基于三菱FX2N—48MT型PLC的机电一体化控制系统设计

朱晓强

【摘 要】为了使中、高职院校学生更好地实现对机电一体化系统进行应用，本文充分结合历届中、高职院校机电一体化技能大赛试题，设计了以TVT-METS3型机电气一体化实训装置为平台，基于三菱FX2N-48MT型PLC为控制器，运用MM440变频器控制电机转速，多种类型传感器检测传感器信号为一体的机电一体化系统，该系统具有实现模拟工业自动化生产线货物的分拣过程的功能。

【关键词】机電一体化；PLC；变频器；技能大赛

引言：

当代国际经济的竞争，实质上是人才的竞争，我国机电一体化技术与国外发达国家存在差距，关键是教育和人才的落后，为了在中、高职院校培养机电一体化专业的人才，使其更好的适应用人单位生产的需要，适应人才竞争的要求，同时为了不断落实实践机电一体化教学，参加各类技能竞赛，本系统设计加强训练学生对机电设备的拆卸、安装、编程调试等技术能力，对设备故障的判断和分析能力，进而提高学生进入生产现场的工作能力。

1.系统设计

本系统以TVT-METS3型机电气一体化实训装置[1]为平台。以三菱FX2N-48MT型PLC为控制器，采用它的SFC编程方法进行编程，对MM440变频器设计参数进行控制三相同步电机的转速，在系统位置闭环控制中采用了直流电动机和旋转编码器相结合的形式，比较容易的实现了系统的控制功能，利用传感器站的各类传感器检测各种信号，与行走机械手搬运系统等设备，一起完成物料的检测、搬运、分类、加工、归类等功能，同时该系统加有由按钮开关、拨码开关、状态指示灯、报警指示灯等组成的控制与指示装置，使系统的整个运行过程更加直观。系统的整体设计框图如图1所示。

图1 系统的整体设计框图

2.硬件设计

2.1系统设备平台简介。TVT-METS3机电一体化实训装置集机电一体化的试验、实训为一体，该套装置中的大部分部件采用工业上常用传感器、变频器、控制器、执行器，并通过接口电路组成PLC网络，不同的模块、单元构成行走气动机械手机构、传送机构、料块供给机构、传感器检测机构、液压气动控制机构、装配机构等，用户可以通过不同的组合构成各种不同的运动控制系统，进行PLC运动控制技术的综合应用设计与实践。

2.2系统控制器简介。

系统采用三菱FX2N-48MT型可编程序控制器[2]作为核心控制器，该型号PLC具有可靠性高、抗干扰能力强、编程简单、使用方便和定位精度较高的特点，同时有低成本和高通用性等优点。在该型PLC的多种编程方法中，结合系统的控制要求采用SFC编程方法[3]，因为它具有规律性较强，程序以功能为主线，条理清晰，便于程序的分工设计和检查调试，而不用检查整个冗长的梯形图程序，程序的可读性好，在设备故障时能够很容易的查找出故障所处在的位置，非常直观、方便，不需要过多的考虑复杂互锁动作，更容易设计和维护系统。

2.3变频器参数的设定。

根据系统控制要求的需要，对MM440变频器的参数设定分为恢复出厂设置、快速调试、外部端子参数设定共三个部分，参数如表1所示：

表1 变频器参数设定

图3 变频器特性曲线

在变频器设定频率参数时，根据设备的实际情况选择合适的参数，应该避免与设备功率相冲突，因为在那种情况下运行，设备会产生较大振动，将对设备有所损坏。变频器采用恒功率调速，此时调速的平滑性较好，效率较高，机械特性的调速范围广，只需要控制电压随频率变化的规律，经过调整得出曲线为如图3所示。

2.4传感器的调整

本系统所用传感器类型主要分为原料区的类型检测传感器和光电传感器，在调试带式传送机时，首先对原料区的类型检测传感器进行调整，若检测原料区物料的3个类型传感器中存在没有检测到该物料的情况，可将对应的传感器灵敏度增大或将传感器的位置下调一定距离，反复进行测试，直到满足检测要求。光电传感器的调整为了提高系统的抗干扰能力，机械手限位开关应与轨道两端留有一定位置。

2.5气缸的压力调整

该系统在调节各气缸单向节流阀[4]时，要求各气缸活塞杆动作速度协调，无碰擦现象；每个气缸的磁性开关安装位置合理、信号准确；此外考虑设备的安全性将气缸的压力设定为合适的参数为必须的，根据实际情况对压力参数进行设定在0.4～0.6MPa之间。

3.软件设计

3.1 软件流程图

TVT-METS3整个系统采用三菱PLC的SFC编程方法，在PLC的控制下，系统的运动过程为：当物料由井式供料单元进入颜色传感器分拣单元之时，电动机旋转，通过同步齿形带使物料进入电容、电感、颜色传感器检测区域，使不同颜色、不同材质的物料分别分拣；当物料进入机械手取料区域时，行走机械手开始运动，通过步进电机或直流电机旋转使机械手到达放料区域，将不同颜色、不同材质的物料放入到平面仓库中，将待加工的物料放入加工、装配单元，实现物料的加工、装配，最后机械手又将加工装配好的成品放入相应的平面仓库库位中。根据控制任务的要求，编程实现控制任务，实现如图4所示的流程控制。

图4系统软件流程图

图5 SFC的控制过程

3.2 原料区

对于原料区工作时，为了防止系统突然断电，导致物料堆积在传送带，所以在每次系统上电时都将传送带反转10S后，使堆积的物料推出传送带，再进行系统正常供料。原料区的供应过程为在物料被推出到达位置1后，物料将从位置1出发开始依次经过电感、电容、颜色传感器以及光电传感器的综合检测，到达位置2，在检测过程中，先将检测到的信号锁存，在所有传感器检测完毕，将检测到的传感器信号综合，进行物料分析、确定物料类型，并将分析结果存放，以便机械手进行读取，执行下一步操作。

3.3 机械手

机械手在整个控制系统中是一个核心的运动被控部件，机械手的控制核心为三菱FX2N - 48MT型PLC，它的运动穿插在各个控制段，支撑着整个控制系统的运行，机械手的下降、上升、夹紧、松开的动作是根据机械手的当前状态和下一步目的地进行比较来确定的，而且动作是按时序流程进行控制。若当有物料需要加工时，机械手初始位置位于原点处，同时原料区物料已到位置2，此时机械手的动作为機械手夹取物料，然后以一定速度将物料进行搬运到1#或2#加工区，在加工区，机械手将分别执行下降、松开放物料，待加工完毕机械手再一次夹紧物料、上升等一系列动作，最后将其搬运到成品区，以备操作人员取物。

3.4 系统停止、报警与显示功能模块

当按下停止按钮SB3或成品区计数值等于9时M30=1，直到机械手回到原点后M31=1，使系统停机；在原料区出现缺料时，系统不是立刻报警，而是延时一段时间进行检测，如果确定为缺料信号时，发出报警信号，指示灯闪烁，这样就防止原料区气缸动作引起的光电传感器SQ6误动作造成的缺料报警；对成品区的物料数量进行计数，当成品区计数值等于8时M30=1，数码管显示8，系统立即发出报警指示灯信号，提醒工作人员将成品取走。

4.总体调试

该机电一体化控制系统的整体调试流程如图5所示，具体调试步骤如下：

1）首先对设备进行上电初始化[5]。

2）设备在初始状态时，按下启动按钮，整个控制系统开始工作，带式传送机运行10S，将传送带上堆积的物料推到物料箱中，待井式供料塔的光电传感器检测到工件后，由推料气缸将工件推出到带式传送机位置1，推料气缸复位后，带式传送机将工件送达带式传送机位置2，工件到达位置2后，由机械手取走，原料区推料气缸继续推料。当物料为2#或3#物料时，机械手将根据夹取的具体物料送往1#工作台或2#工作台分别工作。当井式供料塔缺料时，缺料报警灯以10Hz闪烁。

3）当机械手将物料放在成品区时，光电传感器对物料进行检测，并用数码管显示物料的数量，当达到数值8时，满仓报警指示提示工作人员将成品区的物品搬运走，当显示数等于9时，机械手回到原点位置后停止运行，同时满仓报警灯闪烁，提示工作人员将成品区的物品搬运走。

4）系统停止：当按下停止按钮后，机械手开始向返回系统控制原点方向运行，当机械手回归到系统原点后停止运行，等待控制任务的分配继而再继续工作。

5）系统急停：当按下急停按钮后，所有运动部件将暂停运行，并且系统急停指示灯以10Hz频率闪烁，直到急停按钮复位后，系统将从当前位置开始继续运行，执行下一步操作。

5.设计总结

结合历届中、高职院校技能大赛试题，对机电一体化竞赛资料进行收集、分类、分析、汇总，并根据机电一体化竞赛的标准，设计了基于三菱FX2N-48MT型PLC的TVT-METS3机电一体化设备控制系统，核心侧重点在于系统功能分解及实现，以及三菱PLC的FSC编程方法，同时在系统设计时兼顾了大赛对于安装、接线工艺以及绘图的要求，让学生很好的对机电一体化设备进行控制，为以后的社会发展做出贡献。

参考文献：

[1] 李颖卓.机电一体化系统设计[M].北京：化学工业出版社，2010.

[2] 李全利.PLC运动控制技术应用设计与实践（三菱）[M].北京：机械工业出版社，2010.1.

[2] 常斗南.可编程控制器原理◎应用◎实验[M].北京：机械工业出版社，1998.7.

[3] 杜从商.PLC编程应用基础（三菱）[M].北京：机械工业出版社，2009.9.

[4] 肖明耀.三菱FX系列PLC应用技能实训[M].中国电力出版社，2010.

[5] 周曲珠. 图解液压与气动技术[M].中国电力出版社，2010.4.