基于PLC和变频器的位置控制系统

靳永周

摘 要：文章介绍了以三菱Q系列PLC控制器为平台，使用SEW MOVIDRIVE变频器、三菱GOT触摸屏，通过PROFIBUS开放式现场总线技术构成的高精度变频位置控制系统在汽车焊装车间车身输送线的应用。

关键词：PLC；变频控制；旋转变压器；

引言

目前，变频器调速控制系统已广泛应用于汽车、机械、化工等各个行业。作为变频调速系统中的控制核心部分的变频控制器，最初通过变频器的控制面板或端子进行运行参数的设置，启动或停止变频器运行。而目前各种大中型自动化生产线则多要求由PLC、变频器等组成的闭环控制系统等复杂的控制，并且要方便设置系统运行参数、运行速度等，形成连续柔性生产线的调速控制系统。

摆杆式往复输送线是我公司在汽车厂白车身焊接总成件装焊生产中采用的一种输送机构。这是一种能与焊装夹具及焊接机器人系统配套使用的对自动化程度要求较高的一种输送线，尤其对车身的精确位置控制方面有较高要求。本系统采用了三菱Q系列高性能PLC，通过PROFIBUS现场总线技术，对内置IPOS定位控制模块的SEW-MDX61B变频器进行控制，驱动以旋转变压器作为位置反馈元件的伺服电机，构成了闭环的速度和位置控制系统。 此系统还应用了GOT系列HMI监控设备，不仅能对输送线进行实时状态监视，还可以通过HMI监控设备修改系统的各个参数。

1 工艺原理及要求

摆杆式往复输送线的工作原理是输送线整体抬升将车身工件抬离焊接夹具， 输送线前进将工件输送至下一工位， 输送线整体下降将工件放置在焊接夹具上， 输送线后退返回原工位。在车身焊接生产过程中对车身及设备的位置精度控制要求较高，因此控制系统需要采用闭环控制系统来实现。输送线驱动电机采用了SEW斜齿轮减速电机，以旋转变压器作为角度、速度反馈元件，与变频器一起构成闭环控制系统。

2 系统硬件及系统构成

整个控制系统主要由以下几个部分构成：

（1）采用三菱Q系列PLC作为基本单元，执行系统和用户程序，是设备层的核心。（2）PLC侧配置QJ71PB92V总线模块。该模块的主要作用是在系统中作为主站发给变频器信息，并接收和发送现场输入输出信号。（3）SEW MOVIDRIVE变频器安装DFP21B总线通讯卡，通过该单元能够在网络上实现变频调速器的运行控制（如启动、停止、运行频率设定）、参数设定和状态监控等功能，是变频器的网络接口。（4）SEW MOVIDRIVE变频器安装DER11B旋转变压器反馈卡。输送电机内部旋转变压器信号接入DER11B选项卡内，旋转变压器作为位置速度传感器。（5）采用GOT系列触摸屏为整个系统的操作设置显示单元。在HMI上可以通过不同画面将设备状态，以及全机故障查询、设备参数等一一显示出来，实时监控全机的工作状态。除了显示功能外，还可以根据现场的情况，通过HMI设置和修改系统内部的一些需要用户设定的参数，如前进、后退位置设置，速度，加减速时间的设置。（图1）

3 变频器与PLC通讯数据结构

本系统采用PROFIBUS总线协议作为现场监控和操作协议。在总线网络里有一个主站模块QJ71PB92V，它以主从方式构成工业监控网，可接入多个从站，各站点由唯一的地址码识别。这样 PLC便能通过PROFIBUS总线，对网络上的所有设备进行控制操作。MDX61B变频器安装DFP21B总线通讯卡，采用PROFIBUS总线技术，波特率最高可达12Mbps，本系统采用了500Kbps；数据格式为6Word-IN、6Word-OUT。

根据表1、表2，由PLC可以控制变频器的起/停、故障检测、故障复位，进行速度、加减速时间和目的位置的控制。

4 软件设计

本系统的软件设计共包含两部分内容：PLC侧的程序设计和变频器侧的程序设计。

在PLC一侧，我们采用常用的梯形图设计程序。此方式更适合电气工程师的操作习惯。在这部分程序里，主要包含现场各种开关信号的采集处理，设备的动作控制程序，变频器的各种参数控制程序，根据变频器反馈信号将其处理后与GOT触摸屏系统一起显示设备状态和各种参数等等。

下面主要介绍利用变频器内置IPOS定位控制模块进行IPOS控制程序的设计。

编写变频器内部程序，可以通过C语言（如图2所示）或汇编语言进行编译和调试。通过IPOS程序，可以实现对电机运行进行精确定位，并实时后台传递系统间的重要信息。IPOS编程是个开放式的平台，它以其灵活的控制方式、快捷实时性更强的内部处理和上位 PLC共同构成一个控制系统，并且分担了PLC的很多程序处理，实时、高效地完成对于输送系统的控制。

在IPOS程序中，我们需要对总线参数进行配置，此参数必须和总线模块中变频器参数匹配一致才能保证两者之间正常通讯。然后由IPOS程序读取变频器的位置和状态等信息，PLC根据变频器信息和输送线的其他状态，对变频器发出控制指令和目的位置等，IPOS程序根据接收到的指令由控制芯片自动控制变频器的输出。

5 结束语

经实际应用，由PLC，MDX61B变频器和旋转变压器组成闭环控制系统，采用PROFIBUS开放式总线组成的控制方案是一种理想的控制方式，它有很多值得借鉴的优点：

（1）采用总线通讯控制变频器，具有硬件逻辑简单、控制方式灵活、抗干扰能力强的特点。（2）采用变频器内置IPOS定位控制模块，动态响应快，运行精度高，性能可靠。（3）系统动态响应速度快，保证了系统安全稳定长期运行。可以方便进行设备产能提升，能够极大的提高系统的匹配能力。

参考文献

[1]SEW-EURODRIVE GmbH & Co KG，MOVIDRIVE MDX60B/61B 系统手册[Z].2006.

[2]三菱电机自动化（上海）有限公司.GX Developer Version 8操作手册[Z].2005.