高 煒，李樹軍,梁為育,涂偉鵬,封璞佳,梁澤榮,吳軍豪

(1.西北工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院，陜西 西安 710072；2.航空工業(yè)陜西飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限公司，陜西 漢中 723200)

0 引言

在工業(yè)生產(chǎn)過程中，電子手輪具有移動(dòng)方便、抗干擾和帶載能力強(qiáng)、人機(jī)交互良好等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用廣泛。一般情況下，電子手輪作為廠家提供的配套設(shè)備，已集成于控制系統(tǒng)中。此時(shí)，可通過基于計(jì)算機(jī)的操作平臺(tái)或電子手輪控制電機(jī)的運(yùn)動(dòng)。但在某些非標(biāo)自動(dòng)化生產(chǎn)中，設(shè)備未集成電子手輪，操作人員需在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)這些運(yùn)動(dòng)部件的運(yùn)動(dòng)情況。此時(shí)，可在原有設(shè)備中集成一套以電子手輪為交互設(shè)備的實(shí)時(shí)控制裝置。

針對(duì)這種情況，本文設(shè)計(jì)了一套基于力士樂L65與西門子PLC的手輪實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)。經(jīng)實(shí)際驗(yàn)證，該系統(tǒng)可應(yīng)用于其他類似場(chǎng)合。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中，采用多軸運(yùn)動(dòng)控制器來控制多個(gè)電機(jī)協(xié)同運(yùn)動(dòng)。 IndraControl L65作為力士樂多軸運(yùn)動(dòng)控制的代表，具有強(qiáng)大的多軸運(yùn)動(dòng)控制功能。鑒于電子手輪的信號(hào)線數(shù)量較多，而PLC具有輸入/輸出端口較多、傳輸速率高等優(yōu)點(diǎn)，故使用PLC接收手輪的實(shí)時(shí)脈沖。PLC具有較好的抗干擾能力。但是因?yàn)槭州喌碾妷号cPLC的輸入端口電壓不匹配，所以需要通過轉(zhuǎn)接卡把手輪的脈沖信號(hào)接入PLC。首先把電子手輪的實(shí)時(shí)脈沖通過轉(zhuǎn)接卡接入到S7-200的輸入端口，通過S7-200的通信模塊EM277的Profibus-DP端口接到L65的Profibus-DP端口。L65利用內(nèi)部編程系統(tǒng)Indraworks處理接收到的實(shí)時(shí)信號(hào)，并傳輸給相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)器和力士樂電機(jī)。將接收到的數(shù)據(jù)通過EtherNET傳輸?shù)浇粨Q機(jī)中，再把交換機(jī)與工控機(jī)相連，以實(shí)現(xiàn)整套基于力士樂L65與西門子S7-200的手輪實(shí)時(shí)控制電機(jī)運(yùn)動(dòng)方案。系統(tǒng)硬件原理圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件原理圖 Fig.1 Schematic diagram of system hardware

1.2 系統(tǒng)硬件組成

系統(tǒng)硬件主要包括電子手輪、轉(zhuǎn)接卡、S7-200、L65、驅(qū)動(dòng)器及電機(jī)等部分。

電子手輪的全稱為手動(dòng)脈沖發(fā)生器，是一種通過光電轉(zhuǎn)換將輸出軸上的機(jī)械幾何位移量轉(zhuǎn)換成脈沖或數(shù)字量的傳感器[1]。此處電子手輪調(diào)試使用通用6軸手輪，型號(hào)為ATT-PY100-LL-J-RP。手輪共有OFF檔、X檔、Y檔、Z檔、A檔、B檔五個(gè)檔位，并有X1、X10、X100三種倍率。手輪中央有紅色醒目急停按鈕，用以緊急情況使用。手輪側(cè)面配有黃色使能按鍵。只有在使能鍵按下并旋轉(zhuǎn)手輪時(shí)，方能向S7-200輸入口發(fā)出脈沖信號(hào)[2]。

轉(zhuǎn)接卡用于將電子手輪的5 V電壓轉(zhuǎn)換為PLC的24 V電壓輸入，并把各個(gè)信號(hào)線對(duì)應(yīng)接入PLC的輸入端口。轉(zhuǎn)接卡電路如圖2所示。采用TLP521光電耦合器，使前端與負(fù)載完全隔離，減小電路干擾。電源模塊采用HDW5-24S05A1型號(hào)。

圖2 轉(zhuǎn)接卡電路圖 Fig.2 Circuit of transfer card

S7-200 CPU支持高速數(shù)字量輸入和兩路高速數(shù)字量輸出。CPU224XP高速輸入用作單相脈沖輸入時(shí)，可以達(dá)到200 kHz；用作雙向90°正交脈沖輸入時(shí)，速度可以達(dá)到100 kHz，可滿足電子手輪轉(zhuǎn)動(dòng)的實(shí)時(shí)脈沖計(jì)數(shù)[3]?；诠I(yè)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)電子手輪實(shí)時(shí)性的要求，選用西門子PLC(型號(hào)S7-200 CPU-224XP)作為電子手輪脈沖輸入端口。該P(yáng)LC可使用6個(gè)高速計(jì)數(shù)器，可編程并具有復(fù)位輸入。2個(gè)獨(dú)立的輸入端可同時(shí)作加、減計(jì)數(shù)，可連接兩個(gè)相位差為90°的A/B相增量編碼器。

EM 277經(jīng)過串行I/O總線連接到S7-200 CPU。Profibus網(wǎng)絡(luò)經(jīng)過其DP通信端口，連接到EM 277 Profibus-DP模塊。這個(gè)端口可運(yùn)行于9 600 bit/s和12 Mbit/s之間的任何Profibus波特率。作為DP從站，EM 277模塊接收從主站發(fā)來的多種I/O配置，向主站發(fā)送和接收不同數(shù)量的數(shù)據(jù)[4]。

L65作為高精度運(yùn)動(dòng)控制實(shí)時(shí)多軸控制系統(tǒng)，提供了一個(gè)功能齊全的開放平臺(tái)。通過EtherCAT、Sercos、Profinet等現(xiàn)場(chǎng)總線，將來自不同廠商的產(chǎn)品接入到開放的控制系統(tǒng)。系統(tǒng)采用靈活的多線連接技術(shù)，具有功能參數(shù)設(shè)置簡單、免維護(hù)且低功率損耗、結(jié)構(gòu)緊湊靈巧等特點(diǎn)，有效減少了安裝空間和成本。

在滿足系統(tǒng)使用性能的基礎(chǔ)上，考慮經(jīng)濟(jì)成本、系統(tǒng)精簡及集成控制的開放性，選用Rexroth IndraDrive Cs伺服驅(qū)動(dòng)器及IndraDynS-MSK同步伺服電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)部件的動(dòng)力裝置。伺服驅(qū)動(dòng)器通過網(wǎng)線串聯(lián)，形成閉合的Sercos環(huán)直接同步處理，大大提高了電機(jī)的響應(yīng)速度。這種“多軸控制+伺服驅(qū)動(dòng)器+伺服電機(jī)”的控制組合，采用其內(nèi)部協(xié)議通信，通過IndraWorks軟件編輯程序和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試，在精簡系統(tǒng)的同時(shí)，減少了系統(tǒng)集成和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試的工作量。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 S7-200軟件設(shè)計(jì)

電子手輪的輸入脈沖通過轉(zhuǎn)接卡輸入到S7-200的輸入端口。由于電子手輪的脈沖數(shù)隨時(shí)間變化速率較快，故屬于高速計(jì)數(shù)。高速計(jì)數(shù)是針對(duì)輸入的高頻率脈沖，用于累計(jì)計(jì)數(shù)觸發(fā)事件。電子手輪可以捕捉到持續(xù)時(shí)間小于一個(gè)掃描周期的脈沖[5]。

CPU224XP支持6臺(tái)高速計(jì)數(shù)器(HSC0至HSC5)。每臺(tái)高速計(jì)數(shù)器使用一條“高速計(jì)數(shù)器定義”指令[6]。此處以兩臺(tái)手動(dòng)脈沖發(fā)生器為例，使用HSC0和HSC2兩個(gè)高速計(jì)數(shù)器。HSC0的高速計(jì)數(shù)器專用輸入端口為I0.0、 I0.1、 I0.2。HSC2的高速計(jì)數(shù)器專用輸入端口為I1.2、 I1.3、 I1.4、 I1.5[7]。

高數(shù)計(jì)數(shù)器HSC0和HSC2參數(shù)設(shè)置及部分PLC程序如下。

LD SM0.1

MOVB 16#FC,SMB37

MOVB 16#FC,SMB57

MOVD +0,SMD38

MOVD +0,SMD58

MOVD +1600000,SMD42

MOVD +1600000,SMD62

HDEF 0,9

HDEF 2,9

ENI

HSC 0

HSC 2

手輪順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，I0.1接通，T99定時(shí)器不工作。手輪停止轉(zhuǎn)動(dòng)，T99定時(shí)器延時(shí)0.7 s后,停止工作，用來監(jiān)測(cè)手輪是否轉(zhuǎn)動(dòng)

LD I0.1

O M6.0

AN T99

= M6.0

AN I0.1

TON T99,+70

手輪停止轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，每隔0.5 s檢查與上一個(gè)0.5 s的脈沖數(shù)是否相等。若不相等,置位I0.1；若相等，則復(fù)位I0.1。

LD T99

LD I0.7

O I1.0

O I1.1

ALD

A SM0.5

LPS

AD<> VD900,VD1200

MOVD VD900,VD1200

AENO

S I0.1,1

LPP

AD= VD900,VD1200

MOVD VD900,VD1200

AENO

R I0.1,1

R M6.0,1

2.2 S7-200與L65通信設(shè)計(jì)

在Indraworks中，設(shè)置L65與S7-200的地址映射關(guān)系，并設(shè)置內(nèi)存映射地址偏移量。此處設(shè)置偏移量為0，即I/O Offset in the V-memory的值為0，也可以根據(jù)需求，自行設(shè)置偏移量[8-9]。

在Indraworks中添加EM277通信模塊的GSD文件。在Indraworks的Profibus_DP_Master模塊中添加GSD文件，并找到EM277_Profibus_DP通信模塊，再添加32個(gè)字的數(shù)字量輸入輸出模塊。

由于ProfiBus模塊的通信地址從IW2開始，故在內(nèi)存地址偏移量為0的情況下，L65的輸入IW2對(duì)應(yīng)S7-200的VW64，IW4對(duì)應(yīng)VW66，輸出QW2對(duì)應(yīng)S7-200的VW0，IW4對(duì)應(yīng)VW2，以此類推。

2.3 L65軟件設(shè)計(jì)

2.3.1 Indraworks簡介

首先在Indraworks中創(chuàng)建工程項(xiàng)目，并通過配置IP連接到L65，再掃描添加網(wǎng)絡(luò)中的驅(qū)動(dòng)軸和面板I/O。通過網(wǎng)線或光纖形成閉合的Sercos環(huán)，并自動(dòng)分配地址。Sercos III采用以太網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)的方式，L65控制為主站，伺服系統(tǒng)和可編程控制器I/O口等為從站。設(shè)置好循環(huán)周期，主站按周期向從站發(fā)送主站同步數(shù)據(jù)電文，所有從站同步接收，控制從站運(yùn)行。主站給從站發(fā)送數(shù)據(jù)報(bào)文和數(shù)據(jù)控制指令，比如伺服軸位置、速度、增量等指令，從站全部接收，但是僅在指定位置找到自己所需的數(shù)據(jù)。伺服從站發(fā)送伺服數(shù)據(jù)電文給主站，其中包括電機(jī)狀態(tài)應(yīng)答信號(hào)、伺服軸實(shí)際位置、扭矩、轉(zhuǎn)速、診斷及報(bào)警信號(hào)等。

L65采用標(biāo)準(zhǔn)的IEC 61131-3編程語言編輯和配置參數(shù)，具有符合開放性要求的PLCopen的功能庫標(biāo)準(zhǔn)模塊，并且支持用戶自行開發(fā)功能塊。L65將電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制、狀態(tài)反饋、參數(shù)設(shè)置等功能都封裝成標(biāo)準(zhǔn)的Function Block，通過簡單的調(diào)用和變量參數(shù)設(shè)置實(shí)現(xiàn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制。功能塊的用戶輸入變量包括功能塊啟動(dòng)變量Execute、用戶位置指令Position、用戶速度指令Velocity；輸出變量包括運(yùn)動(dòng)過程是否完成Active、目標(biāo)位置是否到達(dá)Done。L65絕對(duì)位置功能塊如圖3所示。

圖3 L65絕對(duì)位置功能塊 Fig.3 L65 absolute position function block

2.3.2 Indraworks驅(qū)動(dòng)器配置

Indraworks驅(qū)動(dòng)器配置如下。

①設(shè)置運(yùn)動(dòng)及編碼形式。系統(tǒng)中所有電機(jī)采用絕對(duì)編碼方式，即在系統(tǒng)斷電后，電機(jī)的零點(diǎn)不丟失。實(shí)際生產(chǎn)中，采用絕對(duì)編碼方式不丟失零點(diǎn)，保證關(guān)機(jī)暫停以后的任務(wù)得以繼續(xù)進(jìn)行。

②設(shè)置傳動(dòng)比及絲杠導(dǎo)程。根據(jù)伺服傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)比及導(dǎo)程進(jìn)行配置，驅(qū)動(dòng)器即可將接收的直線位置值準(zhǔn)確地轉(zhuǎn)化為電機(jī)的旋轉(zhuǎn)位置，并將編碼器旋轉(zhuǎn)值轉(zhuǎn)化成直線運(yùn)動(dòng)位置反饋。

③設(shè)置限位。在滿足軸行程范圍要求的基礎(chǔ)上安裝正、負(fù)限位開關(guān)，共用限位開關(guān)為零位開關(guān)。根據(jù)本系統(tǒng)中使用常開型限位開關(guān)，勾選限位開關(guān)類型N/O，激活限位開關(guān)功能。

④零點(diǎn)設(shè)置。在Reference travel direction選項(xiàng)中設(shè)置回零方向，Positive是從正向回零，Negative是從反向回零。根據(jù)限位開關(guān)安裝位置及坐標(biāo)系設(shè)置要求，設(shè)置負(fù)向回零。為節(jié)約空間，用限位開關(guān)同時(shí)作為回零開關(guān)，勾選Limit switch as zero switch。

2.3.3 Indraworks變量定義

首先在函數(shù)塊的變量定義區(qū)定義所需變量并注釋其含義，截取部分變量如下所示。

FUNCTION_BLOCK SMControl_New

VAR_INPUT

InputPulse:DWORD;

//輸入脈沖

PowerState:BOOL;

//電機(jī)使能狀態(tài)

SMEnable:BOOL;

//手脈使能按下

HMIEnable:BOOL;

//人機(jī)界面使能

ControlAxis:AXIS_REF;

//受控電機(jī)

END_VAR

VAR

mv:MC_MoveVelocity;

//速度模塊建立

VelocityOut:REAL;

//電機(jī)運(yùn)行最大速率

EnableRun:BOOL;

//速度模塊使能信號(hào)

InputEnable:BOOL;

//手輪脈沖信號(hào)

MVActive:BOOL;

//速度模塊完成信號(hào)

ms:MC_Stop;

//停止模塊建立

InputPulse0:DINT;

//32位脈沖輸入

InputPulse1:REAL;

//實(shí)數(shù)型脈沖輸入

t1:TON;

//延時(shí)接通定時(shí)器

VelocityOut_D:REAL;

//電機(jī)設(shè)定運(yùn)行速率

END_VAR

2.3.4 Indraworks程序設(shè)計(jì)

首先通過NE模塊判斷輸入的脈沖數(shù)是否為0，若不為0，則InputEnable為True。然后判斷SMEnable使能鍵是否按下、HMIEnable上位機(jī)是否使能，PowerState電機(jī)是否上電，InputEnable手輪是否轉(zhuǎn)動(dòng)。若以上全部為True，則延時(shí)0.1 s以消除抖動(dòng)，并使能EnableRun為True。

由于不同檔位的電機(jī)運(yùn)行速率不同，根據(jù)S7-200中傳送的數(shù)據(jù)已經(jīng)將不同速率檔位的脈沖數(shù)做了相應(yīng)的處理。為防止操作人員人為地以超過額定速度轉(zhuǎn)動(dòng)手輪，設(shè)置了自動(dòng)清零功能。X1檔位在計(jì)數(shù)滿100時(shí)自動(dòng)清零，X10檔位在計(jì)數(shù)滿10 000時(shí)自動(dòng)清零，X100檔位在計(jì)數(shù)滿1 000 000時(shí)自動(dòng)清零，并可根據(jù)不同的脈沖數(shù)來確定不同的電機(jī)運(yùn)行速率。

當(dāng)使能EnableRun為True且手輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，MC_MoveVelocity激活，并按照設(shè)定的參數(shù)控制電機(jī)的運(yùn)行。當(dāng)MC_MoveVelocity模塊完成后，MVActive為True，激活MC_Stop使電機(jī)停止運(yùn)動(dòng)。

3 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一套基于力士樂L65與西門子PLC的手輪實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)，可廣泛應(yīng)用于一般伺服電機(jī)與步進(jìn)電機(jī)。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、模塊化強(qiáng)、使用方便、精度高、效率快、安全性高，有效地解決了一般情況下工業(yè)生產(chǎn)中需集成電子手輪控制裝置的問題，具有良好

的推廣價(jià)值。

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