使用软PLC控制伺服定位功能的研究

高健

摘要：本文介绍了软PLC控制伺服定位功能在工程项目中的应用，软PLC通过EHERCAT工业总线与伺服系统通信，通过发送报文方式控制伺服系统，并针对松下伺服编制了特定的程序功能块和操作界面，改进了定位完成信号，使得软PLC控制伺服定位功能在工程项目中得以应用。

关键词：软PLC；EHERCAT工业总线；松下伺服；控制字；状态字

中图分类号：TM921.541 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2018）02-0020-03

1 软PLC简介

电控系统中使用的PLC分为硬PLC和软PLC两大类。硬PLC是指由硬件电路或者专用的ASIC芯片来实现PLC的控制功能。而软PLC（SoftPLC）是使用PC机或嵌入式控制器作为硬件支撑平台，利用软件实现硬PLC的基本功能，即将PLC的控制功能封装在软件内，运行于PC机或嵌入式控制器的中。随着当前计算机技术的快速发展，硬PLC的通用性及兼容性差等弊端愈来愈明显，很多复杂的逻辑或算法用简单的PLC编程语言难以实现，因而国际电工委员会于在IEC61131-3的标准中提到，充分利用工业控制计算机（IPC）或嵌入式控制器（EPC）的硬件资源，用软件来实现硬PLC的功能，这就是软PLC技术。软件PLC综合了计算机和PLC的开关量控制、模拟量控制、数学运算、数值处理、网络通信、PID调节等功能，通过一个多任务控制内核，提供强大的指令集、快速而準确的扫描周期、可靠的操作和可连接各种I/O系统及网络的开放式结构。

2 软PLC控制伺服定位功能在生产线中的应用

2.1 控制系统组成

某石英石深加工厂的智能生产线控制系统采用CODESYS软PLC作为控制器，将其安装于工控机内，采用ETHERCAT工业总线，控制远程IO站和伺服控制单元。典型的控制设备为切割机，本设备类似于三轴桁架，其中X轴为龙门结构，双伺服电机驱动；Y轴为单伺服电机驱动；Z轴为升降轴，单伺服电机驱动。伺服控制单元采用松下A5系列，具有ETHERCAT工业总线接口。松下A5系列伺服具有性价比高、快速响应、实时自动增益调整、高防护等级等优点。控制系统结构图如图1所示。

2.2 报文说明

在控制切割机某轴运动时需要进行位置控制，位置控制方式为PP（Profile position即规划位置控制方式），在进行位置控制前，首先要将伺服系统上电和操作使能，此时用到的报文为控制字（6040h）和状态字（6041h）。控制字（6040h）报文格式如表1所示：

各字母含义如：so：switch on（合闸）；ev：enable voltage（电压使能）；qs：quick stop（快停）；eo：enable operation（操作使能）；nsp：new set-point（新设定点下发）；csi：change set immediately（此功能不支持）；ab/r：absolute/relative（绝对定位/相对定位）；fr：fault reset（故障复位）；h：halt（暂停）；cosp：change-on set-point（此功能不支持）；r：reserved（保留）.

状态字（6041h）报文格式如表2所示：

各字母含义如：rtso：ready to switch on（合闸准备好）；so：switched on（已合闸）；

oe：operation enable（操作已使能）；f：fault（故障）；ve：voltage enabled（电压已使能）；qs：quick stop（快停）；sod：switch on disabled（合闸禁止）；w：warning（报警）；r：reserved（保留）；rm：remote（远程）；tr：target reached（目标到达）；ila：internal limit active（内部限位激活）；spack：set-point acknowledge（设定点确认）；fe：following error（跟踪故障）.

2.3 软PLC控制伺服程序流程

软PLC控制系统对控制字进行设定操作，引起状态字的变更，控制系统读取伺服驱动器状态并确认状态转换已经完成后，再次进行控制字的设定，通过这种方式控制伺服驱动器。图2为控制伺服上电、使能的控制流程图。具体操作顺序为：首先将伺服控制器上电，设定控制字6040h=0006h，伺服状态由switch on disabled转变为ready to switch on，状态字1（6041h）从xx40h转变为xx21h；然后设定控制字 6040h=0007h，伺服状态由ready to switch on转变为switched on，状态字1（6041h）从xx21h转变为xx23h；接着设定控制字6040h=000Fh，伺服状态由switched on转变为enable operation，状态字1（6041h）从xx23h转变为xx27h。此时伺服系统上电、操作使能完成，可以进行位置控制了。

PP模式位置控制时，将控制字1（6040h）bit6 （absolute/relative）置1，选择绝对定位方式；然后将控制字607Ah设置好要到达的目标位置；接着将控制字1（6040h）的bit4 （new set-point）置1，伺服控制器将接收新设定目标位置，伺服控制器接收后开始控制电机进行运动，并将状态字1（6041h）bit12（set-point acknowledge）置1，表示已经接收新的目标设定；此时需将将控制字1（6040h）bit4置0，随之状态字1（6041h）bit12自动变0；待伺服电机运动至目标设定位置后，状态字1（6041h）bit10（target reached）置1，代表绝对位置运动完成。除了上文中提到的控制字607Ah外，位置运动时还需要设置如下控制字，并反馈如下状态字表3所示：

2.4 控制程序功能块的开发

针对以上报文控制字、状态字的意义，依照松下伺服控制流程图，我们用codesys软件中的ST语言编制了伺服控制功能块servon，并为此功能块开发了操作单元界面，如图3所示。每套松下伺服都可通过一个功能块和与其对应的单元操作界面进行操作。

2.5 位置定位控制应用中实际问题的解决

如果伺服电机编码器为增量式编码器，在执行PP位置模式前需要进行寻零点（HOME）操作。在实际应用中，当执行PP模式定位操作时，设定目标值下发后伺服电机开始运动，在运动过程中触发伺服暂停时，伺服位置到达信号就会置1，而此时伺服电机并未运行到设定的目标位置。这种情况在我用过的几个伺服品牌中都存在，为了解决这个问题，我们不直接使用状态字1中bit10的target reached信号作为位置到达判断，而是判断设定位置值和实际位置值的差值是否在允许的误差范围内，再综合target reached信号来产生伺服位置定位完成信号。

3 结语

综上所述，我们使用软PLC编制伺服控制程序块和控制界面，可以控制松下伺服驱动器上电、操作使能，并执行PP位置模式位置定位，并且改进了定位完成信号，使其能满足实际生产要求。现可实现的控制方式包括三轴桁架，多轴插补等，且使用软PLC通过Ethercat总线驱动松下伺服控制器的经济性要比单独使用其他品牌PLC和伺服系统要有很大优势。