楊 晨，蔡靖鍇，李 偉

（鄭州科技學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院， 鄭州 450064）

0 引言

隨著機(jī)械自動(dòng)化程度的提高以及工業(yè)的飛速發(fā)展，在現(xiàn)今的實(shí)際生產(chǎn)中，自動(dòng)清洗裝置的配備大大縮短了清洗系統(tǒng)的時(shí)間[1]，提高了生產(chǎn)效率，降低了人的勞動(dòng)強(qiáng)度，且利于實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的完全自動(dòng)化。在現(xiàn)有的清洗裝置設(shè)備中，終端保護(hù)設(shè)備主機(jī)與顯示部分采用RS485 通信方式，主機(jī)和顯示器由兩個(gè)完全獨(dú)立的CPU 控制，互不影響。有的廠家采用主機(jī)一個(gè)CPU 控制顯示部分，因顯示部分與主機(jī)分體安裝，控制數(shù)據(jù)總線及微機(jī)工作電源DC5V要外引，外界電磁干擾很容易串?dāng)_到CPU 的數(shù)據(jù)總線及微機(jī)工作電源DC5V 上，從而導(dǎo)致保護(hù)因電磁干擾而誤動(dòng)作[2]。

CAN(Controller Area Network)是控制器局域網(wǎng)絡(luò)的簡(jiǎn)稱[3]，屬于現(xiàn)場(chǎng)總線的范疇，是國(guó)際上應(yīng)用較廣泛的現(xiàn)場(chǎng)總線一種有效支持分布式控制或事實(shí)控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)。較之目前RS-485基于R線構(gòu)建的分布式控制系統(tǒng)而言，基于CAN總線的分布式控制系統(tǒng)具有突出的靈活性、可靠性以及實(shí)時(shí)性[4]。其在現(xiàn)代工業(yè)控制領(lǐng)域中有著巨大的作用，對(duì)實(shí)現(xiàn)綜合自動(dòng)化具有重要意義。

本文在實(shí)際自動(dòng)化生產(chǎn)線中，提出基于PLC 的物料清洗裝置控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，使用匯川H3U 系列PLC 通過CANlink 總線的方式配線，對(duì)現(xiàn)有的物料清洗裝置控制系統(tǒng)做了進(jìn)一步的改進(jìn)和優(yōu)化。

本文的研究目標(biāo)是采用CANlink 總線技術(shù)，對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)器參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，實(shí)現(xiàn)合理的伺服定位控制，PLC 將外部輸入信號(hào)和控制輸出信號(hào)結(jié)合設(shè)計(jì)的流程圖進(jìn)行程序邏輯編程，實(shí)現(xiàn)設(shè)備物料自動(dòng)清洗控制功能。

1 物料清洗裝置的結(jié)構(gòu)

物料清洗裝置主要由PLC、CAN 總線、伺服驅(qū)動(dòng)器、氣動(dòng)手爪、回轉(zhuǎn)氣缸等組成，伺服電機(jī)通過IS620P 系列伺服驅(qū)動(dòng)器控制大機(jī)械手的直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，其他各元件的動(dòng)作由氣缸來控制，按照控制要求依次完成相應(yīng)的動(dòng)作。物料清洗裝置的結(jié)構(gòu)如圖1所示。主要的運(yùn)動(dòng)部件由大機(jī)械手、小機(jī)械手和凸臺(tái)組成。

圖1 物料清洗裝置結(jié)構(gòu)

2 CAN總線的控制方式

該系統(tǒng)所使用的PLC 為匯川H3U 系列，其通過CANlink總線對(duì)IS620P 系列伺服驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)伺服電機(jī)的控制，進(jìn)一步帶動(dòng)絲杠的運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的運(yùn)動(dòng)控制功能。CAN總線的控制方式如圖2所示。

圖2 CANlink總線的控制方式

2.1 伺服驅(qū)動(dòng)器參數(shù)設(shè)置

該系統(tǒng)采用IS620P 系列伺服驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行控制伺服電機(jī)可使控制速度，位置精度非常準(zhǔn)確，可以將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速以驅(qū)動(dòng)控制對(duì)象。伺服電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速受輸入信號(hào)控制，并能快速反應(yīng)，在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，用作執(zhí)行元件，且具有機(jī)電時(shí)間常數(shù)小、線性度高、始動(dòng)電壓等特性，可把所收到的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成電動(dòng)機(jī)軸上的角位移或角速度輸出。采用伺服定位的控制技術(shù)，精度高，性能好，通過對(duì)伺服的合理應(yīng)用使得設(shè)備控制技術(shù)自動(dòng)化[5]。

為了能夠使IS620P 系列伺服驅(qū)動(dòng)器準(zhǔn)確地接入CANopen現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)，需要對(duì)IS620P 系列伺服驅(qū)動(dòng)器的相關(guān)功能碼進(jìn)行設(shè)置，將H02.00設(shè)置為8（CANopen模式），建立與CAN總線之間的通信，將H0C.00設(shè)置為1（伺服軸地址編號(hào)），定義了伺服驅(qū)動(dòng)器控制軸的地址編號(hào)為1號(hào)，將H0C.08設(shè)置為5（波特率為500k）。

2.2 CAN總線撥碼開關(guān)設(shè)置

CAN 總線是國(guó)際上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場(chǎng)總線之一。最早是由德國(guó)Bosch公司推出，用于汽車內(nèi)部測(cè)量與執(zhí)行部件之間的數(shù)據(jù)通信協(xié)議[6]。CAN總線的應(yīng)用范圍遍及從高速網(wǎng)絡(luò)到低成本的多線路網(wǎng)絡(luò)，廣泛應(yīng)用于控制系統(tǒng)中的各檢測(cè)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間的數(shù)據(jù)通信。

CAN 總線的撥碼開關(guān)共8 位，其中第8 位表示匹配電阻，ON代表接入120 Ω 的終端匹配電阻，OFF代表不接終端匹配電阻，根據(jù)本系統(tǒng)所使用的驅(qū)動(dòng)器終端匹配電阻120 Ω ，因此將撥碼開關(guān)的8號(hào)位撥到ON位。

CAN總線的撥碼開關(guān)第7位表示波特率，ON代表低速模式，波特率100 kbit/s，OFF代表高速模式，波特率500 kbit/s，根據(jù)IS620P系列伺服驅(qū)動(dòng)器所默認(rèn)的500 kbit/s波特率，因此將7號(hào)開關(guān)撥到OFF位，才能與驅(qū)動(dòng)器達(dá)成通信。

其余幾位撥碼開關(guān)按照A6 A5 A4 A3 A2 A1的方式進(jìn)行組合[7]，此6位撥碼開關(guān)由高到低組成一個(gè)六位二進(jìn)制數(shù)，用于識(shí)別本機(jī)站號(hào)，其中ON代表1，OFF代表0，本系統(tǒng)中使用的PLC 站號(hào)為#1，因此將其轉(zhuǎn)化為二進(jìn)制即為000001，所以在使用過程中需將撥碼開關(guān)1號(hào)開關(guān)置為1，即將撥碼開關(guān)撥到ON 位，其余撥碼開關(guān)設(shè)置為0，即將撥碼開關(guān)撥到OFF 位。CAN總線撥碼開關(guān)如圖3所示。

圖3 CAN總線撥碼開關(guān)

3 系統(tǒng)控制流程圖設(shè)計(jì)

該設(shè)備需完成對(duì)物料的清洗工作，先了解該設(shè)備的生產(chǎn)加工工藝，再根據(jù)系統(tǒng)的控制要求，分析物料清洗的生產(chǎn)加工過程[8]，制定物料清洗裝置的控制流程圖，如圖4所示。

圖4 物料清洗裝置控制流程

該物料清洗裝置的機(jī)械動(dòng)作是按照時(shí)間的先后次序，遵循一定規(guī)律進(jìn)行的。針對(duì)這樣順序控制，匯川H3U 系列PLC指令系統(tǒng)中有兩條步進(jìn)指令，利用步進(jìn)指令可以將一個(gè)復(fù)雜的工作流程分解為若干較簡(jiǎn)單的工步，對(duì)每個(gè)工步的編程相對(duì)容易[9]，因此，編程效率較高。

該流程圖反映出物料清洗裝置的工作過程，該系統(tǒng)采用可編程控制器的步進(jìn)指令及狀態(tài)編程法來編程，整個(gè)流程分為14個(gè)工步。

首先根據(jù)流程圖的控制順序，對(duì)物料清洗裝置PLC的I/O端口進(jìn)行分配，其端口分配表如表1所示。

然后按照I/O端口分配表，將上述的控制流程圖改寫成狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖，將物料清洗裝置流程圖的工步更換為PLC 中的狀態(tài)繼電器S，就得到了狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖，如圖5所示。

圖5 物料清洗裝置狀態(tài)轉(zhuǎn)移

4 結(jié)束語

通過采用匯川H3U系列PLC，利用CANlink總線的方式配線，設(shè)計(jì)了一套有關(guān)物料清洗裝置的控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)利用PLC 的控制原理和自動(dòng)控制基礎(chǔ)，同時(shí)通過電機(jī)拖動(dòng)技術(shù)和伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)來達(dá)到整個(gè)定位控制的方式和與原理。采用CAN總線的控制方法實(shí)現(xiàn)了對(duì)驅(qū)動(dòng)器的控制，從而達(dá)到了對(duì)伺服電機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制。該系統(tǒng)是按照時(shí)間的先后次序且遵循一定規(guī)律的典型順序控制系統(tǒng)，采用了可編程控制器的步進(jìn)指令及狀態(tài)編程法來編程，并不斷地對(duì)設(shè)備進(jìn)行調(diào)試和改進(jìn)PLC 程序，最終完成了對(duì)該物料清洗裝置控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)其功能，該控制系統(tǒng)為自動(dòng)化生產(chǎn)線提供了可行的解決方案，縮短了工作時(shí)間，提高了工作效率，大大降低了勞動(dòng)成本，也為其他自動(dòng)化生產(chǎn)線的PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了理論基礎(chǔ)，對(duì)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)具有重要意義。