山東交通學(xué)院信息科學(xué)與電氣工程學(xué)院 劉志遠(yuǎn) 胡冠山

隨著工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，步進(jìn)電機(jī)的協(xié)同控制應(yīng)用越來越廣泛，在實(shí)際的應(yīng)用中，單臺(tái)步進(jìn)電機(jī)的使用已經(jīng)無法滿足工業(yè)生產(chǎn)需求，大多數(shù)的機(jī)械設(shè)備都需要多臺(tái)電機(jī)的協(xié)同控制。常規(guī)PLC最多只有四個(gè)高速脈沖通道，只能帶動(dòng)四臺(tái)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，而在工廠中，需要掛載多臺(tái)控制器來實(shí)現(xiàn)對(duì)多臺(tái)電機(jī)的控制，以滿足工業(yè)生產(chǎn)需求。對(duì)于協(xié)同控制的研究，本文研發(fā)設(shè)計(jì)了一種基于PLC控制的多臺(tái)電機(jī)并行控制系統(tǒng)，通過RS485通訊方式控制電機(jī)，解決常規(guī)PLC因高速脈沖輸出通道不足所造成的無法帶動(dòng)多臺(tái)步進(jìn)電機(jī)的問題，減小了多臺(tái)控制器所帶來的接線困難、編程復(fù)雜問題，提高了運(yùn)行效率，減小了投入的成本。

1 總體方案設(shè)計(jì)

如圖1所示，本系統(tǒng)由PLC、步進(jìn)電機(jī)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、RS485通訊模塊、HMI觸摸屏組成。PLC作為主控單元與HMI觸摸屏通過TCP/IP建立通訊，HMI觸摸屏可以實(shí)現(xiàn)命令的下發(fā)和數(shù)據(jù)的監(jiān)控功能。自己設(shè)計(jì)的RS485通訊模塊與電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的脈沖、方向和公共端口相連，PLC與各個(gè)RS485通訊模塊通過RS485通訊方式并聯(lián)連接，通過PLC讀取RS485通訊模塊的寄存器地址，完成對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的控制，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)多臺(tái)步進(jìn)電機(jī)位置、速度、方向等參數(shù)的并行控制。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 PLC模塊

PLC模塊選用的是自主研發(fā)的產(chǎn)品，主控芯片選用STM32F103，除了常用的數(shù)字量輸入輸出端口、模擬量輸入輸出端口等功能，還包括1路隔離RS485通訊接口，支持Modbus-RTU協(xié)議，包括一路10/100M以太網(wǎng)接口，支持TCP-Modbus協(xié)議。設(shè)計(jì)的PLC內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 PLC內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

2.2 HMI觸摸屏

HMI觸摸屏選用的是步科的GT070E觸摸屏，支持串口通訊和網(wǎng)口通訊，且支持MQTT協(xié)議，可以將數(shù)據(jù)上傳至云服務(wù)器，方便以后的開發(fā)。本設(shè)計(jì)將HMI的以太網(wǎng)接口與PLC的以太網(wǎng)接口相連，二者通過TCP/IP協(xié)議建立通訊，HMI可以通過讀取和寫入數(shù)據(jù)到PLC的寄存器地址，來實(shí)現(xiàn)對(duì)PLC內(nèi)部數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和命令的下發(fā)。HMI觸摸屏與PLC的連接方式如圖3所示。

圖3 HMI與PLC連接示意圖

2.3 RS485通訊模塊

本系統(tǒng)采用RS485的通訊方式來驅(qū)動(dòng)多臺(tái)步進(jìn)電機(jī)，節(jié)省了主控單元的數(shù)量。由于部分步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器不支持RS485的通訊方式，PLC無法直接通過Modbus-RTU協(xié)議來控制步進(jìn)電機(jī)，所以設(shè)計(jì)了RS485通訊模塊，來配合步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的使用。PLC通過RS485與通訊模塊建立通信，通過控制RS485通訊模塊的脈沖、方向來實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的速度、轉(zhuǎn)向、位置等信息的控制。為每個(gè)步進(jìn)電機(jī)都配備一個(gè)RS485通訊模塊，并聯(lián)在PLC的RS485通訊接口上，實(shí)現(xiàn)多臺(tái)步進(jìn)電機(jī)的并行控制。RS485通訊模塊與步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的連接方式如圖4所示。

圖4 RS485通訊模塊與電機(jī)驅(qū)動(dòng)器連接示意圖

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 程序邏輯

PLC通電后，首先建立MODBUS組態(tài)，將PLC設(shè)為主站，波特率設(shè)置為115200，并且以輪詢的方式讀取和寫入數(shù)據(jù)到各個(gè)從站，從站地址可在RS485通訊模塊上設(shè)置。同時(shí)，初始化電機(jī)的參數(shù)并開始運(yùn)行，也可以通過HIM觸摸屏修改各個(gè)電機(jī)的位置、速度、方向等參數(shù)，將參數(shù)下發(fā)給PLC后，程序開始執(zhí)行。最終通過RS485通信的方式來實(shí)現(xiàn)多臺(tái)電機(jī)的并行控制。程序流程如圖5所示。

圖5 程序流程圖

3.2 人機(jī)界面設(shè)計(jì)

3.2.1 電機(jī)監(jiān)控界面

電機(jī)監(jiān)控界面如圖6所示，實(shí)時(shí)監(jiān)控電機(jī)的站號(hào)、維護(hù)時(shí)間和運(yùn)行時(shí)間。

圖6 電機(jī)監(jiān)控界面

3.2.2 電機(jī)調(diào)試界面

電機(jī)調(diào)試界面如圖7所示，本設(shè)計(jì)對(duì)七臺(tái)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行了測(cè)試，分別對(duì)應(yīng)電機(jī)1到電機(jī)7，并設(shè)置了急停、參數(shù)下發(fā)、回原點(diǎn)和運(yùn)行測(cè)試的功能，并且可以實(shí)時(shí)修改步進(jìn)電機(jī)的站號(hào)、位置、速度和方向參數(shù)。

圖7 電機(jī)調(diào)試界面

結(jié)論：本文設(shè)計(jì)了基于PLC的多臺(tái)步進(jìn)電機(jī)并行控制系統(tǒng)，通過RS485通訊模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)多臺(tái)電機(jī)的協(xié)同控制，相比于直接通過PLC的高速脈沖端口控制多臺(tái)步進(jìn)電機(jī)的方法，RS485通信的方式更能體現(xiàn)出并行控制的優(yōu)勢(shì)，節(jié)省了大量的控制端口，運(yùn)行效率更高。