PLC在機(jī)電一體化生產(chǎn)系統(tǒng)中的應(yīng)用

陳鴻杰

（廣州市工貿(mào)技師學(xué)院，廣東廣州，510000）

0 前言

在機(jī)電一體化控制系統(tǒng)中應(yīng)用PLC技術(shù)一方面能夠使生產(chǎn)系統(tǒng)的邏輯控制性能更加優(yōu)越，使系統(tǒng)控制更加便利；另一方面能夠使原有的控制方式發(fā)生轉(zhuǎn)變，使機(jī)電一體化控制水平得以明顯提升。基于此，下文將分別對(duì)基于PLC的機(jī)電一體化生產(chǎn)系統(tǒng)架構(gòu)、硬件組成、軟件設(shè)計(jì)等內(nèi)容展開詳細(xì)論述，期望通過(guò)PLC技術(shù)的運(yùn)用實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化生產(chǎn)系統(tǒng)自動(dòng)化控制效果。

1 基于PLC的機(jī)電一體化生產(chǎn)系統(tǒng)架構(gòu)

基于PLC的機(jī)電一體化生產(chǎn)系統(tǒng)的主要構(gòu)成包括工業(yè)攝像頭、傳感器、計(jì)算機(jī)、PLC以及電機(jī)驅(qū)動(dòng)器等組成構(gòu)件[1]。如圖1所示為基于PLC的機(jī)電一體化生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)架構(gòu)。

圖1 基于PLC的機(jī)電一體化生產(chǎn)系統(tǒng)架構(gòu)圖

圖2 所示為基于PLC機(jī)電一體化生產(chǎn)控制系統(tǒng)運(yùn)行流程：

圖2 基于PLC機(jī)電一體化生產(chǎn)控制系統(tǒng)運(yùn)行流程圖

針對(duì)上述機(jī)電一體化生產(chǎn)控制系統(tǒng)流程圖：(1)在通電后首先各個(gè)系統(tǒng)端口進(jìn)入初始化流程，將限位開關(guān)、傳感器等組成部件調(diào)整至電平狀態(tài)，對(duì)電磁閥門及脈沖寄存器的狀態(tài)予以調(diào)整。(2)對(duì)電機(jī)位置進(jìn)行檢測(cè)，若電機(jī)不在初始位置則根據(jù)所設(shè)定的原點(diǎn)位置進(jìn)行調(diào)整，電機(jī)在原點(diǎn)準(zhǔn)備就緒后，清零脈沖寄存器數(shù)據(jù)[3]。(3)位置傳感器對(duì)生產(chǎn)工件進(jìn)行檢測(cè)，一旦檢測(cè)到有生產(chǎn)工件經(jīng)過(guò)，促進(jìn)傳感器電平狀態(tài)發(fā)生變化，工業(yè)攝像頭獲取生產(chǎn)工件影像后，根據(jù)影像信息對(duì)相應(yīng)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。(4)若影像信息處理有效，則觸發(fā)打開電磁閥開關(guān)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)工件的抓取工作，并根據(jù)PLC所指令的坐標(biāo)信息，控制X、Y、Z三軸向著坐標(biāo)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)。(5)檢測(cè)到生產(chǎn)工件到達(dá)制定位置后，自動(dòng)斷開電磁閥開關(guān)，將工件放至制定位置，等待下一生產(chǎn)工件，循環(huán)操作直至任務(wù)完成[4]。

2 基于PLC的機(jī)電一體化生產(chǎn)系統(tǒng)硬件組成

基于PLC的機(jī)電一體化生產(chǎn)控制系統(tǒng)的核心控件為PLC。X、Y、Z軸三個(gè)坐標(biāo)方向的限位開關(guān)、啟停開關(guān)等作為輸入信號(hào)；系統(tǒng)內(nèi)部各項(xiàng)信號(hào)指示及X、Y、Z軸所對(duì)應(yīng)的電機(jī)控制信號(hào)為輸出信號(hào)。本文所述機(jī)電一體化生產(chǎn)控制系統(tǒng)以數(shù)字量作為輸入輸出信號(hào)，實(shí)現(xiàn)X、Y、Z軸方向的運(yùn)動(dòng)控制。借助于三路高速脈沖，遵循工程設(shè)計(jì)中I/O點(diǎn)數(shù)的30%為預(yù)留原則。設(shè)計(jì)過(guò)程中CPU選擇S7-200 Smart PLC ST30CPU，其作為標(biāo)準(zhǔn)的CPU模塊，內(nèi)部數(shù)字量輸入點(diǎn)、數(shù)字量輸出點(diǎn)分別有18個(gè)和12個(gè)，在脈沖輸出過(guò)程中其最大頻率能夠達(dá)到100kHz。

此時(shí)以每秒90mm的運(yùn)行速度進(jìn)行計(jì)算，電機(jī)在接收到4000個(gè)脈沖旋轉(zhuǎn)一周，使滑臺(tái)直行距離達(dá)到90mm時(shí)，需提供PWM4kHz的頻率?；谏衔拿}沖輸出過(guò)程中其最大頻率能夠達(dá)到100kHz，完全能夠滿足機(jī)電一體化生產(chǎn)控制需求[5]。如圖3所示為PLC與驅(qū)動(dòng)器連接示意圖，由圖可知，CPU模塊中Q0.0、Q0.1、Q0.3分別對(duì)應(yīng)連接X(jué)、Y、Z軸電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的脈沖接收端子；Q0.2、Q0.7、Q1.0分別對(duì)應(yīng)連接X(jué)、Y、Z軸電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的方向接受端子，可見(jiàn)通過(guò)該CPU模塊能夠?qū)崿F(xiàn)速度控制與位置控制。

圖3 PLC與驅(qū)動(dòng)器連接示意圖

電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和步進(jìn)電機(jī)共同構(gòu)成了系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)程序，即：將方向信號(hào)和脈沖信號(hào)傳遞至電機(jī)驅(qū)動(dòng)器后能夠?qū)⑾鄳?yīng)的信號(hào)轉(zhuǎn)變成位移信息及方向信息。在驅(qū)動(dòng)器接收到脈沖信號(hào)后，促使驅(qū)動(dòng)電機(jī)發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)?？梢?jiàn)，在了解需移動(dòng)位移后，將其轉(zhuǎn)變成相應(yīng)的脈沖數(shù)據(jù)，進(jìn)而轉(zhuǎn)變成X、Y、Z軸的位移數(shù)據(jù)，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)到達(dá)制定位置。在基于PLC的機(jī)電一體化生產(chǎn)控制系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)變脈沖占空比可帶動(dòng)電機(jī)角速度隨意發(fā)生變化；若轉(zhuǎn)變脈沖方向，能夠?qū)崿F(xiàn)控制電機(jī)的正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)。從理論數(shù)據(jù)角度分析，在電機(jī)接收到脈沖信號(hào)后，會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的步距角[6]。然而在實(shí)際運(yùn)用過(guò)程中，若脈沖信號(hào)以過(guò)快的頻率發(fā)生變化，可能電機(jī)會(huì)因?yàn)檗D(zhuǎn)動(dòng)慣量過(guò)大而出現(xiàn)發(fā)熱嚴(yán)重或丟位移現(xiàn)象。因此，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)加速時(shí)由快到過(guò)度，停止運(yùn)行減速時(shí)同樣由快到慢過(guò)度。為了實(shí)現(xiàn)基于PLC的機(jī)電一體化生產(chǎn)控制系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性及控制準(zhǔn)確性，在設(shè)計(jì)中以開環(huán)設(shè)計(jì)為主。

3 基于PLC的機(jī)電一體化生產(chǎn)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

■3.1 多軸聯(lián)動(dòng)理論

基于PLC的機(jī)電一體化生產(chǎn)控制系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)三臺(tái)電機(jī)聯(lián)合運(yùn)行，在運(yùn)行過(guò)程中Z軸水平方向運(yùn)動(dòng)而X軸和Y軸同時(shí)移動(dòng)。在規(guī)劃平面運(yùn)動(dòng)軌跡時(shí)，對(duì)坐標(biāo)的定點(diǎn)移動(dòng)實(shí)現(xiàn)圓弧插補(bǔ)和直線插補(bǔ)。在本文所述機(jī)電一體化生產(chǎn)系統(tǒng)中，主要設(shè)計(jì)工件的抓放，曲線運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)較少，主要考慮直線插補(bǔ)[7]。在眾多插補(bǔ)計(jì)算方法中，逐點(diǎn)比較法尤其誤差小、速度快等優(yōu)勢(shì)被廣泛應(yīng)用，同時(shí)由于在實(shí)現(xiàn)多軸聯(lián)動(dòng)時(shí)受到一定限制，也是其一些功能不能發(fā)揮出來(lái)。因此需對(duì)其工作原理予以改進(jìn)優(yōu)化。

逐點(diǎn)比較法在運(yùn)用過(guò)程中，電機(jī)每運(yùn)行一步需對(duì)比直線上的點(diǎn)，并根據(jù)對(duì)比結(jié)果對(duì)下一步移動(dòng)方向進(jìn)行調(diào)整。圖4為直線插補(bǔ)示意圖。在直線插補(bǔ)過(guò)程中，坐標(biāo)原點(diǎn)為起點(diǎn)，終點(diǎn)為E點(diǎn)，則X/Y=Xe/Ye，其中X、Y可為直線上任意坐標(biāo)點(diǎn)。

圖4 直線插補(bǔ)

■3.2 PLC程序設(shè)計(jì)

由于STEP7-Micro/WIN SMART編程方式靈活且豐富，即使針對(duì)復(fù)雜功能也能夠?qū)崿F(xiàn)快捷完成，因此以此開展PLC程序設(shè)計(jì)。通?？刂葡到y(tǒng)軟件包括：公共子程序、手動(dòng)操作程序和自動(dòng)運(yùn)行程序（如圖5），在設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行分別編寫，在調(diào)試和修改時(shí)也會(huì)較為便捷?；跈C(jī)電一體化生產(chǎn)控制系統(tǒng)流程，需對(duì)三自由度滑臺(tái)實(shí)現(xiàn)順序控制。

圖5 基于PLC的機(jī)電一體化生產(chǎn)系統(tǒng)軟件程序設(shè)計(jì)

在這一過(guò)程中手動(dòng)操作程序能夠用于調(diào)整各軸運(yùn)動(dòng)參數(shù)或位置參數(shù)或開展一系列維修工作，確保各單元功能模塊功能完全，對(duì)各個(gè)軸的運(yùn)行精準(zhǔn)性予以調(diào)試。同時(shí)手動(dòng)控制也被稱之為單步執(zhí)行，少了手動(dòng)控制會(huì)對(duì)調(diào)試工作帶來(lái)一定不便。自動(dòng)運(yùn)行程序能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)循環(huán)操作手動(dòng)程序，實(shí)現(xiàn)全速運(yùn)行。而公共子程序則有初始化、啟動(dòng)停止控制、原點(diǎn)歸零、速度控制、位置控制等多方面程序所共同組成的系統(tǒng)公用程序[8]。

系統(tǒng)初始化。在這一程序中，對(duì)X、Y、Z軸的初始位置、傳感器初始狀態(tài)、電磁閥初始狀態(tài)等進(jìn)行初始化設(shè)置。對(duì)運(yùn)動(dòng)軸進(jìn)行啟動(dòng)或初始化時(shí)，CPU會(huì)調(diào)整為自動(dòng)運(yùn)行模式。

啟動(dòng)停止控制。啟停控制程序主要在通電后控制系統(tǒng)的開啟和停止，實(shí)現(xiàn)互鎖或自鎖，保證系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)遇突發(fā)事件能夠及時(shí)停止運(yùn)行，提升安全性。

原點(diǎn)歸零。該程序由傳感器和限位開關(guān)共同實(shí)現(xiàn)，設(shè)定分為三個(gè)情況，其一，系統(tǒng)突然斷電停機(jī)又送電后，若直接啟動(dòng)存在碰撞風(fēng)險(xiǎn)，此時(shí)需原點(diǎn)歸零；其二，X、Y、Z軸電機(jī)均不在原點(diǎn)；其三，X、Y、Z軸電機(jī)有一個(gè)處于原點(diǎn)。針對(duì)第一種和第二種情況，需實(shí)現(xiàn)X軸和Y軸聯(lián)動(dòng)歸零；針對(duì)第三種情況使X軸或Y軸一個(gè)電機(jī)歸為原點(diǎn)即可。

位置控制。由圖6，將X軸、Y軸、Z軸運(yùn)動(dòng)軌跡在二維平面上班投影，分析X軸和Y軸運(yùn)動(dòng)路線。由A點(diǎn)到B點(diǎn)可走軌跡1，通過(guò)X軸和Y軸同時(shí)運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，或先X軸后Y軸、先Y軸后X軸進(jìn)行單軸運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，可見(jiàn)采取第一種方式的直線插補(bǔ)法的效率更高。

圖6 位置控制

速度控制?；赑LC的機(jī)電一體化生產(chǎn)控制系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中結(jié)合步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行特點(diǎn)，在啟動(dòng)時(shí)速度應(yīng)由低至高。在停止運(yùn)行時(shí)同樣需由高至低，有著緩慢的過(guò)度過(guò)程。若啟動(dòng)停止速度過(guò)大會(huì)對(duì)定點(diǎn)移動(dòng)的準(zhǔn)確性帶來(lái)影響。因此在機(jī)電一體化生產(chǎn)系統(tǒng)控制過(guò)程中，應(yīng)盡量縮短電機(jī)加或減速的過(guò)程，使其在大多數(shù)時(shí)間處于勻速運(yùn)行狀態(tài)。如圖7所示為控制系統(tǒng)加速控制示意圖，若機(jī)電一體化生產(chǎn)距離較短，可省掉中間的恒速過(guò)程，只進(jìn)行加速和減速，提升生產(chǎn)控制準(zhǔn)確性。

圖7 速度控制

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，隨著工業(yè)產(chǎn)業(yè)不斷發(fā)展，當(dāng)前人工生產(chǎn)線已難以契合現(xiàn)代制造的生產(chǎn)需求。因此，基于PLC的運(yùn)行控制優(yōu)勢(shì)，將其運(yùn)用于機(jī)械生產(chǎn)領(lǐng)域，強(qiáng)化機(jī)電一體化生產(chǎn)控制系統(tǒng)運(yùn)行效率的同時(shí)縮減人力成本，推進(jìn)工業(yè)制造、工業(yè)生產(chǎn)更好更快發(fā)展。