基于PLC 及伺服控制器的自動(dòng)卷繞控制設(shè)計(jì)

張愛麗，祝天龍，蔡武珍

(1.河南師范大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息技術(shù)學(xué)院，河南新鄉(xiāng)，453007;2.新鄉(xiāng)天祿公司，河南新鄉(xiāng)453007)

0 引言

目前在控制領(lǐng)域，傳統(tǒng)的模擬控制已被數(shù)字控制方式所代替，計(jì)算機(jī)技術(shù)、PLC技術(shù)及工控機(jī)的發(fā)展使控制的實(shí)時(shí)性及精度得到了很大提高，基于數(shù)字技術(shù)的控制升級(jí)使計(jì)算機(jī)控制成為發(fā)展的必然趨勢(shì).基于微處理器的伺服控制相比傳統(tǒng)的數(shù)字邏輯控制具有高精度、良好的實(shí)時(shí)性和抗干擾性等優(yōu)勢(shì)，是當(dāng)前控制領(lǐng)域研究的熱點(diǎn).筆者設(shè)計(jì)的管帶卷繞過程控制系統(tǒng)是大多數(shù)電纜、鋁帶等企業(yè)生產(chǎn)過程的重要環(huán)節(jié)，其性能直接影響后期工序及產(chǎn)品質(zhì)量.目前，國內(nèi)一般采用單片機(jī)或PLC結(jié)合功率控制模塊的方法實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的控制，但因單片機(jī)速度慢，如何提高控制精度及實(shí)時(shí)性成為亟待解決的問題.新型伺服控制器采用數(shù)字信號(hào)處理器DSP作為控制核心，可實(shí)現(xiàn)快速復(fù)雜的控制算法，并便于實(shí)現(xiàn)多個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)器的網(wǎng)絡(luò)化、智能化.筆者選用新型數(shù)字伺服控制器作為核心模塊，采用PLC及觸摸屏實(shí)現(xiàn)管帶卷繞控制的智能化及高精度控制.

1 伺服控制器

1.1 伺服控制器結(jié)構(gòu)

交流伺服系統(tǒng)已經(jīng)進(jìn)入全數(shù)字交流伺服時(shí)代，克服了模擬伺服系統(tǒng)分散性大、零漂、低可靠性等缺陷，發(fā)揮了數(shù)字控制在控制精度和控制方法上的優(yōu)勢(shì).交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器主要由伺服控制、功率驅(qū)動(dòng)、通信接口、伺服電動(dòng)機(jī)及相應(yīng)的反饋檢測(cè)器件組成［1］，如圖1所示.伺服控制單元是整個(gè)交流伺服系統(tǒng)的核心，主要包括位置控制器、速度控制器、轉(zhuǎn)矩和電流控制器，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的位置控制、速度控制、轉(zhuǎn)矩控制.伺服控制單元采用數(shù)字信號(hào)處理器DSP作為控制核心，可快速地實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制算法，并便于實(shí)現(xiàn)多個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)器的網(wǎng)絡(luò)化、智能化.功率驅(qū)動(dòng)單元以智能功率模塊(IPM)為核心進(jìn)行設(shè)計(jì)，IPM內(nèi)部集成了驅(qū)動(dòng)電路，同時(shí)具有過電壓、過電流、過熱、欠壓等故障檢測(cè)保護(hù)電路.主回路中加入軟啟動(dòng)電路，以減小啟動(dòng)過程對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)器的沖擊.

圖1 伺服控制原理框圖Fig.1 Block diagram of servo controller

1.2 位置伺服控制算法

PID調(diào)節(jié)屬于線性控制，它將輸出值與給定值之間的偏差進(jìn)行比例(P)、積分(I)、微分(D)運(yùn)算后，再通過線性組合構(gòu)成調(diào)節(jié)量對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制［2］，其控制規(guī)則為

式中:M(t)為調(diào)節(jié)器的輸出;e(t)為誤差輸入;KP為比例系數(shù);TI為積分時(shí)間常數(shù);TD為微分時(shí)間常數(shù).數(shù)字PID控制算法包括位置式和增量式兩種算法.筆者采用增量式控制算法，對(duì)連續(xù)PID控制式(1)進(jìn)行離散化處理，用采樣時(shí)刻點(diǎn)KT代替連續(xù)時(shí)間t，以數(shù)值積分代替連續(xù)積分，以差分代替微分，得到離散化后的位置式PID控制方程為

從式2可以看出，位置式PID中積分項(xiàng)的計(jì)算需要對(duì)歷史偏差求和，計(jì)算量較大，控制量u(k)的大幅度變化將引起輸出量的大幅度變化［3］.為解決以上弊端，將上式改為u(k)的增量形式，則增量式數(shù)字PID控制規(guī)則表示為

2 電氣原理設(shè)計(jì)

選用小型PLC作為邏輯及定位控制單元，伺服電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī).PLC采集接近開關(guān)的狀態(tài)，給出控制指令，并且通過定位模塊輸出定位脈沖給伺服驅(qū)動(dòng)器.光電編碼器產(chǎn)生脈沖信號(hào)反饋給伺服驅(qū)動(dòng)器作為輸入信號(hào)，與給定值進(jìn)行比較，輸出變化的電壓來實(shí)現(xiàn)電機(jī)調(diào)速，完成送料、夾緊、切斷、拉斷的自動(dòng)循環(huán)等工序［4］.采用觸摸屏作為人機(jī)界面，主要完成生產(chǎn)過程的畫面監(jiān)控、參數(shù)設(shè)置及指令下達(dá)的功能.

本設(shè)計(jì)選用性價(jià)比較高的臺(tái)灣豐煒公司VB2系列PLC，VB2-32M是CPU模塊，含16點(diǎn)輸入及16點(diǎn)輸出;VB2-32XY主機(jī)擴(kuò)展模塊，包括16點(diǎn)輸入及16點(diǎn)輸出;VB-1PG為伺服定位模塊，在PLC程序控制下，輸出正傳、反轉(zhuǎn)脈沖給伺服驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)器完成變頻后，驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn).根據(jù)生產(chǎn)工藝列出本系統(tǒng)所有輸入輸出變量并進(jìn)行I/O分配，如表1所示.表中X是輸入端子，主要接各工件位置的接近開關(guān)，采集狀態(tài)信號(hào)，及電機(jī)起停狀態(tài)，安全保護(hù)控制等.Y是輸出信號(hào)，控制放料電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，切刀、拉斷的氣缸電磁閥線圈，以及主回路與伺服控制回路的供電［5-6］.

表1 PLC I/O分配表Tab.1 PLC I/O distribution table

3 位置控制程序?qū)崿F(xiàn)

VB-1PG是PLC的伺服定位模塊，CPU利用FROM/TO指令與本模塊完成數(shù)據(jù)傳送或命令下達(dá).本模塊除了具有高速輸出端(FP、RP)之外，還具有 JOG(點(diǎn)動(dòng)信號(hào))、PGO(零點(diǎn)信號(hào))、STOP(停止信號(hào))等3個(gè)輸入端，而JOG+、JOG-、原點(diǎn)復(fù)位、錯(cuò)誤復(fù)位、各種模式起動(dòng)等按鈕操作信號(hào)由PLC系統(tǒng)中的CPU模塊的輸入端來定義［7］.對(duì)模塊的軟件編程主要是通過向模塊內(nèi)部的緩沖寄存器BFM寫入不同的控制字來實(shí)現(xiàn)不同的功能.

下面就送料伺服模塊VB-1PG初始化的梯形圖程序進(jìn)行說明，如圖2所示.

圖2 送料伺服初始化梯形圖Fig.2 Ladder chart of servo module’s initial

(1)網(wǎng)絡(luò)2語句ZRST指令完成M0-M2000所有寄存器的復(fù)位，為新的循環(huán)做準(zhǔn)備.程序中M9002為上電復(fù)位有效，即第1次掃描時(shí)為1，然后為0，直到下一次上電為止.

(2)網(wǎng)絡(luò)8完成控制字的寫入，H8012是當(dāng)前設(shè)定參數(shù)值，其每一位有不同的含義，可查看相關(guān)手冊(cè).這里設(shè)定了當(dāng)有新的指令時(shí)，忽略當(dāng)前未完成距離，開始新的控制(B15=1);設(shè)定距離的倍率為10(B5B4=01);設(shè)定位置用長(zhǎng)度、角度做單位，速度用脈沖做單位(B1B0=10).

(3)接下來的TO指令將D7511寄存器的值傳送給BFM的0#控制字，傳送1個(gè)字，定義了馬達(dá)轉(zhuǎn)1圈所需脈沖數(shù).程序中以D開頭的寄存器(如D7511)存放觸摸屏相關(guān)設(shè)定的輸入值，最后的DTO指令是將D7508寄存器的值傳送給BFM的1、2控制字，定義了馬達(dá)轉(zhuǎn)1圈移動(dòng)距離數(shù).

(4)網(wǎng)絡(luò)40中M9000為常開觸點(diǎn)，DFROM指令將伺服當(dāng)前位置#27、#26讀出，存入D6990.

(5)M499為原點(diǎn)確認(rèn)按鈕，當(dāng)有效時(shí)，給#27、#26控制字寫入0，電機(jī)將回歸原點(diǎn).

4 PLC及觸摸屏組態(tài)程序設(shè)計(jì)

Ladder Master是豐煒VB2系列PLC配套編程軟件，在Windows環(huán)境下完成梯形圖輸入，經(jīng)編譯無誤后，可以下載到PLC執(zhí)行，也可以在線調(diào)試.本系統(tǒng)軟件流程圖如圖3所示.首先系統(tǒng)上電后，完成初始化設(shè)置，主要包括PLC I/O復(fù)位，存儲(chǔ)器清零，伺服模塊控制字的初始化等.觸摸屏進(jìn)入主畫面后，等待操作人員選擇工作方式.系統(tǒng)設(shè)有自動(dòng)、手動(dòng)、參數(shù)設(shè)置、故障等模式.正常工作選自動(dòng)模式如圖4所示，系統(tǒng)便自動(dòng)按工序循環(huán)運(yùn)轉(zhuǎn).在需要調(diào)試時(shí)，選擇手動(dòng)模式，可對(duì)單臺(tái)設(shè)備進(jìn)行測(cè)試，比如切刀的進(jìn)退，拉斷的進(jìn)退等，用以判斷工作是否正常.當(dāng)產(chǎn)品指標(biāo)改變時(shí)，就要進(jìn)入?yún)?shù)設(shè)置模式(如圖5所示)，設(shè)定切斷長(zhǎng)度及速度，從而可以適應(yīng)不同的產(chǎn)品需求.為保證設(shè)備安全，在伺服系統(tǒng)檢測(cè)到過壓、過流而報(bào)警時(shí)，采取系統(tǒng)掉電，以避免造成更大的損失.

5 結(jié)論

筆者運(yùn)用新的計(jì)算機(jī)控制技術(shù)，完成送料裝置、送料夾緊裝置、切斷、拉斷夾緊裝置、切斷、拉斷裝置、氣壓裝置等部件工序自動(dòng)循環(huán).根據(jù)生產(chǎn)工序及工藝流程圖，選用小型PLC作為邏輯及定位控制單元，選用伺服電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)，采用觸摸屏作為人機(jī)界面，完成送料、夾緊、切斷、拉斷的自動(dòng)循環(huán)等工序.設(shè)計(jì)完成了基于觸摸屏的人機(jī)界面，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的畫面監(jiān)控、參數(shù)設(shè)置及指令下達(dá)的功能操作.PLC程序采集接近開關(guān)的狀態(tài)，輸出控制指令，并且通過定位模塊輸出定位脈沖給伺服驅(qū)動(dòng)器.伺服驅(qū)動(dòng)器經(jīng)過放大輸出變化的電壓來實(shí)現(xiàn)電機(jī)調(diào)速.實(shí)際使用中，工作可靠，維護(hù)方便.

［1］ 田淑珍.電機(jī)與電氣控制技術(shù)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

［2］ 吳宏鑫，沈少萍.PID控制的應(yīng)用與理論依據(jù)［J］.控制工程，2003，10(1):37-42.

［3］ 陶永華.新型PID控制及其應(yīng)用［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2002.

［4］ 李長(zhǎng)久.PLC原理及應(yīng)用［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

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［6］ VB2 PLC硬件及Ladder Master編程手冊(cè)［M］.臺(tái)北:臺(tái)灣豐煒公司.

［7］ 謝林菲，游林儒，王立松.基于PC104與PLC的鋰電池全自動(dòng)卷繞機(jī)控制器設(shè)計(jì)［J］.組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2009(10):62-65.