武永強(qiáng)，于 濤

(遼寧工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，遼寧 錦州 121000)

0 引言

目前，PLC憑借其優(yōu)越的穩(wěn)定性和對各種工作環(huán)境極高的適應(yīng)性被廣泛應(yīng)用于伺服電機(jī)控制系統(tǒng)[1-3]。但是只用PLC控制伺服電機(jī)也有明顯的不足，在設(shè)備調(diào)試、設(shè)備維護(hù)以及更換生產(chǎn)任務(wù)時(shí)，需要現(xiàn)場工程師利用電腦軟件修改PLC程序以及相應(yīng)的數(shù)據(jù)，這種操作對于現(xiàn)場工程師來說是非常繁瑣且低效的[4]。

為了解決上述問題，本文將觸摸屏應(yīng)用到伺服電機(jī)控制系統(tǒng)中。通過觸摸屏可對PLC中的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的修改，進(jìn)而修改伺服電機(jī)的各種運(yùn)行參數(shù)，對伺服電機(jī)進(jìn)行有效控制。

1 伺服控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 硬件選型

核心控制器選用西門子S7-200 SMART PLC,CPU型號為ST30標(biāo)準(zhǔn)型CPU模塊。ST30標(biāo)準(zhǔn)型CPU模塊為晶體管輸出，24 V DC供電，具有18DI/12DO、3個(gè)高速脈沖輸出口，能夠組態(tài)三軸的運(yùn)動(dòng)。

觸摸屏選用昆侖通態(tài)MCGS觸摸屏，型號為TPC1061Ti(Xi)。該觸摸屏尺寸為10寸，分辨率為1 024×600，主頻頻率為600 MHz,內(nèi)存和儲存均為128 MB。

伺服電機(jī)和伺服驅(qū)動(dòng)器選用性價(jià)比較高的Panasonic A6系列，伺服驅(qū)動(dòng)器選用MADLN15SE，伺服電機(jī)選用MHMF022L1U2M。該伺服電機(jī)小巧、輕盈、扭矩大，適用于各種小型設(shè)備。

1.2 硬件連接

PLC作為伺服控制系統(tǒng)的核心，給伺服驅(qū)動(dòng)器發(fā)送指令控制伺服電機(jī)的運(yùn)行，同時(shí)也接收來自伺服驅(qū)動(dòng)器的信號來監(jiān)控電機(jī)狀態(tài)。MCGS觸摸屏在伺服電機(jī)控制系統(tǒng)中作為控制面板來使用，與PLC之間實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)通訊。必要時(shí)，MCGS觸摸屏可以編輯循環(huán)策略簡化PLC的程序[5]。伺服控制系統(tǒng)的硬件連接如圖1所示。

圖1 伺服控制系統(tǒng)的硬件連接

圖1中，MCGS觸摸屏和SMART PLC之間用網(wǎng)線連接，伺服驅(qū)動(dòng)器和伺服電機(jī)之間采用配套的電機(jī)線和編碼器線連接。伺服驅(qū)動(dòng)器控制端子是50針的接頭，每個(gè)接頭都有不同的含義。根據(jù)實(shí)際所需連接相應(yīng)的控制端子，本文所需控制端子及各端子參數(shù)如表1所示。

表1 控制端子參數(shù)

2 伺服電機(jī)控制系統(tǒng)

伺服電機(jī)控制系統(tǒng)以PLC為控制核心，借助PLC技術(shù)實(shí)現(xiàn)對伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)的控制，主要通過脈沖量、模擬量角度實(shí)現(xiàn)對位置以及電機(jī)速度的控制[6-8]。本文以脈沖方式實(shí)現(xiàn)對伺服電機(jī)位置以及速度的精確控制。

2.1 PLC的I/O地址分配

PLC程序編輯時(shí)，首先對PLC的I/O地址進(jìn)行合理規(guī)劃。根據(jù)控制需求對I/O地址進(jìn)行分配，部分I/O地址分配如表2所示。

表2 PLC部分I/O地址分配

2.2 PLC程序編輯

PLC采用的是S7-200 SMART，故用編程軟件STEP7-MicroWIN-SMART-V2.4進(jìn)行程序編輯。S7-200 SMART CPU ST30 PLC的3路高速脈沖輸出支持PWM和PTO脈沖輸出方式以及多種運(yùn)動(dòng)模式，可自由設(shè)置運(yùn)動(dòng)包絡(luò)。

本文采用ST30 PLC本體上的 Q0.1和Q0.7輸出端子，通過運(yùn)動(dòng)控制向?qū)гO(shè)置，組態(tài)PTO高速脈沖輸出方式，完成調(diào)速和定位等運(yùn)動(dòng)控制功能[9]。利用PLC編程軟件中的運(yùn)動(dòng)向?qū)Ь庉嬁刂齐姍C(jī)的相應(yīng)參數(shù)以生成子例程，再通過調(diào)用相應(yīng)的子例程來控制伺服電機(jī)。通過編輯常用的子例程控制伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)，部分PLC程序如圖2所示。

圖2 伺服電機(jī)的部分PLC控制程序

2.3 伺服驅(qū)動(dòng)器參數(shù)設(shè)置

伺服驅(qū)動(dòng)器根據(jù)種類和型號的不同，對其中的某些必要參數(shù)進(jìn)行不同的設(shè)置。本文采用Panasonic A6系列伺服驅(qū)動(dòng)器，對伺服驅(qū)動(dòng)器中必要的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，如表3所示。

表3 伺服驅(qū)動(dòng)器參數(shù)設(shè)置

3 觸摸屏設(shè)計(jì)

3.1 用戶窗口設(shè)計(jì)

用戶窗口的設(shè)計(jì)以醒目、簡單、整齊、操作方便為原則，設(shè)計(jì)的伺服電機(jī)用戶窗口如圖3所示。

圖3 伺服電機(jī)用戶窗口

用戶界面中的操作界面能夠完成伺服電機(jī)的手動(dòng)控制或者自動(dòng)控制。手動(dòng)控制包括電機(jī)的正轉(zhuǎn)點(diǎn)動(dòng)、反轉(zhuǎn)點(diǎn)動(dòng)以及設(shè)定速度的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)；自動(dòng)控制中含有自動(dòng)尋參(自動(dòng)尋找參考點(diǎn))以及自動(dòng)運(yùn)行。

監(jiān)控界面能監(jiān)控伺服電機(jī)運(yùn)行的各個(gè)狀態(tài)以及獲取伺服電機(jī)的當(dāng)前參數(shù)。一般情況下僅監(jiān)控圖3所示的伺服電機(jī)狀態(tài)以及伺服電機(jī)當(dāng)前位置和當(dāng)前速度。

3.2 設(shè)備添加與參數(shù)設(shè)置

在設(shè)備窗口打開工具箱的設(shè)備管理界面找到“西門子_smart200”,雙擊添加到選定設(shè)備中。在選定設(shè)備中依次雙擊“通用串口父設(shè)備”和“西門子_smart200”，完成設(shè)備窗口的添加[10]。設(shè)備窗口組態(tài)如圖4所示。

圖4 設(shè)備窗口組態(tài)

設(shè)備窗口組態(tài)完成后，雙擊圖4中選定的設(shè)備，對該設(shè)備進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，如圖5所示。

圖5 參數(shù)設(shè)置 圖6 部分設(shè)備通道 圖7 變量連接

將設(shè)備名稱改為ST30，方便與其他設(shè)備相區(qū)別；本地IP地址設(shè)為與MCGS觸摸屏相同的IP地址，以便將程序下載到MCGS觸摸屏中；遠(yuǎn)端IP地址設(shè)為與SMART PLC ST30相同的IP地址，使觸摸屏能夠與PLC之間通訊。

3.3 設(shè)備通道建立與變量連接

為了使MCGS觸摸屏能夠與PLC之間進(jìn)行通訊，需建立相應(yīng)的設(shè)備通道。根據(jù)PLC程序及控制需求建立如圖6所示的部分設(shè)備通道，使MCGS觸摸屏能夠與PLC之間進(jìn)行相應(yīng)的通訊。

建立好設(shè)備通道以后，該設(shè)備中所有的連接變量將會添加到MCGS觸摸屏的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫中。然后，在用戶窗口的控件里面與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫的相應(yīng)變量建立連接。以圖3中的正轉(zhuǎn)點(diǎn)動(dòng)按鈕為例，變量連接如圖7所示。

4 實(shí)驗(yàn)

利用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的電機(jī)實(shí)驗(yàn)工作臺來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。電機(jī)實(shí)驗(yàn)工作臺上需要用到的設(shè)備有MCGS觸摸屏、SMART PLC ST30、Panasonic伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、Panasonic伺服電機(jī)、兩個(gè)接觸器、網(wǎng)線以及導(dǎo)線等。通過硬件連接將MCGS觸摸屏、PLC、伺服驅(qū)動(dòng)器、伺服電機(jī)等連接起來，如圖8所示。

圖8 實(shí)驗(yàn)硬件連接

在觸摸屏上對伺服電機(jī)進(jìn)行控制，觀察電機(jī)控制效果以及觸摸屏反饋信息。通過實(shí)驗(yàn)得出，MCGS觸摸屏能夠手動(dòng)或者自動(dòng)控制伺服電機(jī)；在MCGS觸摸屏中改變伺服電機(jī)的目標(biāo)位置和運(yùn)行速度十分方便；電機(jī)的各種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)能夠在MCGS觸摸屏中得到清晰顯示。

5 結(jié)語

本文通過MCGS觸摸屏與伺服電機(jī)控制系統(tǒng)相結(jié)合，使伺服電機(jī)控制系統(tǒng)更加靈活、方便。通過MCGS觸摸屏即可改變伺服電機(jī)的運(yùn)行速度和目標(biāo)位置，為伺服電機(jī)控制系統(tǒng)的調(diào)試與維護(hù)提供了方便。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，MCGS觸摸屏與伺服電機(jī)控制系統(tǒng)配合親密無間，能夠達(dá)到預(yù)期效果。