鄒麗梅，郭 波

(武夷學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，福建 武夷山 354300)

近年隨著伺服系統(tǒng)性能提升且價(jià)格不斷下降，數(shù)控、紡織、機(jī)器手等多軸自動(dòng)化裝備應(yīng)用伺服電機(jī)愈加廣泛。為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化裝備多軸協(xié)同定位和軌跡的同步控制，當(dāng)前多軸伺服控制系統(tǒng)多采用PC上位機(jī)和DSP、單片機(jī)控制芯片下位機(jī)模式，也可由PLC 增加運(yùn)動(dòng)控制模塊組成控制器。電機(jī)控制的實(shí)現(xiàn)方式其一是通過輸出模擬量轉(zhuǎn)速電壓，在控制器外環(huán)用PID 實(shí)現(xiàn)位置控制，多軸之間通過速度跟蹤同步，控制器運(yùn)算量小，速度較快，多軸控制需要多路模擬量輸出，同步精度較低。其二是控制器高速輸出脈沖位置和速度，以位置插補(bǔ)實(shí)現(xiàn)高速定位，控制器輸入輸出濾波時(shí)間決定多軸同步精度，要求較高的控制器運(yùn)算能力，控制簡(jiǎn)單且精度較高。

微型可編程控制器PLC 廣泛應(yīng)用于自動(dòng)化裝備控制領(lǐng)域，其功能全面、性能強(qiáng)大、工作可靠且價(jià)格便宜。一般的應(yīng)用中，利用微型PLC 基本單元CPU 的兩個(gè)高速脈沖輸出點(diǎn)，可直接實(shí)現(xiàn)兩軸以下伺服控制應(yīng)用，如果增配運(yùn)動(dòng)控制模塊，還可以擴(kuò)展軸數(shù)，模塊還支持插補(bǔ)運(yùn)算，但PLC 控制伺服同步輸出僅限于基本單元或運(yùn)動(dòng)控制模塊內(nèi)部的兩軸。在當(dāng)前可供選擇的多軸自動(dòng)化應(yīng)用控制方案中，多軸控制器平均到每一軸的硬件成本很高，限制了多軸自動(dòng)化應(yīng)用的擴(kuò)展。若通過微型PLC聯(lián)網(wǎng)通信構(gòu)建實(shí)現(xiàn)多軸伺服控制器，以梯形圖程序控制伺服電機(jī)同步，則可以較低的控制器硬件成本控制較多的伺服軸，實(shí)現(xiàn)任意需求軸的協(xié)同定位，可拓展多軸伺服自動(dòng)化應(yīng)用范圍。

1 三菱FX2N PLC 的通信功能與控制器結(jié)構(gòu)

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)基于通信的多軸伺服控制器選擇三菱FX2N 微型PLC，F(xiàn)X 系列微型PLC 價(jià)格低廉，各種模塊與網(wǎng)絡(luò)功能配套齊全，在我國(guó)應(yīng)用較廣，在自動(dòng)化控制領(lǐng)域具有一定代表性。FX 系列PLC 通信功能強(qiáng)大，具備通過CC－Link、串行通信、以太網(wǎng)、遠(yuǎn)程I/O 等功能組網(wǎng)，其中串行通信功能構(gòu)成的系統(tǒng)簡(jiǎn)單，提供了N:N 網(wǎng)絡(luò)、無協(xié)議通信、計(jì)算機(jī)鏈接等形式，組網(wǎng)硬件成本遠(yuǎn)低于其他網(wǎng)絡(luò)模塊。

FX2N 與FX 系列的其他PLC 一樣，可通過通信功能用擴(kuò)展板或者模塊實(shí)現(xiàn)RS－232C、RS－422、RS－485 以及CC－Link 的擴(kuò)展［1］。其中RS－232C 通信功能擴(kuò)展板用于PLC 與PC 單獨(dú)鏈接通信，可支持無協(xié)議通信功能和計(jì)算機(jī)鏈接功能應(yīng)用;PLC 標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)置RS－422 用于上位PC 或觸摸屏程序監(jiān)控。FX2N 微型PLC 增加FX2N－485－BD擴(kuò)展板通信組網(wǎng)，可以構(gòu)成最大8 臺(tái)PLC 組網(wǎng)的N:N 網(wǎng)絡(luò)功能，擴(kuò)展板通訊距離可達(dá)50 米，PLC站點(diǎn)提供軟元件交換通訊數(shù)據(jù)，適應(yīng)多軸伺服控制組網(wǎng)需要。8 臺(tái)組網(wǎng)PLC 可最大實(shí)現(xiàn)16 軸同步控制，若采用支持3 個(gè)獨(dú)立脈沖輸出的高端型號(hào)則可以擴(kuò)展至24 軸。微型可編程控制器生產(chǎn)廠家眾多，性能可靠?jī)r(jià)格低廉，基于微型PLC 通信的多軸伺服控制器可以滿足絕大多數(shù)自動(dòng)化應(yīng)用需求。

圖1 5 軸伺服控制器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

另外FX 系列PLC 亦支持計(jì)算機(jī)鏈接功能，可組成由PC 為主站的最大16 臺(tái)PLC 的網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)控制器需要PC 高速數(shù)據(jù)處理能力或控制更多軸數(shù)，利用計(jì)算機(jī)鏈接功能便可以實(shí)現(xiàn)。

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的多軸同步控制器可完成5 軸伺服電機(jī)的協(xié)同，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由三套FX2N PLC 與FX2N－485－BD 通信功能擴(kuò)展板組網(wǎng)，主要接線如圖1 所示。N:N 網(wǎng)絡(luò)接線利用1 對(duì)屏蔽電纜連接各站SDA 與SDB 端，RDA 與RDB 分別搭接SDA 和SDB，主站與末尾從站在RDA 與RDB 端連接110歐姆終端電阻。

N:N 網(wǎng)絡(luò)可選擇模式2，由各站點(diǎn)提供64 點(diǎn)位軟元件和8 點(diǎn)字軟元件交換數(shù)據(jù)，如主站PLC占用64 點(diǎn)輔助繼電器M1000－M1063 與8 點(diǎn)數(shù)據(jù)寄存器D0－D7，每個(gè)掃描周期結(jié)束時(shí)，主站數(shù)據(jù)寫入的位元件與字元件數(shù)據(jù)，經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)按從站順序依次寫入各從站同號(hào)元件中。各站若改寫屬于其他站點(diǎn)占用的軟元件無效，通訊開始后這些軟元件將被對(duì)應(yīng)站點(diǎn)刷新。PLC 程序掃描增加N:N 網(wǎng)絡(luò)通訊需要鏈接時(shí)間，模式2 鏈接2 臺(tái)PLC 需要增加34 毫秒，鏈接8 臺(tái)需要131 毫秒，因此伺服控制器的指令傳遞到各站有時(shí)間差，這也是其他網(wǎng)絡(luò)化控制器的共同問題。所以設(shè)計(jì)5 軸伺服控制器需要另加軟硬件設(shè)計(jì)解決同步控制。

2 基于通信的同步控制原理

采用三菱PLC 高速脈沖輸出指令PLSY 可以在Y0 與Y1 兩個(gè)輸出點(diǎn)，得到頻率最大為20KHz 的獨(dú)立脈沖輸出。兩個(gè)脈沖輸出是在PLC 掃描周期結(jié)束時(shí)同時(shí)開始，因此PLC 控制的內(nèi)部?jī)奢S伺服可以同步，控制核心在于實(shí)現(xiàn)PLC 之間的伺服同步。實(shí)驗(yàn)表明，在主站啟動(dòng)高速脈沖輸出指令后，指令每經(jīng)過一個(gè)掃描周期才能到達(dá)一個(gè)站點(diǎn)，因此各站點(diǎn)輸出開始時(shí)間有網(wǎng)絡(luò)延時(shí)，造成相鄰PLC同步輸出脈沖最大100 個(gè)的誤差。

為了同步各站的脈沖輸出時(shí)間，應(yīng)當(dāng)避免啟動(dòng)控制指令通過網(wǎng)絡(luò)傳輸。PLC 可配置足夠輸入輸出接口資源，利用主站輸出繼電器Y 輸出控制指令，使包括主站在內(nèi)的各站通過輸入繼電器獲得控制指令，可以使各站點(diǎn)接收控制指令的時(shí)間誤差限制在PLC 濾波時(shí)間之內(nèi)。據(jù)此設(shè)計(jì)在主站PLC 使用Y14控制手動(dòng)脈沖輸出，Y15 控制相對(duì)定位脈沖輸出，Y16 控制絕對(duì)定位脈沖輸出，Y17 用于連續(xù)定位等控制輸出指令。輸出繼電器Y14－Y17 輸出至中間繼電器KV1－KV4 線圈，各站的輸入繼電器X14－X17并聯(lián)接入KV1－KV4 觸點(diǎn)。各站幾乎能同時(shí)接收到主站輸出的啟動(dòng)指令信號(hào)，PLC 外部接線見圖1。

主站控制程序應(yīng)實(shí)現(xiàn)對(duì)脈沖輸出指令的準(zhǔn)備與啟動(dòng)，如手動(dòng)脈沖輸出應(yīng)給定各軸頻率，相對(duì)定位輸出應(yīng)向各軸數(shù)據(jù)寄存器寫入脈沖數(shù)與頻率;絕對(duì)定位輸出應(yīng)計(jì)算位置脈沖數(shù)差值等。各類脈沖輸出由對(duì)應(yīng)的輔助繼電器標(biāo)志通斷啟停，再由主站PLC Y14－Y17 輸出統(tǒng)一啟動(dòng)指令，各站輸入繼電器X14－X17 接收到啟動(dòng)指令后將在同一時(shí)間開始脈沖輸出。以手動(dòng)控制程序?yàn)槔?，主站手?dòng)控制程序如圖2 所示，從站程序僅需圖2 主站程序行號(hào)為11 處程序段接收控制指令。

圖2 主站PLC 手動(dòng)控制正反轉(zhuǎn)程序

程序執(zhí)行時(shí)，觸摸屏按鈕控制啟動(dòng)各站PLC的M102 手動(dòng)正轉(zhuǎn)或M103 手動(dòng)反轉(zhuǎn)，手動(dòng)程序接通M0 手動(dòng)輸出標(biāo)志，主站當(dāng)前掃描周期結(jié)束時(shí)Y14 輸出刷新。下一個(gè)掃描周期輸入刷新階段，各站PLC X14 接通，脈沖指令DPLSY 以給定頻率D150 的值輸出手動(dòng)脈沖?？刂扑欧謩?dòng)反轉(zhuǎn)，M103 反轉(zhuǎn)信號(hào)由Y2 輸出到伺服放大器執(zhí)行。經(jīng)控制實(shí)驗(yàn)證明，任意時(shí)長(zhǎng)手動(dòng)脈沖輸出停止后，PLC 伺服電機(jī)最大輸出脈沖誤差為1 個(gè)脈沖，實(shí)現(xiàn)了各軸同步輸出。

3 多軸伺服同步控制應(yīng)用解決方法

多軸伺服同步控制通過三菱FX2N PLC 組成N:N 網(wǎng)絡(luò)，由編程實(shí)現(xiàn)各軸脈沖加方向的同步輸出。自動(dòng)控制過程及功能由編寫在主站與從站PLC的梯形圖程序?qū)崿F(xiàn)，該控制方案優(yōu)點(diǎn)在于控制系統(tǒng)是全開放的，網(wǎng)絡(luò)化的多軸伺服同步控制器擁有可按需配置的CPU 資源，輸入輸出接口資源，甚至能通過計(jì)算機(jī)鏈接功能使用更高速的PC 機(jī)資源，且PLC 的高可靠性與控制器高性能結(jié)合，使多軸伺服同步控制器適應(yīng)性更強(qiáng)。但控制功能的梯形圖實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜，5 軸伺服控制器控制程序?qū)崿F(xiàn)時(shí)有一些應(yīng)用問題，取其中有共性的應(yīng)用解決方法以供參考。

3.1 特殊輔助繼電器M8029 的使用問題

三菱FX2N PLC 在脈沖輸出指令PLSY 中說明，特殊輔助繼電器M8029 可用于脈沖輸出指令完成的標(biāo)志。但實(shí)際用于脈沖定位時(shí)，如果需要M8029作為定位結(jié)束后的狀態(tài)復(fù)位觸點(diǎn)，須注意觸點(diǎn)M8029 在程序中的位置。如圖3 所示。圖中位于輸出Y000 的脈沖指令下方的M8029 觸點(diǎn)，會(huì)在Y0端口脈沖輸出結(jié)束時(shí)接通一個(gè)掃描周期，而另一個(gè)M8029 的觸點(diǎn)只能在Y001 端口的脈沖結(jié)束時(shí)接通。因此若兩個(gè)端口的脈沖輸出指令類似于圖3 的上下行位置編寫，那么位于程序其他位置的M8029觸點(diǎn)的功能只等同于下方第二個(gè)觸點(diǎn)，僅僅對(duì)Y1有效。因此利用M8029 觸點(diǎn)實(shí)現(xiàn)定位狀態(tài)標(biāo)志復(fù)位信號(hào)，需注意觸點(diǎn)在程序中的位置。

圖3 M8029 觸點(diǎn)位置功能

3.2 定位數(shù)據(jù)的傳送機(jī)制

三菱FX2N PLC 的N:N 網(wǎng)絡(luò)提供的可用于通信的數(shù)據(jù)寄存器數(shù)量有限。主站PLC 作為多軸定位總控需要向各軸發(fā)送定位數(shù)據(jù)時(shí)，主站D0－D7共8 個(gè)16 位數(shù)據(jù)不夠?qū)崿F(xiàn)一次性傳輸，因此利用共享的輔助繼電器與數(shù)據(jù)寄存器設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)傳送機(jī)制很有必要。圖4 程序設(shè)計(jì)了3 軸的脈沖定位及頻率數(shù)據(jù)的主站傳送程序與從1 站的接收程序，其他站點(diǎn)程序與從1 站程序類似，僅是使用不同編號(hào)的軟元件。

圖4 主站定位數(shù)據(jù)傳送程序與從1 站接收程序

行號(hào)444 開始的主站程序中，觸摸屏輸入的3軸定位脈沖及頻率數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于主站D170、D180、D190 開始的3 個(gè)32 位數(shù)據(jù)中。若向從1 站3#軸傳送定位數(shù)據(jù)，傳送按鈕開關(guān)M120 接通時(shí)，數(shù)據(jù)寫入D0－D5 的主站共享數(shù)據(jù)區(qū)，并置位主站共享輔助繼電器M1010 作為數(shù)據(jù)寫入完畢可傳送標(biāo)志，同時(shí)鎖定禁止其他軸向共享數(shù)據(jù)區(qū)寫入。行號(hào)52開始的從1 站程序在M1010 標(biāo)志觸點(diǎn)接通后，讀取D0－D5 共享區(qū)數(shù)據(jù)，其后輸出從1 站位元件M1064 代表讀取完畢的標(biāo)志。主站程序收到3#數(shù)據(jù)接收反饋標(biāo)志。就可復(fù)位自身M1010 傳送標(biāo)志，恢復(fù)其他軸的傳送鎖定，準(zhǔn)備下一次傳送數(shù)據(jù)。機(jī)制設(shè)計(jì)核心在于將主站共享數(shù)據(jù)區(qū)建立為可重復(fù)寫入的緩沖區(qū)，利用主從站標(biāo)志位標(biāo)示數(shù)據(jù)寫入讀取，從而能使大塊或多塊數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳送。

4 結(jié)論

利用微型三菱PLC 串行通信組成N:N 網(wǎng)絡(luò)的多軸伺服控制器，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可擴(kuò)展性強(qiáng)并且開放性好，利用市場(chǎng)常見廠家微型PLC 均可輕易實(shí)現(xiàn)。設(shè)計(jì)采用主從站輸入輸出信號(hào)統(tǒng)一各站脈沖輸出，使各軸同步輸出誤差小于1 個(gè)脈沖，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)5 軸伺服控制功能，可拓展多軸自動(dòng)化應(yīng)用范圍。該控制器使用難點(diǎn)在于控制功能程序設(shè)計(jì)，因此熟悉PLC 的掃描工作原理與通信過程原理極其重要。

［1］FX 系列微型可編程控制器用戶手冊(cè)(通信篇)［S］. 三菱公司.

［2］FX1S，F(xiàn)X1N，F(xiàn)X2N，F(xiàn)X2NC 系列編程手冊(cè)基本指令，步進(jìn)梯形圖指令，應(yīng)用指令說明書［S］. 三菱公司.

［3］杜勁松，高潔，楊旭. 多軸伺服控制器在自動(dòng)化裝備中的應(yīng)用［J］. 沈陽工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，28(6):632－635.

［4］白帆. 多軸同步伺服控制系統(tǒng)研究［D］. 浙江大學(xué)，2012.

［5］王海，李洪奎，劉曉東. 基于PLC 的多軸控制研究［J］.中國(guó)工程機(jī)械學(xué)報(bào)，2008，6(4):470－472.

［6］陳瑋，高軍禮，邵贊堅(jiān). 基于PLC 的多軸運(yùn)動(dòng)控制器的應(yīng)用研究［J］. 控制與檢測(cè)，2007，(6):49－52.

［7］郭波，鄒麗梅. 三菱可編程控制器PID 指令調(diào)速應(yīng)用研究［J］. 宜春學(xué)院學(xué)報(bào)，2014，36(9):42－44.