点承片台位置，如果在l号位，工作台逆向旋转120°后，发送定位结束信号就完成了一个工位的转换。5．2控制系统的通讯方式编写程序时，PLC用FROM/TO指令对定位扩展模块10GM进行读写操作。10GM的m码指令为和PLC进行信息交流提供了方便，它能够实现定位、回零等的操作；还有类似于PLC的基本逻辑指令和功能指令。PLC读写m码信