基于PLC與工業(yè)機(jī)器人的電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)*

張景生，靳 宏，毛麗鳳

（廣東職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 佛山528041）

隨著中國制造2025計劃的不斷推進(jìn)，工業(yè)機(jī)器人已經(jīng)應(yīng)用于很多傳統(tǒng)的制造業(yè)中。工業(yè)機(jī)器人經(jīng)常與PLC一起構(gòu)成一個完整的自動化系統(tǒng)。本文將開發(fā)一種用于工業(yè)機(jī)器人控制的電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)，工業(yè)機(jī)器人作為控制器，通過DeviceNet現(xiàn)場總線與PLC進(jìn)行信號交互，PLC作為“中間站”將機(jī)器人的命令傳送給各個變頻器，從而實現(xiàn)機(jī)器人分別控制多臺電機(jī)轉(zhuǎn)速，滿足一些工業(yè)生產(chǎn)的應(yīng)用，如五金行業(yè)或鑄造行業(yè)的表面處理和打磨去毛刺的應(yīng)用等。

1 總體方案設(shè)計

控制系統(tǒng)設(shè)計的整體框圖如圖1所示，系統(tǒng)的主要構(gòu)成包括：歐姆龍CP1H系列PLC，2臺ABB IRB120工業(yè)機(jī)器人，DeviceNet通訊模塊和4臺匯川MD310系列變頻器等。PLC作為DeviceNet現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)的主站，機(jī)器人作為從站，通過DeviceNet現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)與PLC進(jìn)行信號和數(shù)據(jù)的交互，把電機(jī)調(diào)速的要求傳送到PLC中。DeviceNet基于Can總線協(xié)議的低成本、高效率、高可靠性的設(shè)備級總線，可以直接將現(xiàn)場設(shè)備與上層控制設(shè)備相連。同時，PLC利用RS485通信遠(yuǎn)程控制多個變頻器從站，變頻器通過改變電機(jī)工作電源頻率方式來控制交流電動機(jī)的無級調(diào)速。

圖1 系統(tǒng)硬件框圖

CP1H PLC內(nèi)置4軸定位功能，最多擴(kuò)展7個單元，程序容量20K步，CPU右側(cè)配置CJ單元適配器CP1WEXT01來連接CJ系列的DeviceNet模組CJ1W-DRM21，最多能連接63個DeviceNet節(jié)點設(shè)備。CPU搭載選項板CP1W-ClF11，作用是提供RS485的通信接口，來連接多臺變頻器。MD310系列變頻器是一款通用緊縮型多功能變頻器，采用開環(huán)矢量和V/F控制方式，以高性能的電流矢量控制技術(shù)可實現(xiàn)異步電機(jī)控制，自帶485通訊口。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.1 DeviceNet網(wǎng)絡(luò)組態(tài)

為實現(xiàn)DeviceNet網(wǎng)絡(luò)控制，機(jī)器人要使用DeviceNet總線，首先機(jī)器人需要預(yù)裝選項709-1 DeviceNet Master/Slave或840-4 DeviceNet Anybus Slave。709-1選項需要硬件支持對應(yīng)的板卡型號為DSQC 1006，該板卡支持機(jī)器人同時作為Master（主站）和Slave（從站）。打開示教器，選擇手動模式，進(jìn)入控制面板-配置-IO-Industrial Network-DeviceNet如圖2所示，分別編輯兩臺機(jī)器人通信地址13和23，通信速率為500kbps。再點擊DN_Internal_Device如圖3所示，編輯機(jī)器人通信的輸入輸出數(shù)據(jù)大小為20字節(jié)。

圖2 Industrial Network-DeviceNet

圖3 DN_Internal_Device

然后通過CJ1W-DRM21的撥碼開關(guān)，將PLC站號設(shè)為1，通信速率和機(jī)器人一樣。通過在軟件CX-Integrator安裝機(jī)器人的EDS文件，自動搜索DeviceNet從站后，分配每個從站的I/O映射為20個字節(jié)，如圖4所示，即PLC的3200-3209為13#機(jī)器人的輸入信號，3300-3309為13#機(jī)器人的輸出信號，3210-3219為23#機(jī)器人的輸入信號，3310-3319為23#機(jī)器人的輸出信號。

圖4 DeviceNet網(wǎng)絡(luò)組態(tài)

2.2 變頻器RS485通信

將變頻器的485+和485-的端子分別接到PLC選項板CP1W-ClF11的SDB+和SDA-。然后通過變頻器面板設(shè)置變頻器參數(shù)如表1：

表1 變頻器參數(shù)

2.3 PLC控制程序設(shè)計

首先對變頻器的通信格式說明，03：讀從機(jī)參數(shù)；06：寫從機(jī)參數(shù)；變頻器頻率通信設(shè)定地址為1000H，讀取運行頻率地址為1001H。命令字地址為2000H，對其寫入0001為正轉(zhuǎn)運行，0002為反轉(zhuǎn)運行，0005為停機(jī)。

PLC一側(cè)的通信，首先設(shè)置選項板CP1W-ClF11的通信參數(shù)如圖5所示。歐姆龍CP1H的Modbus-RTU用DM區(qū)固定分配，這里使用串口2進(jìn)行通信時，命令幀的地址范圍是D32300~D32349，從站地址放到D32300的低8位地址，功能碼放到D32301的低8位地址，通信數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)放到D32302，由后面的通信數(shù)據(jù)決定，通信數(shù)據(jù)放到D32303~D32349。CRC校驗碼不需計算，由PLC自動計算。響應(yīng)幀的地址范圍是D32350~D32399，D32350的低8位為從站地址，D32354~D32355為應(yīng)答內(nèi)容。

圖5 PLC的通信參數(shù)

每臺機(jī)器人都在DeviceNet網(wǎng)絡(luò)下創(chuàng)建2個組信號，占16位，分別控制2臺變頻器的頻率。例如13#機(jī)器人的GO0（33位-48位）表示1#變頻器頻率，由DeviceNet總線傳送到PLC的3302，PLC通過Modbus發(fā)送到1#變頻器。PLC讀取變頻器的運行頻率存放到D32354~D32355，當(dāng)前運行頻率為D32354低字節(jié)和D32355高字節(jié)的組合字。A640為串口2通信的狀態(tài)字，當(dāng)A640.0為1時，執(zhí)行一次通信讀或者寫。故PLC通過輪詢的方式實現(xiàn)對4臺變頻器的通信（見圖6）。

圖6 部分PLC程序

3 結(jié)束語

基于PLC與工業(yè)機(jī)器人的電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)，采用DeviceNet總線和Modus通信，構(gòu)建機(jī)器人-電機(jī)控制系統(tǒng)，設(shè)備接線簡單，性價比高，通用性強(qiáng)，可用于機(jī)器人打磨、拋光、去毛刺等應(yīng)用場合。整個網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備可以靈活組態(tài)，使得DeviceNet網(wǎng)絡(luò)中的任一機(jī)器人，都能快速對網(wǎng)絡(luò)中電機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程變頻調(diào)速控制。