基于PLC及变频技术的定位控制实现.pdf

检测与控制 2 0 1 3 年 第1 期 第2 6 卷， 总 第1 2 3 期 杌械 研究 与应用 基 于 P L C及 变频技术 的定位控 制实现 曾小松 ， 龚邦明 西南交通大学 机械 工程学院 ， 四川 成都6 1 0 0 3 1 摘要 从数控钢轨精磨机摇摆 系统的控制原理、 软硬件设计和通讯方式等方面， 阐述了应用 P L C 、 变频器以及旋转编 码器等组成的交流变频半闭环反馈系统 实现精确定位控制的方法， 进而解决了系统无极调速和旋转的精确 定位这一核心问题 ， 对其他定位系统设计有一定的借鉴意义。 关键词 钢轨精磨机 ； P L C； 变频调速 ； 定位控制 中图分类号 T H1 2 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 7 4 4 1 4 2 0 1 3 0 1 0 1 3 2 0 2 Re a l i z a t i o n o f po s i t i o ni n g c o n t r o l ba s e d o n PLC a nd f r e q ue nc y c o nv e r s i o n t e c hno l og y Ze n g Xi a o- s o n g，Go n g Ba n g -mi n g S c h o o l o fm e c h a n i c a l e n g i n e e r i n g ， S o u t h w e s t J i a o t o n g u n i v e r s i t y ， C h e n g d u S i c h u a n 6 1 0 0 3 1 ， C h i n a Ab s t r a c t T h e c o n t r o l l i n g p r i n c i p l e， h a r d w a r e a n d s o f t w a r e d e s i g n ，a n d c o mmu n i c a t i o n me t h o d s o f r a i l g r i n d i n g ma c h i n e CN C s wi n g s y s t e m are p r e s e n t e d i n t h i s r e p o ．T h e me t h o d t h a t u s i n g t h e P L C，fr e q u e n c y c o n v e ne r a n d t h e AC v a r i a b l e - f r e q u e n c y s e mi c l o s e d l o o p f e e d b a c k s p e e d r e g u l a t i o n s y s t e m c o mp o s e d b y r o t a r y e n c o d e r r e a l i z e t h e p r e c i s e p o s i t i o n i n g c o n t r o l i s d i s - c u s s e d，a n d t h e n t h e c o r e p r o b l e m o f s t e p l e s s s p e e d a n d r o t a t i o n a l p o s i t i o n i n g i n t h i s s y s t e m i s r e s o l v e d ，f r o m wh i c h t h e o t h e r p o s i t i o n i n g s y s t e m d e s i g n c a n g e t c e r t a i n r e f e r e n c e ． Ke y wo r d sr a i l g r i n d i n g ma c h i n e；P L C；f r e q u e n c y c o n v e r s i o n；p o s i t i o n i n g c o n t r o l 1 前言 单根标准长度 的钢轨焊接在一起以后 ， 由于焊接 瘤等的存在， 铁轨表面平直度是达不到要求的， 采用 数控钢轨精磨机进行仿形磨削是当前高精度、 规模化 加工的主要手段。 该精磨机主要 由横梁系统 和摇摆系统两部分组 成 ， 其中摇摆系统要求无级调速和旋转 的精确定位 ， 笔者应用 P L C、 变频器及旋转编码器组成的交流变频 半闭环反馈系统有效解决了这一问题。 2 数控钢轨精磨机摇摆系统简述 数控钢轨精磨机是磨削钢轨焊接瘤的专业设备， 它主要由横梁系统和摇摆系统两部分组成， 其工作原 理是通过横梁系统的升降以及摇摆系统的左右旋转 运动使安装在横梁上的砂轮沿钢轨的外轮廓对焊接 瘤进行仿形磨削。摇摆系统的旋转定位是通过齿轮 传动来完成的， 当磨头处于垂直状态时， 其位置为 0 位 ， 对应角度为 0 。 ， 设定 向前转动为负 ， 向后转 动为 正。由于前后对称关系 ， 表 1 仅列出正转时的位置及 对应角 。 表 1 磨头位置及对应角度 位置0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 1 1 1 2 1 3 1 4 1 5 1 6 角度0 3 6 9 1 2 2 0 ． 6 2 9 ． 6 3 7 ． 8 4 6 ． 4 5 5 6 3 ． 6 7 2 ． 2 8 1 8 4 8 7 8 8 ． 5 9 0 摇摆 系统 如 图 1所示 的机 械部分 由变频 电 机 、 转向器 、 旋转编码器 、 减速机 、 主轴和执行齿轮对 等组成， 其中变频电机选用的型号为 Y V F 2 9 0 L 一 4 一 J 6 1 1 0 0 5 ， 标称电流3 ． 7 A， 标称功率 1 ． 5 k W， 额定电压 3 8 0 V， 额定转矩 9 ． 5 N i n ； 旋转编码器安装在连接变 频电机输 出轴 的转 向器上 ， 是一种 A、 B两相增量型 编码器 ， 脉 冲量为 1 0 0 0 ； 减速机为 4级 1 ． 5 k W， 传动 比为 6 3的斜齿轮蜗轮蜗杆减速机 ； 执行齿轮对由大 小两对 圆柱齿轮构成 ， 传动 比为 8 ， 小齿轮带动大齿 轮转动 ， 进而使固定在大齿轮上的横梁系统旋转 ， 工 作转速为 3 r ／ ra i n 。 3 数控钢轨精磨机摇摆系统的控制 3 ． 1 控制策略 本系统采用半闭环控制策略， 如图2 所示。半闭 环控制系统不是将输出量反馈到输入端 ， 而是将控制 环节的中的某个过程量进行闭环控制 ， 起到稳定该过 收稿 日期 2 0 1 2 1 2 - 2 8 作者简介 曾小松 1 9 8 5 一 ， 男， 四川广汉人， 在读硕士， 研究方向 数控系统及装置。 1 3 2 机械 研究与应用 2 0 1 3 年 第1 期 第2 6 卷， 总 第1 2 3 期 检测与控制 程量的作用。由于调试维修方便， 稳定性好， 该系统 目前应用比较广泛 。 图 1 数控钢轨精磨机摇摆系统结构简图 图2 半闭环控制图 系统 中由于控制终端大齿轮转动停留位置较多 ， 如果采用闭环控制， 每个位置都安装传感器进行检测 反馈 比较复杂且成本较高 ； 如果采用开环控制 ， 则精 度不够。理论和实践表明， 在充分考虑机械传动误差 的情况下采用半闭环控制是适合本系统的。 3 ． 2 硬件设计 整个系统由 1台三菱 G T 1 0 5 0型触摸屏 ， 1台三 菱 F X 2 N系列小型可编程控制器， 1 个 F X 2 N 一 2 D A模 拟量模块， 1 台三菱 F R E 7 0 0系列变频器， 1 个旋转 脉冲编码器和3个光电接近开关等元件组成， 实现摇 摆过程 中基本逻辑动作 、 闭环控制 、 检测和人机通讯 四大功能 ， 系统结构框 图如图 3所示 。 图3 控制系统结构框图 三菱 G T 1 0 5 0型触摸屏为 5 ． 7英寸型 Q V G A 3 2 0 x 2 4 0点液晶显示屏 ， 触摸开关最大数量 5 0爪／ 画面， 内置 U S B、 R S 一 4 2 2 、 R S 一 2 3 2标 准接 I 1 J 。系统 中触 摸屏与 P L C以 R S 一 4 2 2协议建立通讯连接 ， 通过改变 P L C的数据存储器值或变量值， 来设定摇摆系统的目 标位置， 旋转速度以及启、 停等控制。 根据 I ／ O 点 数 ， 本 系 统选 用 F X 2 N一4 8 MR 型 P L C ， 一方面通过内置的高速计数器对旋转编码器 发出的脉冲进行计数来精确控制大齿轮转动角度； 另 一 方面与 F X 2 N - 2 D A模拟量模块之间使用 F R O M ／ T O指令进行传输， 可将数字量 0～ 4 0 0 0转化为 0～ 1 0 V的电压信号， 以此作为变频器模拟端频率给定信 号来控制电机转速 。 系统选用 的变频器 为三菱 F R E 7 0 0系列 中的 F R E 7 4 0 1 ． 5 K C H T ， 该变频器是一款经济型高性 能变频器 ， 拥有 1 ． 5 k W 输 出功率 ， 内置 Mo d b u s R T U 协议 ， 停止精度高， 加选件卡可以支持 C C L i n k 、 L O N WO R K S 、 D e v e i c e N e t 、 P r o fi b u s D P等通 讯 。 在系统 中变频器与 P L C以 R S 一 4 8 5协议建立通讯 连 接， 精确控制变频电机的启／ 停、 正／ 反转、 多种工作转 速等。 3 ． 3 软件设计 本系统控制软件设计 主要包括上 电初始化和 自 动摆动两个方面。三菱 F X 2 N内部包 含基本 逻辑 指 令 、 步进顺控指令和功能指令 ， 配合扩展模块的特殊 指令能灵活的进行编程， 且修改方便、 运行稳定， 并且 在使用设 维护工具 G X D e v e l o p e r 完成 编程后 ， 还 能利用其中的“ 梯形 图逻辑测试” 模块进行程序仿 真。程序流程 图如图4所示 。 图4中， 首先进行上电初始化。主要是使磨头处 于 0 位 ， 其流程是让大齿轮以一定速度正转 ， 当 0 位 安装的接近开关检测到的时候即停止， 而如果是 1 6 号位安装 的接近开关先检测到的时候也停止 ， 然后反 转直到 0 位 。在 自动摆 动过程 中， 根 据输入 的不 同 脉冲数大齿轮先 向正方向以工作速度 1从 0 位依次 转动到各个位置 ， 到达 1 6 位后再以工作速度 2反转 回0 位 ， 反方向工作方式 同理 。 一 I 模 式 判 断 I _ N ] ＼ Y ● l 输入依次到达1 1 6 位各自 所需脉冲数， l 工作速度1 、 2 的频率 ‘ 以 工 作 速 度 正 转 依 次 到 达 1 1 6 位 l I I 在 1 6 位上 以 工 作 速 度 2 反 转 至 呻位 I ● 以工作速度1 反转依次到达- 1 一 1 6 位 ‘ 在 一 1 6 位上 以 工 作 速 度 2 反 转至 0 位 I 图4自动状态下的程序流程图 下转第 1 3 7页 1 3 3 杌械研究与应用 2 0 1 3 年 第1 期 第2 6 卷， 总 第1 2 3 期 检测与控制 图5 软启动器工作主回路 图7 一、 二室空载启动电流图 分析说明 一室和二室的工作状 况一致 ， 机械结 构也相同， 因此启动电流一样。由于这 2 个工作室的 主轴经过动平衡， 壳体是铸件， 刚性很好。因此， 启动 过程非常平稳 ， 最大电流只有 6 0 0 A， 启动时间较短 。 3 0 s 已完成启动。运行状态良好， 达到了设计的预期 启动效果 。 三室空载启动和设备带负载运行的启动电流也 达到了设计要求 ， 在此不再赘述 。 上 接第 1 3 3页 4 结论 本文介绍了在数控钢轨精磨机摇摆系统中运用 P L C 、 变频器以及旋转编码器等组成的半闭环控制如 何实现准确定位的问题。实践表明， 本系统硬件设计 简单可靠、 运行灵活、 性价比高， 软件编程功能完善， 在工作过程中具有操作简单、 自动化程度高、 设备可 维护性好等特点。 1 O0 风机启动 风机运行 1 宣启动 1 室运行 2 奎启动 2 塞运行 3 室启 动 3 试运行 图6 软启动器工作控制、 指示回路 8 结语 选择启动方式的原则是既保护电机 、 延长电机使 用寿命， 又保护电网和机械设备， 同时降低设备维护 和管理工作量， 保证选择设备的可靠性。 经设备长时间运行 ， 证明本方案解决了设备 4个 1 1 0 k W 电机的启动 问题 ， 启动过 程平稳 ， 切换正 常， 可靠 ， 方案切实可行 。在试验过程中 ， 笔者还进行 了 设备的急停后重载启动工作， 也获得了成功。下一步 要在元器件选 型上进一步考虑 ， 在节 约成本上做 文 章 ， 推进系统产业化。 参考文献 [ 1 ] 祝战科． 对撞式超细粉磨分级系统电气控制装置的研制[ D ] ． 西 安 西安交通大学 ， 2 0 1 2 ． [ 2 ] 西安西普电力电子有限公司． 数字式交流电动机软起动器说明 书[ z ] ． 2 0 1 1 ． [ 3 ] 赵志 国． 基 于单 片机 的交 流异步 电机 软启 动器 节 能运 行研 究 [ J ] ． 民营科技 ， 2 0 1 0 5 5 5 ． [ 4 ] 杜江． 三相感应电动机软启动及节能运行技术的研究[ D] ． 天 津 河北 工1 大学 ， 2 0 0 7 ． 参考文献 [ 1 ] M M A 一 1 4 A L钢轨精磨机说明书[ Z ] ． 拉伊台克铁路技术 武汉 有限公 司． [ 2 ] 竺长安 ， 张屹． 控制理论与机械系统控制[ M] ． 北京 高等教育 出版社 ， 2 0 0 3 ． [ 3 ] 阮龙德． P L C 、 变频器、 触摸屏综合应用实训[ M] ． 北京 中国电 力 出版社 ， 2 0 0 9 ． [ 4 ] F X系列 P L C选型指南[ z ] ． 三菱公司． [ 5 ] F R E 7 0 o 系列变频器使用手册[ z ] ． 三菱公司． 1 3 7