基于PLC的运动控制系统设计

2017-09-15

福建质量管理 2017年11期

(东北林业大学黑龙江哈尔滨 150000)

基于PLC的运动控制系统设计

秦争营

(东北林业大学黑龙江哈尔滨150000)

本文在研究运动控制系统相关理论的同时，将PLC应用于自动配料系统中配料小车的控制系统设计中。设计的PLC运动控制系统是由系统硬件设计和系统软件设计两部分组成。其中，硬件设计主要是硬件的选型设计，软件设计包括主程序以及其他辅助控制程序设计，最终实现对步进电动机转角、转速、及转向控制。

PLC；运动控制系统；步进电动机

1873年法国科学家J.J Farcot在其出版的“Le Ser——Motor on Moteur Asservi”著作中介绍了伺服系统，然后经过智能化和自动化技术的发展，最终伺服系统发展为目前的运动控制系统[1]。在早期的运动控制系统可以作为一个单独的控制器，但是这种控制器智能单一的行业，不能跨行业应用，而PLC在运动控制系统中的应用，完全解决了上述问题，为运动控制系统在各领域的广泛应用提供了技术支持。

一、运动控制的基本概念

运动控制(MC)是自动化的一个分支，是通过电压、电流、频率等输入点亮的控制，实现对设备运动准确控制。运动控制系统可以有效地完成设备运动部件定位、速度以及运动轨迹进行实时控制[2]。它使用统称为伺服机构的一些设备，先行执行机或者是电机来控制机器和速度。

运动控制技术是在以数字信号处理器DSP为代表的高性能高速微处理器及大规模可编程逻辑器件FPGA的基础上发展而来的，他是广义上的数控装置[3]。

二、运动控制系统的组成及分类

(一)运动控制系统的组成

(1)一个运动控制器用以生成轨迹点(期望输出)和闭合位置的反馈环。许多控制器也可以在内部闭合一个速度环。

(2)一个驱动器或放大器用来将运动控制器的控制信号(通常是速度或扭矩信号)转换为更高功率的電流或电压信号。更为先进的智能化驱动可以自身闭合位置环和速度环，以获得更精确的控制。

(3)一个执行器如液压泵、气缸、线性执行机构或电机用以输出运动。

(4)一个反馈传感器如光电编码器、旋转变压器或霍尔效应设备等用以反馈执行器的位置到位置控制器，以实现和位置控制环的闭合。

(5)众多机械部件用以将执行器的运动形式转换为期望的运动形式，它包括齿轮箱、轴、滚珠丝杠、齿形带、联轴器以及线性和旋转轴承。

(二)运动控制系统功能的分类

(1)点位运动控制。这种运动控制的特点是仅对终点位置有要求，与运动的中间过程即运动轨迹无关。相应的运动控制器要求具有快速的定位速度，在运动的加速段和减速段，采用不同的加减速控制策略。

(2)连续轨迹运动控制。又称为轮廓控制，主要应用在传统的数控系统、切割系统的运动轮廓控制。相应的运动控制器要解决的问题是如何使系统再告诉运动的情况下，既要保证系统加工的轮廓精度，还要保证刀具沿轮廓运动时的切向速度的恒定。

三、基于PLC在控制系统的设计

本文将研究自动配料系统中配料小车的控制系统设计，其中配料小车的运动控制系统原理如图1所示。随着科学技术不断的发展，工业制造的智能化水平也不断地提高，这使PLC在运动控制系统的应用越来越广泛。

图1 配料小车的运动控制系统原理

由图可知，配料小车的运动控制系统主要包括人机交换界面、PLC、定位模块、步进电机驱动器和步进电机这五部分。在此系统中，技术人员通过人机交换界面进行操作，然后PLC将会接收相关的操作指令，PLC的CPU经过处理分析后将会对定位模块发送操作指令，定位模块接收到操作指令后，产生相关的驱动信号，这驱动信号将会控制步进电机的运动，达到控制配料小车的位置、速度等参数。随着科学技术不断的发展，工业制造的智能化水平也不断地提高，这使PLC在运动控制系统的应用越来越广泛。

(一)硬件选型。本文设计的配料小车的运动控制系统的PLC型号为为西门子S7-300，同时定位模块型号为FM353。S7-300系列PLC不仅拥有配置灵活、扩展功能强的优点，而且具有通信联网能力强和编程方法灵活等优点，能够根据客户的需求进行模块组合，有效地满足不同行业对控制系统的需求。随着科学技术不断的发展，工业制造的智能化水平也不断地提高，这使PLC在运动控制系统的应用越来越广泛。

FM353可以输出最高可达200K的脉冲，能够实现对步进电机的速度进行精确控制。此外，FM353定位模块还具有4DI/4DO编程功能，可以通过编程实现对运动部件精准的定位，同时能够将复杂的运动模式简单化，提高设备的响应速度以及控制准确度。FM353定位模块可以将PLC输送的弱电信号转换为强电信号，从而控制步进电机驱动器的运动。随着科学技术不断的发展，工业制造的智能化水平也不断地提高，这使PLC在运动控制系统的应用越来越广泛。

(二)软件设计

本文设计的配料小车运动控制系统主要包括主程序设计、步进电机位移纠偏措施以及中断程序。

(1)主程序设计。本文设计的主程序为：由于定位模块在运动控制系统运行前对运动部件的停止位置是不知的，因此，在系统运行前，定位模块需要控制步进电机使设备回归到初始位置(也即系统的零点位置)。当运动部件回到初始位置后，FM353定位模块的定位装置将会与设备完成同步工作。于是运动控制将会开启自动工作模式，可以自动的完成客户指定的定位任务，当指定任务完成后将会结束自动模式。

(2)步进电机位移纠偏措施。为了解决开环控制的步进电机存在脉冲丢步的问题，在小车完成一个装料循环，退回卸料点后，步进电机重新确认原点。步进电机的齿轮间隙误差一般较小，可在编程时通过脉冲预置的方法消除误差。随着科学技术不断的发展，工业制造的智能化水平也不断地提高，这使PLC在运动控制系统的应用越来越广泛。

(3)中断程序。FM353提供中断输人功能，控制系统设有急停、暂停、步进电机前后限位等信号作为外部中断输入，当PLC检测到这些信号时，可根据故障等级执行紧急停机、安全停机和正常停机，及时处理故障，确保设备和人身的安全。除PLC的CPU故障外，对于一般故障，系统应能保留故障前的数据状态，可以重新投入自动运行，对于严重故障，应能通过设计的手动和点动控制功能手动处理故障后的工序。