張文明，徐行健

（1. 常州紡織服裝職業(yè)技術(shù)學(xué)院，常州 213164；2. 三菱電機(jī)自動(dòng)化（中國(guó)）有限公司，上海 200003）

0 引言

自動(dòng)化應(yīng)用系統(tǒng)集成就是將系統(tǒng)的各下級(jí)設(shè)備或子系統(tǒng)綜合、整合為統(tǒng)一的系統(tǒng)，將系統(tǒng)軟件、硬件、網(wǎng)絡(luò)等組合成為具有統(tǒng)一平臺(tái)的全面的系統(tǒng)解決方案的全過(guò)程，實(shí)現(xiàn)各設(shè)備及子系統(tǒng)之間的無(wú)縫連接。它的意義在于能夠最大限度地提高系統(tǒng)的有機(jī)構(gòu)成、系統(tǒng)效率、系統(tǒng)完整性、系統(tǒng)靈活性，簡(jiǎn)化系統(tǒng)的復(fù)雜性，并最終為企業(yè)提供一套切實(shí)可行的完整的解決方案[1]。

三菱電機(jī)自動(dòng)化（中國(guó)）有限公司，每年開(kāi)展面向高校在校學(xué)生（包括本科生、研究生和高職生）的科技競(jìng)賽活動(dòng)——“三菱電機(jī)自動(dòng)化杯”大學(xué)生自動(dòng)化大賽，2010大賽的主題為“應(yīng)用系統(tǒng)集成”，以三菱電機(jī)的自動(dòng)化技術(shù)和產(chǎn)品為基礎(chǔ)，發(fā)揚(yáng)創(chuàng)新精神，展示學(xué)生的實(shí)際制作與調(diào)試技能， 檢驗(yàn)了團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力、計(jì)劃組織能力。

1 應(yīng)用系統(tǒng)集成過(guò)程

“應(yīng)用系統(tǒng)集成”大賽以三菱電機(jī)的自動(dòng)化產(chǎn)品PLC、變頻器、伺服、觸摸屏、網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)、低壓電器等產(chǎn)品的使用、調(diào)試為主要內(nèi)容，綜合運(yùn)動(dòng)控制、網(wǎng)絡(luò)總線技術(shù)等。參賽隊(duì)在兩個(gè)自動(dòng)化系統(tǒng)命題中（“變頻器+PLC+CC-Link”調(diào)速、“伺服+PLC+CC-Link”定位）任選其一，自選自帶三菱電機(jī)的自動(dòng)化產(chǎn)品從“工控項(xiàng)目→方案設(shè)計(jì)→集成安裝→流程圖繪制→人機(jī)界面→PLC編程→調(diào)試運(yùn)行→資料編寫(xiě)”展開(kāi) “應(yīng)用系統(tǒng)集成”。

2 “變頻器+PLC+CC-Link” 調(diào)速控制系統(tǒng)集成

2.1 系統(tǒng)控制要求

一臺(tái)三相異步電動(dòng)機(jī)的速度以設(shè)定的變化曲線運(yùn)行，如圖1所示。

圖1 三相異步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行速度

1）系統(tǒng)配置：PLC（含D/A模塊、CC-Link模塊）、變頻器、觸摸屏（含CC-Link模塊）、三相異步電動(dòng)機(jī)、旋轉(zhuǎn)編碼器。

2）系統(tǒng)連接：變頻器用模擬量調(diào)速（連接PLC的D/A），旋轉(zhuǎn)編碼器與電動(dòng)機(jī)同軸聯(lián)接用于速度測(cè)量，觸摸屏通過(guò)CC-Link連接PLC用于速度設(shè)定及速度測(cè)試曲線的顯示。

3）觸摸屏界面編制：觸摸屏第一頁(yè)顯示：2010’第四屆“三菱電機(jī)自動(dòng)化杯” 大學(xué)生自動(dòng)化大賽 日期 時(shí)間（PLC系統(tǒng)日期、時(shí)間）；第一頁(yè)的右下角設(shè)置頁(yè)面轉(zhuǎn)換鍵“運(yùn)行數(shù)據(jù)”，進(jìn)入第二頁(yè)；在第二頁(yè)顯示變頻器速度數(shù)據(jù)，以下表的方式顯示，并在第二頁(yè)右下角設(shè)置頁(yè)面轉(zhuǎn)換鍵“返回”，用以返回第一頁(yè)。

圖2 控制系統(tǒng)

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4）控制要求：上電后，觸摸屏上的指示燈HL1、HL2、HL3均以亮0.5S滅1S，并以流水燈方式循環(huán)閃爍，設(shè)備處于“待機(jī)”工作。按下觸摸屏上的S3“設(shè)定”，HL1、HL2、HL3以2Hz閃爍，在觸摸屏第二頁(yè)上顯示設(shè)定的變頻器的速度曲線。按下啟動(dòng)按鍵S1,指示燈HL1以2Hz閃爍，系統(tǒng)啟動(dòng)，電動(dòng)機(jī)以設(shè)定的速度曲線運(yùn)行，同時(shí)在觸摸屏上顯示實(shí)測(cè)速度曲線。運(yùn)行34S后，循環(huán)啟動(dòng)； 當(dāng)按下停止按鍵S2后，電動(dòng)機(jī)立即停止，觸摸屏上的指示燈HL1、HL2、HL3均以亮0.5S滅1S，并以流水燈方式循環(huán)閃爍（按HL3→HL2→HL1→HL3…的順序循環(huán)），設(shè)備處于“停機(jī)”工作狀態(tài)。再次啟動(dòng)時(shí)，從設(shè)定的速度曲線起點(diǎn)運(yùn)行；在停機(jī)狀態(tài)下可以按S4鍵，取消設(shè)定的速度曲線。

2.2 典型設(shè)計(jì)方案

選用主機(jī)為三菱Q00UJCPU-S8（含QD62D/A模塊和Q62DAN高數(shù)計(jì)數(shù)模塊），選用三菱FR-A740-0.75K-CHT變頻器。控制系統(tǒng)方案如圖2所示。

該伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)的控制器采用了三菱PLC及QD75D4定位?？?，驅(qū)動(dòng)器采用MR-J3-20A伺服放大器驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)兩軸聯(lián)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)平面上二維不規(guī)則曲線的插補(bǔ)。程序流程如圖3所示。通過(guò)QX40和QY10輸入輸出模塊直接與現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)進(jìn)行監(jiān)視和控制。上位機(jī)HMI人機(jī)接口功能，提供了簡(jiǎn)單，友好，易操作的界面，并可以實(shí)現(xiàn)所繪制曲線的實(shí)時(shí)顯示，運(yùn)行可靠，速度快，可以很好的完成管控一體化任務(wù)。

圖3 程序流程

3 “伺服+PLC+CC-Link” 定位控制系統(tǒng)集成

3.1 系統(tǒng)控制要求

兩臺(tái)伺服電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)安裝調(diào)試，在一張A4白紙板進(jìn)行給定圖樣的繪制。如圖4所示。

1）系統(tǒng)配置：PLC（含定位模塊）、伺服驅(qū)動(dòng)器、觸摸屏、伺服電動(dòng)機(jī)。

2）系統(tǒng)連接：二軸伺服驅(qū)動(dòng)樣式對(duì)象嚴(yán)格按比例繪制給定的曲線圖樣，觸摸屏連接PLC用于信號(hào)輸入及圖樣的顯示。

3）觸摸屏界面編制：觸摸屏第一頁(yè)顯示：2010’第四屆“三菱電機(jī)自動(dòng)化杯” 大學(xué)生自動(dòng)化大賽 日期 時(shí)間（PLC系統(tǒng)日期、時(shí)間）；第一頁(yè)的右下角設(shè)置頁(yè)面轉(zhuǎn)換鍵“運(yùn)行數(shù)據(jù)”，進(jìn)入第二頁(yè)；在第二頁(yè)顯示設(shè)定圖樣，以下圖1的方式顯示，并在第二頁(yè)右下角設(shè)置頁(yè)面轉(zhuǎn)換鍵“返回”，用以返回第一頁(yè)。

圖4 伺服電動(dòng)機(jī)運(yùn)行

4）控制要求： 系統(tǒng)第一次上電后，觸摸屏上的指示燈HL1、HL2、HL3均以亮0.5S滅1S，并以流水燈方式循環(huán)閃爍（按HL1→HL2→HL3→HL1…的順序循環(huán)），設(shè)備處于“待機(jī)”工作狀態(tài)。按下觸摸屏上的S3“設(shè)定”，HL1、HL2、HL3以2Hz閃爍，在觸摸屏第二頁(yè)上顯示兩軸伺服系統(tǒng)需要繪制的曲線圖形。按下啟動(dòng)按鍵S1,指示燈HL1以2Hz閃爍，系統(tǒng)啟動(dòng)，雙軸伺服系統(tǒng)在給定的白板紙上進(jìn)行圖樣繪制。繪制完成后，返回原點(diǎn)待機(jī)，指示燈HL1、HL2、HL3以待機(jī)狀態(tài)閃爍； 系統(tǒng)運(yùn)行中，按下停止按鍵S2后，電動(dòng)機(jī)立即停止，觸摸屏上的指示燈HL1、HL2、HL3均以亮0.5S滅1S，并以流水燈方式循環(huán)閃爍（按HL3→HL2→HL1→HL3…的順序循環(huán)），設(shè)備處于“停機(jī)”工作狀態(tài)。再次啟動(dòng)時(shí)，從停機(jī)斷點(diǎn)處繼續(xù)運(yùn)行； 在回原點(diǎn)待機(jī)狀態(tài)下可以按S4鍵，取消設(shè)定的曲線圖形。

3.2 典型設(shè)計(jì)方案

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)如圖5所示。

圖5 控制系統(tǒng)

系統(tǒng)PLC選用Q02HCPU，含QD75D4定位模塊與QX40和QY10輸入輸出模塊，電機(jī)選擇了三菱HF-KP23系列，通過(guò)與兩臺(tái)MR-J3-20A型伺服驅(qū)動(dòng)器連接，驅(qū)動(dòng)兩軸伺服電機(jī)，控制伺服電機(jī)完成曲線的插補(bǔ)和插補(bǔ)曲線在觸摸屏上的實(shí)時(shí)顯示。為了提供友好的操作環(huán)境，選用了三菱GOT1000觸摸屏來(lái)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)視與控制。PLC配置圖如圖6所示。

圖6 PLC配置圖

3.2.1 曲線插補(bǔ)的控制

首先將給定曲線進(jìn)行分解，分解成若干直線與圓弧，通過(guò)PLC編寫(xiě)的JOG運(yùn)行和點(diǎn)動(dòng)運(yùn)行程序向希望進(jìn)行登記的位置移動(dòng)，通過(guò)示教功能程序執(zhí)行登記操作，因此可以將插補(bǔ)曲線的所有定位數(shù)據(jù)自動(dòng)讀入定位模塊中，將已經(jīng)編好并模擬成功的曲線插補(bǔ)的順控程序?qū)懭隤LC的內(nèi)部存儲(chǔ)器，由CPU根據(jù)內(nèi)部存儲(chǔ)的順控程序，向QD75D4定位模塊發(fā)出啟動(dòng)或停止等信號(hào)，便可以執(zhí)行向登記位置的多次定位運(yùn)行，同時(shí)檢測(cè)定位模塊的故障。QD75D4定位模塊根據(jù)CPU發(fā)出的指令，保存參數(shù)以及定位數(shù)據(jù)，并向伺服放大器傳輸脈沖。伺服放大器接受來(lái)自QD75D4的脈沖指令，驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行并同時(shí)向定位模塊輸出驅(qū)動(dòng)單元的準(zhǔn)備就緒狀態(tài)信號(hào)以及零位信號(hào)。最終電機(jī)根據(jù)來(lái)自伺服的指令，完成動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)曲線的插補(bǔ)。如圖6 所示。

3.2.2 插補(bǔ)曲線實(shí)時(shí)顯示

插補(bǔ)曲線的實(shí)時(shí)顯示功能由三菱公司提供的GOT1000觸摸屏的散點(diǎn)圖顯示功能實(shí)現(xiàn)。插補(bǔ)過(guò)程中，PLC實(shí)時(shí)檢測(cè)兩軸的當(dāng)前進(jìn)給值，通過(guò)對(duì)觸摸屏程序的編寫(xiě)，實(shí)現(xiàn)了以一定頻率刷新顯示兩軸的當(dāng)前進(jìn)給值，并以坐標(biāo)的形式在散點(diǎn)圖中顯示曲線，經(jīng)過(guò)坐標(biāo)變換，觸摸屏的顯示數(shù)值與實(shí)際位置一一對(duì)應(yīng)。

通過(guò)M代碼進(jìn)行起落筆的控制，將觸摸屏設(shè)置為落筆時(shí)畫(huà)白線，起筆時(shí)畫(huà)黑線的方式，實(shí)現(xiàn)曲線的實(shí)時(shí)顯示。

3.2.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

圖7 PLC程序流程圖

圖8 觸摸屏開(kāi)始與運(yùn)行數(shù)據(jù)

利用三菱PLC專用的編程設(shè)計(jì)軟件GX Developer以及QD75D4專用軟件GX Configurator-QP進(jìn)行軟件的設(shè)計(jì)及模擬，分別設(shè)計(jì)了主程序，定位子程序，停止再啟動(dòng)子程序，指示燈子程序，原點(diǎn)回歸子程序，示教子程序以及上下限越限報(bào)警子程序，最終完成自動(dòng)取點(diǎn)及曲線插補(bǔ)的功能。利用三菱觸摸屏專用設(shè)計(jì)軟件GT Designer進(jìn)行觸摸屏界面及功能的設(shè)計(jì)，完成對(duì)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)的輸入控制及圖形的實(shí)時(shí)顯示，實(shí)現(xiàn)了簡(jiǎn)潔，方便，友好的人機(jī)交互功能。如圖7、圖8所示。

圖9 按鍵窗口與故障顯示界面

4 結(jié)論

大賽為大學(xué)生搭建一個(gè)才能展示和創(chuàng)新成果的舞臺(tái)，各地各校高手云集，展示、切磋、交流，將技術(shù)經(jīng)驗(yàn)交流收獲融為一體，突出了企業(yè)和學(xué)校合作雙贏的特色，很好地配合了院校在教學(xué)中希望真實(shí)反映生產(chǎn)現(xiàn)狀的改革趨勢(shì)，特別是院校把握了企業(yè)的新技藝、新知識(shí)和新方法等應(yīng)用，重視綜合能力培養(yǎng)，參選大學(xué)生將是創(chuàng)新型國(guó)家和企業(yè)自主創(chuàng)新的重要骨干。

[1] 錢佳濤.基于PLC的井下工作面自動(dòng)化系統(tǒng)集成研究.科技信息,2009,10.