基于PLC的伺服驱动填充系统的设计.pdf

2 0 1 1年 6月 第 3 9卷 第 1 2期 机床与液压 MACHI NE T OOL HYDRAUL I CS J u n ． 2 0 1 1 Vo 1 ． 3 9 No ．1 2 DOI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 1 ． 1 2 ． 0 2 9 基于 P L C的伺服驱动填充系统的设计 吴明亮，汪小兵，余淑荣，魏莉莉 ，黄健康 兰州理工大学机电工程学院，甘肃兰州7 3 0 0 5 0 摘要基于P L C和伺服驱动技术 ，设计伺服驱动填充系统。介绍该系统的组成和工作过程，重点阐述该系统的电气原 理和 P L C程序设计，指出实际调试中需要注意的问题并给出相应的解决方法。设备调试完毕后的试运行结果表明，填充量 误差都在允许的范围之内。 关键词P L C ；伺服驱动；填充系统 中图分类号T P 2 7 1 ． 4 文献标识码 B 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 1 1 2 0 8 93 Th e De s i g n o f P LC- b a s e d Co n t r o l S y s t e m f o r S e r v o Dr i v e F i l l s S y s t e m WU Mi n g l i a n g，W A NG X i a o b i n g ，YU S h u r o n g ，W E I L i l i ，HUANG J i a n k a n g C o l l e g e o f Me c h a n i c a l a n d E l e c t ri c a l E n g i n e e ri n g ，L a n z h o u U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ， L a n z h o u G a n s u 7 3 0 0 5 0，C h i n a Ab s t r a c t B a s e d o n P L C a n d s e r v o d ri v e t e c h n o l o g y， a s e r v o d ri v e r fi l l i n g s y s t e m Wa S d e s i g n e d ． T h e c o mp o s i t i o n a n d w o r k i n g p r o c e s s o f t h e s y s t e m we r e i n t r o d u c e d ．T h e e l e c t r i c a l p ri n c i p l e a n d P L C p r o g r a m d e s i gn w e r e e x p o u n d e d ．Th e p r o b l e ms n e e d e d t o n o t i c e i n t h e a c t u al d e b u g g i n g p r o c e s s w e r e p o i n t e d o u t a n d c o r r e s p o n d i n g s o l u t i o n we r e g i v e n ．Th e c o mmi s s i o n i n g r e s u l t s h o w s t h a t t h e t o l e r anc e o f fi l l i n g v o l u me i s i n a l l o wa b l e r a n g e ． Ke y wo r d s P L C；S e r v o d ri v e；F i l l s s y s t e m P L C和伺服驱动技术是现代控制技术中的两项关 键技术。P L C又称可编程逻辑控制器 ，是一种数字运 算操作的电子系统 ，专为工业环境应用而设计。它采 用一类编程的存储器， 用于其内部存储程序， 执行逻 辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用 户的指令 ，并通过数字或模拟量的输入和输出控制各 种类型的机械或生产过程。伺服驱动技术是伺服电机 利用 自带的旋转编码器反馈信号给伺服驱动器，伺服 驱动器根据反馈值与 目标值进行比较，调整转子的角 度，从而达到精确控制旋转角度的技术。文中项 目正 是在这两项技术相结合的基础上开发出来的。 1 伺服驱动填充系统的组成和工作过程 该系统由螺杆泵 N M 0 2 1 B O 0 2 S 1 2 B 、电气控制 系统、托盘驱动系统、空气压缩机、可移动柜体和三 路启动填充阀组成。其组成如图 1 所示。 图 1 伺服填充系统的构成 l 一 泵 2 一 减速 电机 3 一人 机界面 填充 阀 5 _ - 量杯 6 _旋转盘 7 --箱柜 8 _万 向轮 工作过程如下在非填充时间段，减速电机带动 螺杆泵旋转，物料通过回流管道返回料斗；在填充时 间段 ，首先通过安装在盘子下面的接近开关找到旋转 盘转动的起始位置 即零点位置 ，P L C控制的伺服 控制器驱动伺服电机 放在柜子里面旋转，从 而 带动旋转盘转动到合适位置时停止，等待填充。此刻 空气压缩机 放在柜子里面压缩空气打开填充阀， 物料通过填充阀进入量杯 3只等角度放置 ，填充 完毕后 ，旋转到下一个工位等待填充。通过触摸屏设 定填充量和泵的旋转速度。 2 伺服驱动填充系统的电气原理图及其控制原理 伺服驱动填充系统的电气控制图如图 2所示，5 个空气开关 Q F o 、Q F 1 、Q F 2 、Q F 3 、Q F 4分别控制总 电源、泵电机、伺服电机、触摸屏和空气压缩机的电 源。接触器 K M1 和 K M 2分别控制变频器 ，空气开关 和伺服驱动器的得失电。此外，电路中还加了4个继 电器 K A 1 、K A 2 、K A 3和 K A 4 。其 中 K A 1控制接触 器 K M1即变频器得失电，K A 2控制接触器 K M 2即伺 服驱动器的得失电，K A 3控制填充阀门的开闭，K A 4 控制变频器的起停即泵 电机的运转和停止。变频器的 端 口A L 和 A L一 接 P L C的M和I 端 口，负责变频器 的频率给定；变频器端 口A F M和 A L一接 P L C的 M 收稿 日期2 0 1 0 0 5 2 5 作者简介吴明亮 1 9 6 5 一 ，男，教授 ，主要从事机电控制和液压方面的科研和教学工作。通信作者汪小兵，电话 1 5 0 9 5 4 2 31 9 5，E ma i l w x b 2 0 0 21 0 5 2 2 3 1 6 3 ． c o m。 9 O 机床与液压 第 3 9卷 和 A 端口，负责变频器的频率反馈。此外，电路 中 还设计了2 2 0 V交流电转 2 4 V直流电的转换器 ，以 给零位开关 、旋转编码器和触摸屏供电。 图2 电气控制图 3 P L C程序设计 3 ． 1 P L C的硬 件 连接 图和 输 出输入 点 分配 P L C的输入、输出点各有 1 1个，其 中有数字量 输出点 9个，模拟量输出点 2个。现选择西门子公司 的 s 7 - 2 0 0 C N型 P L C 1 6点输入／ l 6点输出 ，其 I ／ 0 端口接线图如图3 所示。 泵 电 1 0 ． 0 Uu u 机旋 B 1 0 ．1 Qo ． 1 转编 2 4 Q0 ．2 码器 2 4 ． Q0 ．3 伺服各妥 1 0 ． 3 2 4 伺服报警 1 0 ． 4 定向完成 1 0 ． 5 Q 0 6 2 4 z相脉冲 m． 6 Q0 ．7 l 零 点 I1O 24 I 接 近r 2 4 Q 1 ．0 I开 关 卜 - - 2 4 ‘ 2 4 变频故障 一 I l - J Ql 1 紧急 n ． 5 僖 ‘ 图3 P L C I ／ O端子接线图 其中旋转编码器 、零点接近开关、伺服备妥、伺 服报警、定位完成 、z相脉冲以及变频故障和紧急停 车作为 P L C的数字量输入；数字量输出有脉冲输 出、 方向给定 、伺服使能、脉冲清零 、变频得电、变频启 动、伺服上电、阀门开关等。模拟量输出为变频给定 和变频反馈。 3 ． 2 P L C程序设计 在程序设计中，关键是如何控制由伺服驱动器控 制的伺服电机精确旋转和控制填充量的问题。伺服电 机精确旋转是通过西门子 s 7 _ 2 0 0的程序模块 F r O设 定运动包络线来控制。通过调用程序模块 P T O，将伺 服电机旋转一周分成 1 0 2 4个脉冲，这样每一个脉冲 伺服电机旋转 0 ． 3 5 。 ，通过计数器，当脉冲累计个数 达到 3 3 3 3 、6 6 6 6和 1 0 0 0 0时，伺服电机停止转动 ， 填充阀打开开始填充，虽然有一个脉冲的误差 ，但可 以忽略不计。为了防止累计误差的出现，每次旋转盘 回零点时计数器都会清零。通过在电机上安装旋转编 码器，利用 P L C的高速计数脉冲读出电动机的旋转 圈数 ，再利用泵的排量计算出脉冲当量，通过与上位 机设定的值进行比较来控制填充阀的开闭，即可精确 控制填充 量。根 据要求，减速 电机 每转一 圈需要 1 0 2 4 个脉冲，每圈的排量是 2 7 ． 5 m L ，电机和泵的减 速比是 8 ． 9 1 ，通过给减速电机加装旋转编码器 ，利 用西门子 s 7 ． 2 0 0的高速计数器读 出脉冲数量，算 出 脉冲当量 即一个脉冲泵所排出的量 ，当通过上位 机给出要填充的量时，通过程序设计用这个量除以脉 冲当量 ，和高速计数器读 出的实际脉 冲数量进行 比 较 ，以此作为控制填充阀开启关闭的条件 ，就可以精 确控制填充量了，而不受变频器频率 减速电机转 速 的影响 。 伺服电机旋转定位程序图、脉冲计数程序图和脉冲 当量计算程序图、填充量控制图分别如图4 7 所示。 I PT o0 RUN E N S T ATRT __1 2 H P r o f i l e Do ne Er i o r Ab o r t C Pr O 矗l e C S t e p C Po s 图4 伺服电机旋转定位程序图 图5 脉冲计数程序图 J “ 加 加 ～