基于微型PLC 通信的多軸伺服同步控制

鄒麗梅，郭 波

(武夷學院 機電工程學院，福建 武夷山 354300)

近年隨著伺服系統(tǒng)性能提升且價格不斷下降，數(shù)控、紡織、機器手等多軸自動化裝備應用伺服電機愈加廣泛。為實現(xiàn)自動化裝備多軸協(xié)同定位和軌跡的同步控制，當前多軸伺服控制系統(tǒng)多采用PC上位機和DSP、單片機控制芯片下位機模式，也可由PLC 增加運動控制模塊組成控制器。電機控制的實現(xiàn)方式其一是通過輸出模擬量轉速電壓，在控制器外環(huán)用PID 實現(xiàn)位置控制，多軸之間通過速度跟蹤同步，控制器運算量小，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，以位置插補實現(xiàn)高速定位，控制器輸入輸出濾波時間決定多軸同步精度，要求較高的控制器運算能力，控制簡單且精度較高。

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

1 三菱FX2N PLC 的通信功能與控制器結構

實驗設計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 價格低廉，各種模塊與網(wǎng)絡功能配套齊全，在我國應用較廣，在自動化控制領域具有一定代表性。FX 系列PLC 通信功能強大，具備通過CC－Link、串行通信、以太網(wǎng)、遠程I/O 等功能組網(wǎng)，其中串行通信功能構成的系統(tǒng)簡單，提供了N:N 網(wǎng)絡、無協(xié)議通信、計算機鏈接等形式，組網(wǎng)硬件成本遠低于其他網(wǎng)絡模塊。

FX2N 與FX 系列的其他PLC 一樣，可通過通信功能用擴展板或者模塊實現(xiàn)RS－232C、RS－422、RS－485 以及CC－Link 的擴展［1］。其中RS－232C 通信功能擴展板用于PLC 與PC 單獨鏈接通信，可支持無協(xié)議通信功能和計算機鏈接功能應用;PLC 標準內置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擴展板通信組網(wǎng)，可以構成最大8 臺PLC 組網(wǎng)的N:N 網(wǎng)絡功能，擴展板通訊距離可達50 米，PLC站點提供軟元件交換通訊數(shù)據(jù)，適應多軸伺服控制組網(wǎng)需要。8 臺組網(wǎng)PLC 可最大實現(xiàn)16 軸同步控制，若采用支持3 個獨立脈沖輸出的高端型號則可以擴展至24 軸。微型可編程控制器生產(chǎn)廠家眾多，性能可靠價格低廉，基于微型PLC 通信的多軸伺服控制器可以滿足絕大多數(shù)自動化應用需求。

圖1 5 軸伺服控制器系統(tǒng)結構

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

實驗設計的多軸同步控制器可完成5 軸伺服電機的協(xié)同，系統(tǒng)結構由三套FX2N PLC 與FX2N－485－BD 通信功能擴展板組網(wǎng)，主要接線如圖1 所示。N:N 網(wǎng)絡接線利用1 對屏蔽電纜連接各站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)絡可選擇模式2，由各站點提供64 點位軟元件和8 點字軟元件交換數(shù)據(jù)，如主站PLC占用64 點輔助繼電器M1000－M1063 與8 點數(shù)據(jù)寄存器D0－D7，每個掃描周期結束時，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)絡按從站順序依次寫入各從站同號元件中。各站若改寫屬于其他站點占用的軟元件無效，通訊開始后這些軟元件將被對應站點刷新。PLC 程序掃描增加N:N 網(wǎng)絡通訊需要鏈接時間，模式2 鏈接2 臺PLC 需要增加34 毫秒，鏈接8 臺需要131 毫秒，因此伺服控制器的指令傳遞到各站有時間差，這也是其他網(wǎng)絡化控制器的共同問題。所以設計5 軸伺服控制器需要另加軟硬件設計解決同步控制。

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 兩個輸出點，得到頻率最大為20KHz 的獨立脈沖輸出。兩個脈沖輸出是在PLC 掃描周期結束時同時開始，因此PLC 控制的內部兩軸伺服可以同步，控制核心在于實現(xiàn)PLC 之間的伺服同步。實驗表明，在主站啟動高速脈沖輸出指令后，指令每經(jīng)過一個掃描周期才能到達一個站點，因此各站點輸出開始時間有網(wǎng)絡延時，造成相鄰PLC同步輸出脈沖最大100 個的誤差。

為了同步各站的脈沖輸出時間，應當避免啟動控制指令通過網(wǎng)絡傳輸。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，使包括主站在內的各站通過輸入繼電器獲得控制指令，可以使各站點接收控制指令的時間誤差限制在PLC 濾波時間之內。據(jù)此設計在主站PLC 使用Y14控制手動脈沖輸出，Y15 控制相對定位脈沖輸出，Y16 控制絕對定位脈沖輸出，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。各站幾乎能同時接收到主站輸出的啟動指令信號，PLC 外部接線見圖1。

主站控制程序應實現(xiàn)對脈沖輸出指令的準備與啟動，如手動脈沖輸出應給定各軸頻率，相對定位輸出應向各軸數(shù)據(jù)寄存器寫入脈沖數(shù)與頻率;絕對定位輸出應計算位置脈沖數(shù)差值等。各類脈沖輸出由對應的輔助繼電器標志通斷啟停，再由主站PLC Y14－Y17 輸出統(tǒng)一啟動指令，各站輸入繼電器X14－X17 接收到啟動指令后將在同一時間開始脈沖輸出。以手動控制程序為例，主站手動控制程序如圖2 所示，從站程序僅需圖2 主站程序行號為11 處程序段接收控制指令。

圖2 主站PLC 手動控制正反轉程序

程序執(zhí)行時，觸摸屏按鈕控制啟動各站PLC的M102 手動正轉或M103 手動反轉，手動程序接通M0 手動輸出標志，主站當前掃描周期結束時Y14 輸出刷新。下一個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 的值輸出手動脈沖?？刂扑欧謩臃崔D，M103 反轉信號由Y2 輸出到伺服放大器執(zhí)行。經(jīng)控制實驗證明，任意時長手動脈沖輸出停止后，PLC 伺服電機最大輸出脈沖誤差為1 個脈沖，實現(xiàn)了各軸同步輸出。

3 多軸伺服同步控制應用解決方法

多軸伺服同步控制通過三菱FX2N PLC 組成N:N 網(wǎng)絡，由編程實現(xiàn)各軸脈沖加方向的同步輸出。自動控制過程及功能由編寫在主站與從站PLC的梯形圖程序實現(xiàn)，該控制方案優(yōu)點在于控制系統(tǒng)是全開放的，網(wǎng)絡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，甚至能通過計算機鏈接功能使用更高速的PC 機資源，且PLC 的高可靠性與控制器高性能結合，使多軸伺服同步控制器適應性更強。但控制功能的梯形圖實現(xiàn)較為復雜，5 軸伺服控制器控制程序實現(xiàn)時有一些應用問題，取其中有共性的應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志。但實際用于脈沖定位時，如果需要M8029作為定位結束后的狀態(tài)復位觸點，須注意觸點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，會在Y0端口脈沖輸出結束時接通一個掃描周期，而另一個M8029 的觸點只能在Y001 端口的脈沖結束時接通。因此若兩個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觸點的功能只等同于下方第二個觸點，僅僅對Y1有效。因此利用M8029 觸點實現(xiàn)定位狀態(tài)標志復位信號，需注意觸點在程序中的位置。

圖3 M8029 觸點位置功能

3.2 定位數(shù)據(jù)的傳送機制

三菱FX2N PLC 的N:N 網(wǎng)絡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，主站D0－D7共8 個16 位數(shù)據(jù)不夠實現(xiàn)一次性傳輸，因此利用共享的輔助繼電器與數(shù)據(jù)寄存器設計數(shù)據(jù)傳送機制很有必要。圖4 程序設計了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，其他站點程序與從1 站程序類似，僅是使用不同編號的軟元件。

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)存儲于主站D170、D180、D190 開始的3 個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M120 接通時，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)寫入完畢可傳送標志，同時鎖定禁止其他軸向共享數(shù)據(jù)區(qū)寫入。行號52開始的從1 站程序在M1010 標志觸點接通后，讀取D0－D5 共享區(qū)數(shù)據(jù)，其后輸出從1 站位元件M1064 代表讀取完畢的標志。主站程序收到3#數(shù)據(jù)接收反饋標志。就可復位自身M1010 傳送標志，恢復其他軸的傳送鎖定，準備下一次傳送數(shù)據(jù)。機制設計核心在于將主站共享數(shù)據(jù)區(qū)建立為可重復寫入的緩沖區(qū)，利用主從站標志位標示數(shù)據(jù)寫入讀取，從而能使大塊或多塊數(shù)據(jù)實現(xiàn)網(wǎng)絡傳送。

4 結論

利用微型三菱PLC 串行通信組成N:N 網(wǎng)絡的多軸伺服控制器，結構簡單可擴展性強并且開放性好，利用市場常見廠家微型PLC 均可輕易實現(xiàn)。設計采用主從站輸入輸出信號統(tǒng)一各站脈沖輸出，使各軸同步輸出誤差小于1 個脈沖，設計實現(xiàn)5 軸伺服控制功能，可拓展多軸自動化應用范圍。該控制器使用難點在于控制功能程序設計，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(通信篇)［S］. 三菱公司.

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

［3］杜勁松，高潔，楊旭. 多軸伺服控制器在自動化裝備中的應用［J］. 沈陽工業(yè)大學學報，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，2012.

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

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［7］郭波，鄒麗梅. 三菱可編程控制器PID 指令調速應用研究［J］. 宜春學院學報，2014，36(9):42－44.