基于PLC网络控制技术的珩磨机运动控制.pdf

e ．M a n u fa c lu 『Ini g 制造业信息他 基于 P L C网络控制技术的珩磨机运动控制 唐 中燕 华北电力大学， 河北 保定 0 7 1 0 0 3 摘要 根据珩磨机床加工工艺原理和控制要求 ， 构建 了基于 R S - 4 8 5的主从式控制网络。通过该 网络主站 P L C对各从站伺服驱动器、 变频器等 的运行实施监控。介绍了伺服驱动器及变频器的通信协议， 给 出了 P L C与伺服驱动器、 变频器 间的通信方法。 关键词 P L C网络通信珩磨机床 中图分类号 T P 2 3 文献标识码 A Mo t i o n c o n t r o l o f h o n i n g ma c h i n e b a s e d o n n e t wo r k c o n t r o l t e c h n o l o g y o f PL C TANG Zh o n g y a n N o r t h C h i n a E l e c t ri c P o w e r U n i v e r s i t y ， B a o d i n g 0 7 1 0 0 3 ，C H N Abs t r a c t Ac c o r di n g t o t h e p r o c e s s p rin c i p l e a n d c o n t r o l r e q u i r e me n t s f o r h o n i n g ma c hi n e，a c o n t r o l ne t wo r k wa s f o r m e d b a s e d o n R S - 4 8 5 m a s t e r - s l a v e s t r u c t u r e ．B y u s i n g t h e c o n t r o l n e t w o r k ，P L C m a s t e r c o u l d mo n i t o r a n d c o n t r o l s e r v o d ri v e r a n d t r a n s d u c e r s l a v e ．T h i s p a p e r i n t r o d u c e s t h e c o m m u n i c a t i o n p r o t o c o l s b e t we e n s e r v o d riv e r a n d t r a n s d u c e r ．A d e s c r i p t i o n o f t h e s e r i a l c o mmu n i c a t i o n be t we e n PL C a n d s e r v o d r i v e r a n d t r a ns d uc e r we r e p r e s e n t e d． Ke ywo r ds PLC；Ne t wo r k Co mmun i c a t i o n；Ho n i n g Ma c h i n e 珩磨机是一种利用珩磨头珩磨工件精加工表面的 磨床 ， 主要用在汽车、 拖拉机 、 液压件 、 轴承、 航空等制 造业 中珩磨工件的孔 。珩磨加工要求珩磨机床控制系 统实现对珩磨头径向进 给运动 、 旋转运动 以及轴 向往 复运动的控制 ， 且在加工时需要有精确 的位置定位精 度。对于这种要求精确定位的位置控制系统， 应采用 交流伺服电动机和伺服驱动器的伺服系统控制 。 为了便于实时准确获取 电动机状态信息 ， 在线修 改电动机参数设置 ， 直接 、 简捷地控制 电动机运行 ， 主 控制器可通过控制网络对驱动器实施 网络控制 。驱动 器的网络控制是指利用通信 的手段 ， 实现驱动器与外 设的数据交换、 驱动器调试监控 以及运行过程控制的 功能。这里介绍一种将 P L C技术应用于 高精度珩磨 机床 的控制系统。即 P L C作为主控制器 ， 通过串行通 信与控制网络控制伺服驱动器及变频器等的运行， 实 现珩磨机位置伺服控制功能 。 1控制系统构成 珩磨机进给运动由伺服驱动器带动伺服电动机完 成 ， 主运动由变频器带动三相 电动机完成 。控制系统 要求具备手动和 自动功能。手动用 于工艺参数的设 置 ， 如分段位置值和速度值 。 自动用于完成循环加工 过程。实际中要求珩磨头能够做上下往复运动 ， 且完 成一定次数的短冲。 根据珩 磨机加 工原理 和控制 要求 ， 控制 系统 由 P L C、 伺服驱 动器 、 变频器及触摸屏等组成 。 系统构成 其评价方法研究 [ J ] ． 计算机应用研 究 ， 2 0 0 9 ， 2 6 3 9 8 0 9 8 3 ． [ 2 ] 李 晓雷 ， 许建新 ， 黄 利江． 基 于动 态制造 资源信 息 的工艺 决策 研究 [ J ] ． 中国制造业信息化 ， 2 0 0 8 ， 3 7 5 l 4 1 7 ． [ 3] L I U C h e n g y i n g ， WA N G Xia n k u i ， HE Y u c h e n ． R e s e a r c h o n m a n u f a c t u r - i n g r e s o u r c e m o d e l i n g b a s e d o n t h e 0 0 me t h o d 『 J 1 ． J o u rna l o f M a t e r i a l s P r o c e s s i n g T e c h n o l o g y ， 2 0 0 3， 1 3 9 4 0 -4 3． [ 4] D E N K E N A B ．K n o w l e d g e ma n a g e me n t i n p r o c e s s p l a n n i n g[ J ] ． C I R P A n n a l s Ma n u f a c t u r i n g T e c h n o l o g y ， 2 0 0 7， 5 6 1 1 7 5 1 8 0 ． [ 5 ] 俞烽 ， 廖文和， 郭宇． 面向动态制造资源的工艺设计[ J ] ． 组合机床与 自动化加工技术 ， 2 0 0 8 2 6 6 6 9 ． 第一作者 舒海生， 男， 1 9 7 6年生， 副教授 ， 硕士生 导师， 研究方向为 c A D ／ c A P P ／ c A M一体化， 已发表论 文 l 2篇 。 编辑周富荣 收修改稿 日期 2 0 1 1 0 5 1 2 3 2 _ _ 一 一 _ 一 一 _ _ 一 _ _ _ _ - ⋯ 一 制造业信息他 e ．M a n u fa c lu 『ln gi 如图 1所示。采用 R S 一 4 8 5总线构成控制 网络 ， 以主 从式结构 ， 主站 P L C 对各从站 伺服驱动器 、 变频器 等 进行运行控制， 即 P L C通过 R S 一 4 8 5总线与伺服驱 动器 、 变频器通信 ， 完成对它们控制命令字写入和实时 运行状态字读取功能。伺服驱动器主要完成 电动机多 段速度给定 ， 即通过编码器接 口检测 电动机运行 的实 际位置， 对应不同的位置分段写入相应的加工速度命 令 ， 利用其基本定位功能进行位置控制。同时伺服驱 动器读取电动机实时运行信息 运行 状态字、 电动机 位置 、 实际速度 、 实际转矩 并上传给 P L C 。变频器用 于 控制主轴电动机正反转 、 点 动速度和连续速度给定 ， 同 时将主轴运行状态信息 实 际速度 、 实际转矩 、 电动机温 度 上传给 P L C。 率 至 匝 苔 P L C采用三菱 Q系列 P L C Q 0 2 HC P U模块 、 Q 6 1 P 电源 、 Q J 7 1 C 2 4 N串行通信模块及 Q 3 8 B基板。伺服驱 动器采用三菱 网络控制型交流伺服驱 动器 MR J 3 。 变频 器采 用三菱 F R E 7 4 0一 C H T 。C 2 4 N为 Q 系列 P L C的专用 串行通信模 块 ， 支持 R S 一 2 3 2 C、 R S 一 4 2 2 、 R S 一 4 8 5三种串行通信接 口传输标准。本系统采用 R S 一 4 8 5接 口方式 的一对多连接。变频器侧 的 R S 一 4 8 5 接口 使用 P U口。伺服驱动器的通信接口为 C N 3 。 通信前 C 2 4 N模块 、 伺服驱动器通信接 口、 变频器 通信接口需分别进行通信参数的设置。 M R J 3 通信接口规范 R S 一 4 8 5 ； 通信协议与方式 A S C I I 字符传输协议 ， 异 步／ 半双工通信 ； 数据 帧格 式 与长度 1 1位 ， 起始位 1 ／ 数据位 8 ／ 奇偶校验位 1 ／ 停止 位 1 。MR J 3通信接 口其他通信参数设置如下 P C 2 0 从站地址 ， 设为 0 。 P C 2 1 ． 1 通信速率 ， 设为 4 ， 3 8 4 0 0 b i t ／ s 。 P C 2 1 ． 3 通信延时 ， 设为 0 ， 无延时。 E 7 4 0的 P U口通信参数设置如下 P r 7 9 从站地址 ， 设为 1 。 P r l 1 8 通信速率 ， 设为 3 8 4 ， 3 8 4 0 0 b i t ／ s 。 P r l 1 9 停止位长， 设为 1 1 ， 数据8 位， 停止位 1 位。 P r l 2 0 校验 ， 设为 1 ， 奇校验。 P r l 1 8 通信速率， 设为3 8 4 ， 3 8 4 0 0 b it ／ s 。 P r 1 2 3 通信延时， 设为 0 ， 无延时。 P r 1 2 4 有无 C R、 L F ， 设为 2 ， 有 C R、 L F 。 P r 5 4 9 通信协议选择 ， 设为 0， 专用通信协议 。 2 P LC与伺服驱动器及变频器 的通信 在该控制系统中， P L C与伺服驱动器及变频器 间 的通信是实施网络控制的关键 。下面介绍通信的具体 实现。 2 ． 1 P LC与伺服驱动器的通信 在数据通信或网络控制时， M R J 3只能以从站的 形式接人系统， 因此 ， MR J 3只能接收主站的控制命 令 ， 并根据命令要求进行相关操作 。MR J 3与 P L C的 通信过程如下 P L C执行通信程序， 向驱动器发送控制命令。 ②驱动器根据控制命令要求 ， 进行数据读 出或写 入操作 通信处理 ， 完成后向P L C返回执行结果数据 如返 回读出的参数值或命令执行时的错误信息等 。 ③P L c执行通信程序， 从驱动器接收执行结果数 据 ， 并根据执行结果数据 ， 进行相关处理 数据处理 。 格式A SoH 从站地址 指令代码 S TX 数据号 ET X 和校验 格 式B SoH 从站地址 指令代码 S TX 数据 号 指令数据 O 一 1 6 帧 E TX 和校验 a 数据读出 b 数据写入与运行控制 图2 MR J 3 通信协议下的控制命令格式 P L C通过其串行通信模 块 C 2 4 N与 MR J 3系列 伺 服驱动器通信时应采用 MR J 3的专用协议 。该协议下 的控制命令格式与执行结果 数据格式如图 2 3 。 P L C执行通信 程序 ， 发 送格式 A、 格式 B形式 的控 制命令 ， 接收格式 C、 格式 D 形式的执行结果数据， 即可 实现与驱动器的通信 。其 中 指令代码规定了驱动器要进 行的操作 ； 数据号 用于指定 参数号、 运行参数等； 指令数 格式D a 数据读出 b 数据 写入与 运行控制 图3 MR J 3 通信协议下的执 行结果数据格式 据为 1 ～1 6帧 ， 用于数据写入与运行控制命令 ， 以发送 釜 耋 j c⋯ 平 弟 0 删 婴 螂 帧 2 3 4 5 67 8一 n H 坞 帧l 2 34 5 6 7 8 9 帧1 2 3 4 5 6 参数值等； 读 出数据为驱动器 内部工作状态数据或参 数值； 出错代码为命令执行时的错误信息。 鉴于 P L C通信程序的编写与调试非常繁复， 三菱 电动机提供 了用于配置 C 2 4系列模块 的各种参数 和 进行可视化编程的软件包 C X C c o n fi g u r a t o r S C。所 以 进行参数设置及通信程序编制都是通过该软件的。编 写 P L C通信程序前 ， 需先制作发送功能块与接收功能 块。通过 C X C o n fi g u r a t o r S C软件包 中的 F B S u p p o 功能完成 P L C功能块的制作。发送 功能块与接收功 能块的制作具体有 3步 ①控制命令格式与执行结果数据格式 的制作。 按照驱动器通信协议规定 的格式 A、 格式 B制作 发送数据帧格式； 按照驱动器通信协议规定的格式 c 、 格式 D制作接收数据帧格式。 ②控制命令 内容与执行结果数据 内容的制作。 按照格式 A、 格式 B填入相应 的发送 内容 数据 或形参 ； 按 照格式 C、 格式 D填 入相应 的接收 内容 数据或形参 。 ③发送与接收功能块的制作。 制作的功能块用于完成数据发送与接收。 根据珩磨机运动控制特点和工艺参数要求 ， 发送 数据主要用于实现电动机多段速度命令 给定 ， 接收数 据主要用于电动机实际运行状态的读取 。 最后分别对各功能块编译后就可以用其编制 P L C 通信程序了。 2 ． 2 P L C与变频器的通信 三菱 F R系列变频器在 使用本机 自带 的串 口时可使 用两种通信协议 三菱变 频 器 专 用 协 议 和 Mo d b u s协 议。三菱变频器专用协议的 帧格式是完全公 开 的， 本 设 计使用专用协议。由于在网 络中 F R也是 作 为从站 ， 所 以 F R也只能接收主站的控 制命令 ， 并根据命 令要求进 行相关 操作。F R与 P L C的 通信过程 和 MR J 3与 P L C 的通信过程相 同， 但其通 信 协议下的控制命令格式与执 行结果数据格式与 M R J 3 的不同， 其控制命令格式与 帧 1 帧格 式A 2 a 数据读出 b 数据写入与 运行控制 图4 F R 通信协议下的控制 命令格式 e ．M a n u fa c lu 『lni g 制造业信息他 执行结果数据格式如图 4～ 5所示 。 按照变频器的通信协议 编写 P L C通信程序 ， 实现 P L C与变频器的通信 。如前所述 ， 该通信程序 的编写 也是利用软件包 C X C c o n fi g u r a t o r S C中的 F B S u p p o 功能 ， 先制作 发送功能块 与接收功能块 ， 再 编写 P L C 通信程序 。 格式c 格式D 格式E a 数据读出 b 数据写入与运行控制 c 读／ 写有错 图5 F R 通信协议下的执行结果数据格式 3 结语 本文构建了基于 R S 一 4 8 5的主从式控制网络。利 用该 网络中主站 P L C可靠性 高、 抗干扰能力强 、 易 于 编程 、 能够实现网络控制等特点 ， 通过控制网络完成对 各伺服驱动器 、 变频器等的运行控制 ， 简捷地实现了珩 磨机的位置伺服控制。 该控制系统实施的控 制方法简单方便 ， 控制功能 更加完善 ， 同时利用触摸屏可以随时了解和控制加工 过程与工艺参数 ， 对各种故障的及时记录并报警 ， 从而 完全实现了珩磨机加工过程的远程监控 。 参考文献 [ 1 ] 龚仲华． 交流伺服驱动器从原理到完全应用[ M] ． 北京 人民邮电出 版社 ， 2 0 1 0 ． [ 2 ] 王辉． 三菱电动机通信网络应用指南[ M] ． 北京 机械工业出版社， 2 01 0． 作者 唐中燕， 女， 1 9 6 0年生， 副教授， 从事机电系 统微机控制理论及技术的教学和研 究工作。 编辑孙德茂 收稿 日期 2 0 1 1 0 6 1 4 文 章 编 号_ 1 2 o 3 3 3 j j t 一 ■ 1-- _ t f ⋯ ￡ 一 ⋯ ⋯一h- ～一． ● 一．-t _ I一⋯ _ 帧1 2 3 4 5 6 7 帧 23 45屿 负 1 2 3 4 5 2 3 4 n 什 什 什 什 计