经济的PLC伺服随动控制系统设计

刘春梅 张忠宝

(1.大连大地基础工程有限公司，辽宁 大连 116023； 2.大连博瑞致信息技术有限公司，辽宁 大连 116000)

0 引言

目前，机电一体化的趋势日渐明显，现代化工业、农业、高科技领域及人们生活也越来越离不开PLC伺服控制系统。随着微电子、计算机、电力半导体和电机制造技术取得巨大技术进步，PLC伺服定位控制系统也将具有更加美好的发展前景。

本次设计实现了基于三菱PLC的伺服随动控制系统，能够实现两轴十字滑台稳定跟随工作盘上的磁钢做圆周运动，转速范围为10～50。结构上采用同步轮和同步带作为两轴滑台的传动机构，在保证系统跟踪性能的前提下达到了系统的经济性；系统软件设计采用模块化的设计理念，根据系统的插补要求以及硬件连接，分别设计主程序及对应的子程序，将基本功能模块封装，模块间相互独立，降低了软件的复杂度，提高了软件的可靠性。

1 系统方案

从设计要求出发，本设计的系统方案设计如图1所示，系统结构示意图如图2所示。

本系统以三菱PLC为控制核心，由检测单元、旋转工作台、两轴十字滑台和人机接口(HMI)4个模块组成。检测单元由4个霍尔传感器组成，用来探测磁钢的位置，信号经过A/D转换后传入到PLC中；旋转工作台由变频器和交流电机构成的变频调速系统驱动，能够满足工作台以不同速度旋转的需求；两轴十字滑台由两套伺服驱动器和伺服电机组成的伺服系统构成，能够实现精确的两轴联动；人机接口采用触摸屏，通过友好的人机界面能够实现系统的监控。系统的设备选型如表1所示。

表1 系统的设备型号表

名称型号PLC主机FX3U-48MT模拟量特殊功能模块FX0N-3A变频器FR-E400-0.75K交流电机4IK25GN-Y两轴定位模块FX2N-20GM伺服驱动器MR-JE-10A伺服电机HG-KN-13欧姆龙触摸屏NP5-MQ001B

2 硬件设计

2.1 检测单元

检测单元由4个霍尔传感器组成，用来探测磁钢的位置，信号经过A/D转换后传入到PLC中，单路的霍尔传感器接线图如图3所示。

2.2 两轴十字滑台

两轴十字滑台由两套伺服驱动器和伺服电机组成的伺服系统构成，能够实现精确的两轴联动，两轴接线完全相同，图4显示了单轴伺服驱动的接线。

通过设置定位模块和伺服驱动器的参数可以实现不同的运行性能。本系统中，定位模块的参数设置是在通过定位模块编程软件SWOD5-FXVPS-E实现的，具体的参数设置如表2所示。

表2 伺服驱动器设置参数及其功能

2.3 旋转工作台

旋转工作台由变频器和交流电机构成的变频调速系统驱动，能够满足工作台以不同速度旋转的需求，电气接线图如图5所示。

本系统选用的变频器型号为FR-E740-0.75k，主要参数设置如表3所示,通过控制电压输入来控制频率输出，从而达到控制圆盘的旋转速度的目的，使用D/A模块输出连接至变频器的2，5端子。

表3 变频器主要设定的参数

3 软件设计

3.1 系统的软件流程图

系统的软件流程图如图6所示。首先进行系统的初始化，然后两轴滑台起动，寻找机械零点，以便探头定位磁钢位置：机构以一个较慢的速度沿指定轨迹运动，去检测正在做圆周运动的磁钢，通过霍尔传感器检测到的信号进行比较来定位磁钢位置，从而获得磁钢的旋转半径。之后机构原地等待两周，记录两次检测到磁钢的时间，从而获得磁钢的旋转速度，最后执行磁钢的跟随运动。

3.2 FX0N-3A特殊功能模块程序设计

模拟量特殊功能模块FX0N-3A有2个A/D和1个D/A，既可以进行A/D转换，又可以进行D/A转换，其缓冲存储器(BFM)的分配如表4所示，程序使用FROM和TO指令对BFM操作。

3.3 FX2N-20GM定位模块程序设计

FX2N-20GM定位模块能够同时控制两个轴，内嵌了线性和圆弧插补算法，可以方便地实现两轴精确定位。PLC使用FROM和TO指令对FX2N-20GM定位模块的内部存储数据进行读写操作，从而实现信息的获取以及控制目的。

表4 缓冲存储器的分配

BFM编号b8-15b7b6b5b4b3b2b1b00保留在A/D转换通道上的输入数据16保留在D/A转换通道上的输出数据17保留D/A起动A/D起动A/D通道1-518-31保留

3.4 HMI界面设计

本系统选用的触摸屏型号是欧姆龙公司生产的NP5-MQ001B，使用编程工具NP-Designer来进行界面设计，本系统设计的触摸屏界面如图7所示。

本系统的HMI界面共有3个：设置及控制界面、运行状态显示界面、运行轨迹显示界面，不仅可以控制系统，而且可以进行运行状态显示。

4 系统调试及结论

本课题设计的PLC伺服随动控制系统实物图如图8所示。

经过模拟量特殊功能模块调试、变频器调试、定位模块调试以及系统的综合调试，本系统能够实现对磁钢的稳定跟随，主要的系统功能有：

1)手动控制十字架在XY平面的自由运动；

2)摸屏作为人机接口，实现了系统的监控功能，不仅可以控制系统、设置参数，而且也可以实时显示系统运行状态；

3)用PLC的高速脉冲输出直接控制伺服驱动器，设计插补操作定位算法控制系统运行。

本系统采用同步轮和同步带作为两轴滑台的传动机构，经济高效。实验结果表明，各项功能均可实现，达到预期，设计满足要求。