基于PLC和交流伺服的單軸控制系統(tǒng)

引言

經(jīng)過幾十年的發(fā)展，交流伺服技術(shù)日臻成熟，性能不斷提升，已成為工業(yè)自動化領(lǐng)域的支撐性技術(shù)之一，廣泛應(yīng)用在數(shù)控機(jī)床、紡織機(jī)械、自動化流水線等領(lǐng)域。在這些領(lǐng)域中，通過控制伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)來帶動工作臺移動的應(yīng)用較為常見。本文介紹一種符合工業(yè)應(yīng)用要求的單軸控制系統(tǒng)，系統(tǒng)主要由觸摸屏、可編程控制器、伺服電機(jī)和配套伺服驅(qū)動器組成。其中，觸摸屏作為人機(jī)界面，可實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，操作方便。為保證主從PLC間的數(shù)據(jù)通信，系統(tǒng)加入了Profibus—DP協(xié)議。文中對系統(tǒng)的硬件選型、接口和程序設(shè)計(jì)做了較為詳細(xì)的闡述。實(shí)驗(yàn)證明該系統(tǒng)符合設(shè)計(jì)要求，有較好的工程應(yīng)用價(jià)值。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求與硬件選型

在該系統(tǒng)中，滾珠絲杠、導(dǎo)軌和伺服電機(jī)組成傳動裝置。工作臺由導(dǎo)軌支撐，安裝在滾珠絲杠上，絲杠經(jīng)聯(lián)軸器與伺服電機(jī)轉(zhuǎn)子相連接，實(shí)現(xiàn)將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)為工作臺的直線運(yùn)動。系統(tǒng)工作過程中設(shè)有如下要求：設(shè)計(jì)工作臺具有自動和點(diǎn)動兩種工作模式，自動模式下，能通過觸摸屏參數(shù)輸入窗口設(shè)置工作臺移動值，要求每單位輸入對應(yīng)工作臺移動1 mm：點(diǎn)動模式下，可通過觸摸屏或現(xiàn)場左右點(diǎn)動控制按鈕，手動控制工作臺移動。兩種模式運(yùn)行時(shí)，觸摸屏端相應(yīng)工作模式指示燈點(diǎn)亮。系統(tǒng)應(yīng)設(shè)有緊急停止功能，以保證系統(tǒng)運(yùn)行安全。

系統(tǒng)硬件部分選型如下：普通PC：西門子S7-300(CPU315—2DP)和S7—200(CPU224晶體管)PLC：西門子TP177B color PN／DP 5．7英寸彩色液晶觸摸屏：珠海運(yùn)控60BL3A20—30H交流伺服電機(jī)，電機(jī)額定輸出功率200W，額定線電流1．3A，額定線電壓119．8V，額定轉(zhuǎn)矩0．637 Nm，額定轉(zhuǎn)速3000r/m，額定電壓220V，配2500線光學(xué)編碼器，所帶編碼器直接安裝在電機(jī)轉(zhuǎn)子上：驅(qū)動器選用與伺服電機(jī)配套的珠海運(yùn)控PSDA0233A8全數(shù)字交流伺服驅(qū)動器。該驅(qū)動器具有位置、速度、模擬調(diào)速等八種工作模式，驅(qū)動器內(nèi)置電機(jī)專用數(shù)字處理器，以軟件方式實(shí)現(xiàn)了電流環(huán)、速度環(huán)、位置環(huán)的閉環(huán)伺服控制，具備良好的魯棒性和自適應(yīng)能力，適應(yīng)于各種需要快速響應(yīng)的精密轉(zhuǎn)速控制與定位控制的應(yīng)用系統(tǒng)。同時(shí)，該驅(qū)動器具有電機(jī)過流、過壓、欠壓、過負(fù)載、編碼器故障等完善的保護(hù)機(jī)制。

2 伺服控制部分硬件設(shè)計(jì)

在該系統(tǒng)中，S7-200PLC、伺服驅(qū)動器和伺服電機(jī)組成伺服控制部分。該節(jié)重點(diǎn)介紹S7-200PLC與驅(qū)動器的接線和驅(qū)動器參數(shù)設(shè)置。

2．1 PLC驅(qū)動器接線

PLC和驅(qū)動器接口配線中，驅(qū)動器端用到了JP1和JP2兩個(gè)端口。其中，JPI端口用于連接編碼器，通過此端口，編碼器由雙絞屏蔽線向驅(qū)動器發(fā)送脈沖反饋;JP2是位置指令輸入輸出端口，該端口為50PIN高密接口，用于實(shí)現(xiàn)與57-200PLC的數(shù)據(jù)交換。57-200PLC作為運(yùn)動控制從站，其部分輸入/輸出口定義和與驅(qū)動器的連接管腳如表1所示。其中，10.0-10.5接外部控制按鈕，接收外部相應(yīng)動作指令輸入。由于PLC輸出為f24V信號，因此脈沖和方向接線端子輸出采用共陰接法，系統(tǒng)以Q0.2作為方向控制信號接線端子，當(dāng)置0時(shí)工作臺前行(遠(yuǎn)離伺服電機(jī))，置1時(shí)后退。

表1 部分57-200接口定義和管腳連接

2.2 驅(qū)動器參數(shù)設(shè)置

接線完成后需進(jìn)行驅(qū)動器參數(shù)設(shè)置。按照設(shè)計(jì)要求，對應(yīng)于系統(tǒng)所要求的兩種工作模式和復(fù)位功能，驅(qū)動器應(yīng)進(jìn)行不同設(shè)置。其中，自動模式運(yùn)行時(shí)，驅(qū)動器工作在位置模式下，電機(jī)據(jù)輸入脈沖指令運(yùn)轉(zhuǎn)，帶動絲杠工作;點(diǎn)動模式和回原點(diǎn)操作時(shí)，驅(qū)動器工作在速度模式下，電機(jī)據(jù)外部I10選擇內(nèi)部速度運(yùn)轉(zhuǎn)。為此，將伺服驅(qū)動器設(shè)定為混合控制控制模式。兩種方式的切換由PLC輸出口Q0.4決定(置0時(shí)位置模式，置l時(shí)速度模)。驅(qū)動器兩種模式下，也需要進(jìn)行相應(yīng)的參數(shù)設(shè)置。以混合模式下的位控參數(shù)設(shè)置為例，驅(qū)動器輸入脈沖指令類型選為脈沖+方向模式:電機(jī)方向指令取反控制采用出廠值設(shè)置;速度與位置增益用于調(diào)整負(fù)載功率變化時(shí)伺服電機(jī)運(yùn)行效果，在功率選型合理情況下，增益參數(shù)在出廠前已被調(diào)整至較合理值，這里暫不做更改。該例的參數(shù)設(shè)置如表2所示。