基于PLC自动化控制的绕线机设计与开发

南京工业大学 张曦文

1 系统组成

系统主要由五个部件组成：PLC、HMI（人机界面）、伺服电机、步进电机（两套）。系统硬件组成示意图如图1所示。

图1 系统硬件组成示意

HMI：通过某界面，可以轻松地与操控者进行交互，并且可以根据需求进行参数调整，同时还可以实现设备的实时状态监控。而伺服系统则是通过驱动器与电动机来执行的。

步进系统是一种先进的机械设备，其由两个步进电机和一个驱动器组成，能够实现换槽位和摇摆排线的工艺。

HMI：为人机对话提供了友好的界面，主要用于参数设定和设备实时工况的显示。伺服系统：由伺服驱动器及伺服电机组成，主要完成绕线工作。

步进系统：由两步进电机及其配套驱动器组成，共同完成换槽位（分度）和排线（摇摆）工艺。

2 系统硬件选型及主要电路设计

2.1 硬件选型

为了降低成本，本文选择国内产品作为本控制系统的硬件，并且进行了详细的设计和测试。

第一，采用汇川的H5U CPU 支持EtherCAT总线控制，可以通过FB/FC 功能实现工艺的封装和复用，通过 RS485、CAN、以太网和 EtherCAT接口可以实现多层次网络通信。

第二， 采用汇川近年新推出的AM600，AM600系列PLC 是一款采用模块化结构设计的中型可编程逻辑控制器（以下简称 “AM600”），为用户提供智能自动化解决方案。AM600系列PLC 采用IEC61131-3编程语言体系，支持PLCopen 标准6种编程语言。系统采用机架式布局，每个机架支持本地扩展16个扩展模块，并可通过Profibus-DP、EtherCAT、CANopen 等多种工业现场总线进行机架的远程扩展。AM600本地扩展模块通过内部总线协议进行IO 扩展，支持数字输入/输出模块、模拟输入/输出模块、温度模块等多种功能模块。通过EtherCAT 总线可实现高性能运动控制功能；具有单轴加减速控制功能、电子齿轮功能、电子凸轮功能，还可通过高速IO 实现单轴基本定位功能，且最高频率可达200kHz；同时支持RS485、以太网、USB 等通信功能，满足用户多样化的应用需求。

第三，HMI：采用同辰的7时真彩触摸屏，其不仅价格实惠，而且外观精致，可以与多款主流PLC组态软件兼容，操作简单易懂。

第四，采用固若金的产品，具有卓越的性能和价格优势。在设计时遵循了成本优先、足够使用的原则，而非盲目追求高性能或大品牌。

2.2 系统主要电路设计

系统设计的目的在于实现半导体的绕线生产过程的全面自动化，所以仅对核心元器件进行了简单的电气设计，而对于其他的附属元器件则没有进行过深入的研究。利用三相电动机的协同动力，可实现半定子绕线的全部步骤，其中，伺服电机用于驱动器飞叉，实现绕线动态；步进电机1用于驱动器分度盘，实现换槽动态；步进电机2则用于驱动器半夹具，实现平稳的转动，实现排线动态。经过优化的三个工艺动作中，以绕线为主，需要更加严格的控制，因此，伺服电机被用来控制绕线，以实现最大的转矩，理论可达3000转，而步进电机则被用来控制分度和排线，以降低生产成本[1]。

设计中一个完整的PLC 控制回路，包括启动信号（AN1）、复位信号（AN2）、电机就绪按钮（AN3）、安全保护信号（门开关）以及各个执行机构的原点信号，同时还会输出脉冲控制信号（包括速度、方向、全能等）和安全门驱动气阀，从而实现对整个系统的控制。通过在每个脉冲输出信号端加入电阻，可以有效地限制流量，从而防止驱动器的输入端光耦受到损坏。在设计中，通过三个驱动的电路来提高信息的可靠度。这三个驱动分别代表分度盘、排线和绕线电机。我们采取PUL 和24V 的连接方式，并在PUL 上连接脉冲信号P。当分度盘安装好并被固定时，步进驱动器会发射一个讯号来限制信息的传送，从而确保信息的安全性更可靠[2]。伺服机器必须通过输入可用的电流来运行，因此DI3被安装在CN1的第40针上。

2.3 HMI 功能设计

HMI 可以帮助我们更好地控制设备的运行状态，并且可以根据需求调整绕线所需的参数，包括但不限于：匝数、分度数、槽宽（或者大小）、终止点、延迟时间、飞行速率，以及安装路径的选择。HMI 由同辰公司开发，它采用了HMIFuncDesign组态软件，可以进行模拟，具有很强的功能性。在HMI 初始化之后，可以看到第一个界面，其包含了一些重要设备的名称、操作说明等，以及一个可以进行操作的入口。

3 步进电机的日常维护

确保机械设备可靠地运行，其中最关键的因素莫过于电机。因此，对电机进行定期检查和保养显得尤为必要，但由于缺乏相关技术和经验，当发生故障时，往往需要进行大量费用和时间上的投入，从而影响整个系统的效率和可靠性。如果不重视日常的维护，就会失去电动机的最佳使用效果。因此，维护电动机的重点应该放在维护其清洁度和完整性上，以及定期地检测和维护，以确保其能够正确运转。此外，定期的维护和维护还包括对轴承的定期维护和润滑，以及对进出口的连接点的定期维护[3]。

对于电机而言，由于其需要长期持续地运转，因此，定期维护和保养显得尤为必要。为此，应该特别关注电机所处的工作环境，避免其产生过度摇晃，造成电机故障，缩短其使用寿命。此外，应该定期对其进行外部检测，确认其功能和性能，并且应该定期对其进行维护和维修。

在确保联轴器的安全性、牢固性、稳定性、噪声、红外测温仪测量的温度、钳型电流表测量的电流以及绕线式电机的碳刷、滑环等参数的准确性的前提下，应该尽早对其中的任意部分进行检测，以确保其运转良好，避免发生意想不到的情况[4]。

4 PLC 控制软件系统仿真

MC_POWER 是电机使能指令，这个指令需要输入对应电机的轴名字，AXIS 和指令动作条件，这里设置PLC 允许的时候，指令就直接导致通，可以通过指令的BUSY 和ERR0R 来监控电机是不使能或者故障状态。

MC_JOG 指令是电机的点动指令，首先将指令输入一个轴名字，其次通过控制JOGFORWARD和JOGbackWARD 来分别来控制电机的正转和反转动作。动作速度由VELOCITY 决定，加速度这里设置的都是10000，加速度值越大，代表的是启动的时候速度变化越快。如图2所示。

图2 绕线轴点动程序

C_HOME 是电机的回零程序，电机在每次上电后都会丢失当前位置坐标，可以通过该指令来让电机回到设定的原点位置，重新设置当前位置坐标，电机回零完成后，指令的DONE 会导通，关闭电机回零信号。如图3所示。

图3 绕线轴回零程序

可以通过软件自带的TRACE 来监控三个电机的位置，通过监控位置来盘点电机是否运行正确，如图4所示。

图4 电机位置监控曲（蓝色是绕线，绿色是排线，棕色是分布）

通过按下启动按钮和自动按钮，运行显示导通，整个程序通过运行显示代表其是否在自动运行。在自动运行时按下停止按钮或出现故障都会将运行信号关闭。

5 结语

随着PLC 技术发展，目前无论是在硬件还是软件，集成功能都相当强大，而且价格越来越便宜，其灵活多变的扩展功能及稳定的控制令其性价比大大提高，使许多使用单片机控制的设备转向使用PLC 控制，以提高其稳定性及灵活性。PLC 自动化控制的绕线机的系统简明直观，易于掌握，对积极推PLC 技术的应用会有很好的经济效益和社会效益。同时，通过HMI 与PLC 的配合，能为用户提供极友好的操作界面，为生产操作带来便捷，节省时间成本，整个系统经过测试仿真后表明系统已达到设计要求。