基于PLC和触摸屏的电动缸自动测试系统设计.pdf

2 0 1 0年 7月 第 3 8卷 第 1 4期 机床与液压 MACHI NE T OOL HYDRAUL I CS J u 1 ． 2 01 0 Vo I _ 3 8 No ．1 4 D O I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 3 8 8 1 ． 2 0 1 0 ． 1 4 ． 0 1 4 基于 P L C和触摸屏的电动缸 自动测试 系统设计 闫飞飞 一，石春 ，吴刚 ，王峻 1 ．中国科学技术大学 自动化 系，安徽合肥 2 3 0 0 2 7 ；2 ．海军蚌埠士官学校，安徽蚌埠 2 3 3 0 0 0 摘要介绍基于触摸屏和 P L C的电动缸自动测试系统的设计。该系统具有参数设定、行程测试、走合测试、速度测 试、运行数据动态实时监控、数据图表显示、自动报警等功能 ，具有工作效率高、稳定可靠、操作方便快捷等优点 ，成功 实现电动缸出厂测试的自动化。 关键词P L C；触摸屏；电动缸；系统设计 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 0 1 40 3 7 4 De s i g n o f El e c t r i c Cy l i nd e r Te s t S y s t e m Ba s e d o n PLC a nd To uc h- s c r e e n Y AN F e j f e i ，S HI C h u n ，WU G a n g ，WANG J u n 1 ． D e p a r t m e n t o f A u t o m a t i o n ，U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y o f C h i n a ，H e f e i A n h u i 2 3 0 0 2 7，C h i n a ； 2 ． B e n g b u N a v a l P e t t y O f f i c e r A c a d e m y ，B e n g b u A n h u i 2 3 3 0 0 0，C h i n a Ab s t r a c t An e l e c t r i c c y l i n d e r t e s t s y s t e m b a s e d o n t o u c h s c r e e n a n d P L C w a s d e s i g n e d ． T h e s y s t e m h a s t h e f u n c t i o n s o f p a r a m e t e r s e t t i n g ， s t r o k e t e s t i n g， b r e a k i n t e s t i n g ， s p e e d t e s t i n g ， d y n a mi c r e a l t i me mo n i t o ri n g ， d a t a s a v i n g ， a u t o ma t i c a l a r m ， e t c ． I t a l s o h a s t h e a d v a n t a g e s o f h i g h e ffic i e n c y ， s t a b i l i t y a n d o p e r a t i n g e a s i l y ． T h e f a c t o r y t e s t a u t o ma t i o n o f e l e c t r i c c y l i n d e r h a s s u c c e s s f u l l y c o mp l e t e d u s i n g t h i s s y s t e m． Ke ywor dsPLC；To uc h s c r e e n； El e c t r i c c y l i n de r ； S y s t e m d e s i g n 电动缸是一种提供直线推力的运 动装置 ，是一种 高响应、长寿命的执行机构，在诸多领域得到广泛应 用，包括六自由度并联运动平台、娱乐仿真设备、 生物测试 设备 、造波机 、疲劳测试 、飞机结构强度测 试、动态仿真等。 在电动缸作为执行机构的控制系统中 ，电动缸直 接由伺服驱动器控制，不再需要油、气等中间媒介传 递动力 ，而采用油、气等动力传递媒介正是产生运动 仿真、测试系统控制误差的主要原因，从而导致不准 确 、使用不方便 ，所以电动控制系统比液压系统具有 更优越的控制性能，速度更快、承载能力更高 、寿命 更 长。系统的控 制性能不会受环境温度 、易污染 的液 压阀和流体介质等因素影响，无需随着使用环境条件 变化而做相应调整 ，减少设施投入和设备维护 ，节省 安装空间且安装拆卸、调试方便。同时系统也可使用 2 2 0 V 单相或者三相交流电源，电机和伺服驱动 器之间的连线也非常简单，不再需要液压系统中复杂 的油泵 、管路 、冷却系统以及其他附属设施 。 与气缸相比，电动缸可以应用在那些不太适合使 用 高压空气的场合。与气缸所 产生 的轴 向运 动相 比 ， 螺纹的使用使运动有了更高的速度和力矩。在最新的 电动伺服 系统 中，在控制速度 、位置和扭矩时 ，可以 对每个动作 进行 设定 。这 个特 点使 一个简 单 的 “ 圆 柱体” 成为 一个 真 正 的 自动 化 系统 ，具 有 体 积 小 、 性能优 、便 于维护等优点 。电动缸也 可以采用滚柱丝 杠技术使系统具有更高的机械刚性、更长的使用寿 命 、更高的抗 冲击能力 。高效坚硬的滚珠丝杆适合做 精确定位和长距 离往 复运动 ，适合大轴 向载荷的往复 运动，并能够获得更高的可靠性和更长的使用寿命。 而厂家提供的电动缸出厂前需要进行严格的质检 及功能测试。为使其功能能够满足客户的需求，出厂 测试显得尤为重要。 目前 的测试手段基本上为人工手 动测试 ，这样在测试上需要 投入 大量 的时 间和精力 。 为提高检验环节效率 ，需要 一种专 门的测试系统来代 替人工测试 ，使整个测试更 高效 、准确 、全面。作者 受某公 司委托开发这个测试 系统 。 1 测试 系统的介绍及特殊要求 电动缸的 出厂测试项 目主要包括行程测试 、走合 测试和速度测试 ，应能根据所测对象的不 同而进行相 关参数设置 ，所 以该系统主要有 3个功能块 1 行程 测试 。该 项测试 需要 设置 前进 和后退 两个按钮 ，按 照 设计要 求对 整套 系统 进行 全行 程测 试 ；电机的运行速度根据实际需要可方便调整 ，在最 近端和最远端都停止 ，由外部测量机构得到该缸的真 收稿 日期 2 0 1 0 0 6 0 3 基金项目安徽省优秀青年科技基金资助项 目 0 8 0 4 0 1 0 6 9 1 0 作者简介 闫飞飞 1 9 8 3 一 ，男 ，硕士研究生 ，助教 ，研究方 向为运动控制。Em a i l t o s m i l e m a i l ． u s t c ． e d u ． e n 。 3 8 机床与液压 第 3 8卷 实最大有效行程 根据操作人 员的工作 习惯 ，检验 其在最近端和最远端是否 出现堵转现象或者转矩过大 的现象 ；同时检查最大行程是否满足出厂规格 。 2 走合测试。在规定的走合时间内 一般为数 个小时整套系统运行的平稳性测试。走合测试受按钮 控制，按下走合测试按钮 ，电机开始运行并计时，在所 设置的范围内 自 动往复；走合时问到，电机停止运行。 3 速度测试 。根据 测试 相关 规程 ，电机 设置 低 、中、高 3种 速度 进行 测试 ，分 别设 3个 按 钮控 制 。电机在运行过程 中 ，要 求监控 并采集相关 数据 ， 如电机速度、驱动扭矩等，将数据用图表显示 ，并且 进行存储 ，方便检查和调用 。 为提高工作效率和充分利用现有设备的性能 ，系 统采取了双通道设计 ，即单 台 P L C控制两 台电动缸 ， 提高效率 、节约时间和成本。 对 于整个系统而言 ，需要测量的主要对象有 电动 缸的最大有效行程 、在较长 时间的运行的平稳性 、电 机的转速 和转矩 。电机的转矩是测量对象 中重要 的一 个参数，反映了电机动态性能是否达标 ，对实时性的 要求很高 。作者在设计时综合考虑了现场需求 、操作 习惯 、测量精度、采样率、兼容性及价格等因素，对 采用 的元件进行 了选 型。 2系统的硬件设计 系统选用松下 P L C和 We i n v i e w触摸屏 为控制核 心单元。可编程逻辑控制器 简称 P L C 是专为在工 业环境中应用而设计的一种工业控制用计算机，具有 抗干扰能力强 、可靠性高 、体积小等优点 ，是实现机 电一体化的理想装置 。 选用松下 F P X P L C ，是一种适用于小规模设备控 制的小型通用 P L C，具有 3 2 k步的程序容量和0 ． 3 2 s 的程序容量 ，能够利用 U S B通信端 口与计算机直 接 连接 ，提供标准 R S 2 3 2 C接 口与显示装 置通信 ，脉冲 输出频率 最大 可达 1 0 0 k H z ，可 以使用 模 拟定 时器 ， 提供 3 2路 2 4 V D C输入和 2 8路晶体管输 出。P L C内 部的可编程 单元 主要 有输 人继 电器 x、输 出继 电器 Y、定时器 T 、数据寄存器 D T等等。 触摸 屏 为威 纶 M T 6 0 5 6 i V，5 ． 6英 寸，分辨 率 3 2 0 2 3 4 ，6 5 5 3 6色，外接电压为2 4 V， 4 0 0 M H z 的 处理器 ，有 6 4 M B D D R 2内存 和 1 2 8 M B闪存 ，通 过组 态软件 E B 8 0 0 0制作人机界面和操作软件 。 模拟信号的采集 、转换，出于需要采集负电压的 要求而选用 F P O A 2 1 模块 ，且必须通过扩展 F P 0适 配 器与 F P X配合工作 ，具有 1 6位 2个输入通道和 1个 输出通道，具有较高的精度和较强的抗干扰性。 试验用 电动缸 分 别 为 松下 公 司 MI N A S A 4系 列 MS M A 1 5 2 P 1电机 配套 M D D D T 5 5 4 0驱 动 器和 韩 国 M a c a p i o n 公 司 A n y P a c k系 列 A P M S B 0 4 A D K 2电机 配 套 A P D V S O 4 N驱动器。 在系统 中，触 摸 屏 H M I 和 P L C之 间 采 用 R S 2 3 2串行通信， P L C根据程序设定以及外部输入做 出逻辑判断 ，并且输 出 2路脉 冲提供给 2个驱动器 ， 分别控制对应电机的动作。而驱动器提供的模拟电信 号 电机转 速 和驱 动转矩 的检测 信息 均 通过 F P O A 2 1模 块 进 行 A ／ D转 换 ，转换 后 的 数 字 信号 从 P L C编程 处 理 后送 入 到 工 控触 摸屏 中 ，且 触摸 屏 可 以进 行 数据 图表 记 录 和 图 形显 示 ，从 而 实现 对 电动 缸的相关信息的在线监测。 整个 系 统 的硬 件 结 构 框 图如 图 1所示 。 表 1 P L C端 口分配与对应控 制针脚 图 1 系统硬件结构框图 第 1 4期 闫飞飞 等 基于 P L C和触摸屏 的电动缸 自动测试系统设计 3 9 电机驱动器的控制 线均 为 5 0芯接 口，根 据需要 功能选取需要用到的针脚 ，制作控制线。P L C端口分 配与对应控制针脚 如表 1 所示。 从表 1 可以看 出，需要采用 4输入通 道的 A D模 块 ，但价格昂贵。由于走合测试的时间往往较长 ，根 据操作习惯 ，往往在一 台走合的时候 ，可以对另一 台 进行行程和速度 测试 并且 进行 数 据监测 和存 储等 工 作，所以在这里，使用2个开关制作了双控电路，大 大节约了成本 ，使原本需用 4个 A D通道的情况仅 仅 使用 A 2 1 就可 以解决 问题 。当需用测 量 某 台电动 缸 的时候 ，拨 动其 对应 开关 接通 ，另 一 路开 关 断开 即 可 。电路 图如 图 2所示 。 G D l 1 号缸 的转 矩信 号 1 号缸 的速 度信 号 G N D 2 2 号缸 的转 矩信 号 2号缸 的速度 信号 开关 2 Co M CH l C H O 图 2双控电路图 3 系统的软件设计、工作原理、程序 作者使用松下公 司提供 的 Wi n d o w s 环境下的 P L C 编程工具 F P WI N G R进行 P L C程 序的 编写 、编 译和 下载 ，其具备3种程序编辑模式符号梯形图编辑模 式、布尔梯形图模式和布尔非梯形图模式，支持数 据 、触点和时序 图监控 ，I ／ O分配 ，在线 编辑。主程 序流程如图 3所示 。 是 否 需要 行 参数 设 走合测试 I 行程测试 l I 速度测试 l I参数设置 缸2支 62 缸2 回 原 点l 篓 蠢 磊 速 度 ，l L 1 藿 差 择 嵩 嘉 畲 譬 l I 需 萎 差 曩 曩 薰 I I 数 据 处 理 运 行 结 束l l 测 量 行 程l 『 曼 鬟 鼍 黍 存 储 图 3 主程序流程 图 由于出厂前的电动缸一般都为裸机，还没有根据 客户方的要求安装 限位开关 ，且 由于在该 系统 中需要 测量最大有效行程 ，所以在不能使用限位开关的情况 下，如何保证电动缸在运行过程不发生撞缸堵转现 象，从而保证电动缸 的安全运行作者经过反复思 考、实验论证，最终使用转矩限制信号来解决该问 题 。转矩 限制信号一般 由伺服 电机驱动器的 I ／ O接 口 中某个针脚提供 ，在电机转矩达到参数设定值 时 ，该 针脚输出有效，将 P L C某输入端子与之相连，检测 其变化 ，作为程序中保护动作的触发条件。程序示例 如 图 4所示 ，在 这段控制某缸 的行程测试 的部分程序 中 ，R 6 0和 R 6 1 两个常开触头分别作为电动缸前进和 后退 的动作开关 ，而 X 0接受对 应驱动器提供 的转矩 限制信号，来控制中间继电器 R 6 0和 R 6 1的通断电。 当 X 0有效 断开 时 ，P L C停止发送脉 冲 ，电机停 止运转，从而起到类似限位开关的保护作用。经多次 实验验证，在电动缸默认的参数设置下，符合绝大多 数工作场合要求 ，即在电机转矩达到 3 0 0 ％额定转矩 才输 出转矩限制信号 ，也能正常 、安全地起停电机。 玛 I c 5l R gl 1 C硒 1 X 0 l l 5 3 H H／ H／ H／ H／ 瑚 J ．_ I ‘ ． ， ． ． ． ． Y 9 l I 5 2 昀 l1 C皇 60 X 0 I c s3 一 卜 - 卜 ／ 卜 - ／ 卜 _ ／ 卜 _ ／ l I6 1 I ．． L ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． __ j R6 0 ～ [ F 3 1 2 F ． C F 3 3 0 D F I X [ F I D ■ V [ F i D _ V [ F 1 7 2 P L s H R 61 一 卜～[ F 3 1 2 [ F 3 3 0 D F I X [ r l硼 V [ r l D _ y [ F 1 7 2 P L S M ． D T 5 0 D T 5 2 H 1 1 2 D T 5 2 D T 6 0 D T 5 0 D T 5 2 H 1 23 D T 52 DT B0 D T 9 2 4 ， D T 5 2 ． D T 6 0 ． D T 5 2 K 0 ． D T 9 2 4 ． D T S 2 ． DT 6 0 ， DT 6 2 ． X 0 0 llc 2 1 l 略0 l 皓1 D T 5 2 】 J 】 ． D T 5 2 】 】 】 】 】 图 4 程序不例 操作界面软件的设计 主要基于 E B 8 0 0 0组态软 件。作者通过组态软件 ，实现触摸屏上的相应功能， 通过对程序模块 的集合，快速、直观地生成人机界 面，建立完整的解决方案 ，直观地显示在触摸屏上。 该软件内容丰富，支持松下、西门子 、三菱、欧姆龙 等公司各系列 P L C设 备 。该 软件与 以往 工控 软件相 比，降低 了开发 难度 ，缩短 了触 摸屏 系统 的 开发周 期。 系统的软件主要 由运行界面 、参数设置 、行程测 试、走合测试、速度测试 、数据存储显示 6 个部分组 成 ，在每个功 能块 里面 均可 以进 行缸 1 和 缸 2的切 换。 运行界面是整个 测试 系统 的起 始界 面 ，如 图 5 所示 。 参数设置。在这 个界 面设置测试缸的编号 ，额 定转矩和转速及其对 应的 l 量塑亟量『 { 垂全 I 匝圈匿圃 警报清除恢复 断开 信号警报使能 使能 l q 1 ． 0 0 0 0 2 号缸 0 0 0 0 图 5 运行界面 4 0 机床与液压 第 3 8卷 输出模拟 电压 比例 ，减速 比，电动缸 的导程 ，每圈脉 冲数，希望测试的3种速度具体值等参数。 行程测试 。可 以 自由设 定运行速 度 ，提供前进 、 后退和停止 3个按钮进行控制 ，由于工作现场要求 和 设备性能限制 ，暂时只提供人工在最近及最远端手 动 测量 ，以后 可以扩展功能 ，加装外部测量装置进行 自 动测量以及数据记录。 走合测试。提供时间设定、转速设定 、走合起始 位置和终点位置 4项功能设定 ，并且进行 当前 电动缸 位置的实时检测及显示，需要注意的是这里的位置信 息实际上是由脉冲数换算得来，并没有外部测量装置 构成全 闭环 。 速度测试 。同样提供两个缸的功能切换 ，在不同 速度和方向的工作状况下 ，都有速度和转矩两个数值 显示框，提供电机驱动转矩的即时趋势图，采集频率 为 1 0 H z ，可 以检视 图中任 意时刻且 在检视数据框 中 显示 ，数据 的采集和停止 由对应 的功能按钮来控制。 在速度测试页面点击历史图按钮进入 电机启动过 程的数据图示 ，记录时间 1 S ，提供高达 1 0 0 H z 的采 样频率。点击数据按钮可以进入历史数据表格记录。 该触 摸屏 可以存储 7 天 的数据 ，每天数据量最高可达 8 0 0 0 0组 ，已能满足工 作需求 ，如 图 6所 示 。 当需 要 保 存 更 多 数 据 时 ，可 以使 用 U S B数 据延 长 线 连 接 一 个 u 盘 ，选 择 将 数 据 保 存 至 u 盘 即 可。 使 用 E B 8 0 0 0软 件 的转 换 功 能可 以 很 方 便 将 数 据 导 出为 E x c e l 表格类型。 图 6 数据表格记 录界面示例 如果在测试过程 中，运行 出现异常状况 ，则由触 摸屏提供声光报警 。事故处理完毕后 ，需 回到运 行首 界面进行报警信号清除 ，且恢 复使能 ，才能重新 正常 工作 。 4结束语 基 于 P L C和触 摸屏 的 电动缸 自动测 试 系统 ，具 有 自动化程度高 、界 面直观 、功能强大 、灵活性高等 优点，可以有效地提高测试的效率，具有很好的应用 前景。 目前 ，该 系统 已在该公司投入使用 ，较好地满 足了该公司电动缸出厂时的检测需要，提高了工作效 率 。 作者在设计 以 P L C和嵌入 式触 摸屏 为核 心 的电 动缸 自动测试 系统 时 ，充 分发挥 了 P L C在伺 服控制 中的优势，考虑了现场的需要，尽可能地使其造价适 宜，操作直观、符合习惯 ，成功地实现了电动缸出厂 前的 自动测 试。该系统 是 P L C和触摸 屏在 伺服 控制 领域的一个很好 的应用案例 。 参考文献 【 1 】 P a n a s o n i c 可编程控制器 F P X用户手册[ M] ． 【 2 】We i n v i e w公司E a s y B u i l d e r 8 0 0 0用户手册[ M] ． 【 3 】王立乾， 申萍， 张良， 等． 基于触摸屏与 P L C的空压机检 测系统设计[ J ] ． 微计算机信息， 2 0 0 9 2 ／ 1 2 2 2 3 ． 上接第2 3页 。 窒． 一 时 间， s a 压力 输入 信号 1 ． 0． 窆 0 ． 0． 出0 ． ．0 ． L 时 间／ s b 压 力输 出信 号 图 1 1 压力仿真结果 厂 、 r＼ 时 间， s f a l 压 力动态 误 差 曲线 言6 皇4 2 0 ． 2 - 4 出 ． 6 l 4 ． 9 l 4 l 4 ． 9 l 8 l 4 ． 9 2 2 1 4 ． 9 2 6 时间， s b 压力稳 态 误差 曲线 图 l 2 压力误差分析 4 结 论 通过建模 与仿真 分析 ，文 中所 给出 的 C N C压 机 系统选型方案 ，位置 和速度控制性能比较理想 ，而在 压力控制方 面，响应时间较长 ，压力卸载时产生的峰 值需要 注意。 参考文献 【 1 】鲁建平 ， 胡军科， 尚建忠， 等． 某型工程车闭式走行液压 系统建模与仿真[ J ] ． 机床与液压， 2 0 0 7 I 1 3 41 3 5 ， 1 38． 【 2 】孙成通， 陈国华 ， 蒋学华， 等． 液压系统仿真技术与仿真 软件研究[ J ] ． 机床与液压， 2 0 0 8 1 0 1 4 01 4 3 ． 【 3 】黎凌宵， 吕强中． 基于 P 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