PLC控制剪板机后靠系统伺服定位的研究与应用

1 概述

常州某净化公司LVD—HD型剪板机由于原有电气系统设备陈旧，对正常生产造成了极大的影响，为此急需进行技术改造。剪板机后靠系统电气装置的改造设计就是在这个背景下提出的，要求使用PLC、触摸屏和伺服控制系统进行改造，完成剪板机后靠系统精确定位，位置参数设定及显示。剪板机后靠系统的电气改造将对该设备的正常生产提供良好的技术支持，提高劳动生产率，获得良好的经济效益。

2 设计思想

本系统改造主要是针对剪板机后靠系统，即设定板料剪切尺寸。系统要求采用交流伺服驱动、PLC与触摸屏控制，实现准确定位，后靠系统的移动位置在规定范围内可以任意设定，定位误差小于0．2mm。系统由触摸屏设定的剪板位置信号确定所需的剪板宽度，PLC控制输出信号脉冲到伺服驱动器，驱动伺服电机带动后靠系统完成剪板动作。

3 硬件设计

本控制系统PLC选用日本三菱FX1S-10MT-001，触摸屏选用日本三菱F920GOT-BBD5-K-C。伺服系统采用日本安川系列伺服驱动器SGDM-10ADA和伺服电机SG-MGH-09ACA61，伺服驱动器SGDM-10ADA主要性能指标：适配电机的额定功率为1000W，电源电压为三相220V，编码器类型为2500P/R，伺服电机编码器采用增量编码器。变压器选择三相380V/220V，250kV-A。系统框图如图1所示。

图1 系统框图

1)系统主回路

系统采用三相AC220V伺服电机，驱动器的U、V、W及接地端分别接伺服电机的A相、B相、C相和伺服电机
的地线。L₁、L₂、L₃是伺服单元三相主电路输入端，L_1c、L_2c是控制电路电源输入端。编码器与驱动器的CN2端口相接，编码器的C、D、H、G分别为数据传输和5V、0V线，分别与CN2端口的PS(5)、/PS(6)、5V(1)、0V(2)相连。实际接线以颜色区分，如图2所示。

图2 系统主回路

2)PLC输入输出电路

系统采用FX1s-10MT可编程控制器，是一种小型化、高速度、高性能的PLC。输入输出(I/O)总点数有10
个，晶体管输出，满足设计需要。

设计的系统输入输出信号有：设定执行(X0)，原点检测(X1)，采用接近开关进行控制，作为原点回归的近点信号。伺服准备就绪(X2)，剪板计数(X5)；Y0输出端输出脉冲控制伺服驱动，接伺服单元的CN1端口8脚。
Y1作为方向输出控制，后靠系统前进或是后退。Y1输出接伺服单元的CN1端口12脚。Y2清除信号输出，Y2输出接CN1口的14脚，接线时以颜色区分。Y3作为报警复位信号输出端。其中，Y2、Y3均采用低电平有效，与伺服单元CN1接口的接线如图3所示。

图3 PLC输入输出及CN1外部接线图

4 伺服系统

4.1 位置控制参数设定

PG反馈脉冲的分频比－电子齿轮(A/B)的设定。

本系统采用17位的增量型编码器，编码器脉冲数32768P/R。电子齿轮功能是指可将相当于指令控制器输入
指令1脉冲的工作移动量设定为任意值的功能。

由于电气停止精度Δ=±0.001mm，因此设位置检测单位△l=0.00lmm/pulse。电机轴与负载侧的机械减速比为m/n，即伺服电机旋转m圈，负载轴旋转n圈。根据下式求出电子齿轮数比的设定值。

4.2 伺服单元

1)伺服单元的CNl接口及其接法作为位置指令输入输出接口，位置用针号有：指令脉冲输入(7，8，11，12)，偏移脉冲清除输入(14，15)，工作电源(3，13，18)。指令控制器的指令脉冲，偏移脉冲清除信号的输出采用集电极开路输出，其接线方式如图3所示。

这种接线方式利用伺服单元内置的12V电源规格，作为内部集电极开路输出信号时，供给12V工作电源，因此不需外接电源，接线方便简单，大大提高了系统的可靠性。

在控制要求中，要求伺服系统准备好后方可启动程序，通过伺服ON工作信号解除驱动器内部变频器部分的栅极封锁，使电机变为通电状态。为了剪板机后靠系统不超程运行，设置两个限位开关来禁止正转驱动和禁止反转驱动，同时设置报警功能。检测到报警时，KA2继电器OFF。图4为CN1的通用接口电路。

图4 CN1通用接口

2)伺服单元的CN2接口及其接法

伺服单元的CN2接口是连接编码器的端口。CN2的端子有BAT(+)、BAT(-)作为绝对值编码器用电池接口。C、D、H、G是伺服电机SGMGH的针号。编码器与伺服单元的CN2接口接线图如图5所示。

图5 CN2接口

5 人机界面

为使操作简单，更具人性化设计，为此选用三菱F920GOT，它是三菱键盘式F900图形操作终端的一种，有与可编程控制器进行通信的RS422接口，使用方便，有良好的可视界面，通过与可编程控制器通信，设定加工参数(加工尺寸、加工数量)，实现后靠系统挡料板参数实时显示，同时可在操作终端上操作机器，包含点动调试、自动回零位、暂停等工作，解决了以往按钮多，操作繁琐的问题。

6 软件设计

6.1设计思想

根据控制要求软件的总体设计思想：通过触摸屏设置剪板位置、数量。当第一次设定的剪板位置完成剪板数量后，后靠系统不需返回到原点位置，直接输入第二次想要设定的剪板位置，后靠系统能自动到达所要求的位置。即前一次的剪板完成之后，位置被记录下来，剪板机并不需要恢复到原始位置(原点位置的接近开关)，而是等到下次命令时，PLC通过对剪板机后靠系统的挡板当前位置及所要达到位置进行判断比较，发出相应的脉冲信号，控制伺服电机，调整(或进或退)后靠挡板的位置，直到所要求的位置。系统在设计的时候也考虑了可以在第一次剪板完成后，先返回到原点位置，再根据下次所要求的剪板宽度，控制伺服电机，移动到所需位置。所设计的软件流程图如图6所示。

图6 软件流程

6.2 剪板定位

后靠系统所要控制的目的就是精确定位，定位是整个系统的关键，定位的完成采用精确的软件算法。应用可编程控制器完成定位的方法很多，可供选择的指令也很丰富，其中，FNC158是相对位置控制指令。每次控制运算都是把当前位置作为基础点，控制运算简便。

指令在使用过程中，当前寄存器随输出变化，无需设置改变，正转时当前寄存器的数值增加，反转时当前寄存器的数值减少。指令在执行过程中，即使改变操作数的内容，也无法在当前运行中表现出来，只在下一次指令执行时才有效，执行完成的标志是M8029寄存器。

在执行位置控制时，可编程控制器利用自身产生的正转脉冲或反转脉冲进行当前值增减，并将其保存至当前寄存器(Y000：D8141，D8140)。由此，机械的位置始终保持着，但当可编程控制器断电时会消失，因此上电时和初始运行时，必须执行原点回归，将机械动作的原点位置的数据事先写入。FNC165原点回归指令。

在执行相对位置指令时，实际能够输出的输出脉冲频率的最低频率数，根据公式：
√速度（D8147,D8146）Hz•2•加减速度时间D8148•1000=输出脉冲频率的最低频率数，可以比较方便得出，如图7所示。

图7 相对位置指令执行时和寄存器配合图解

对于输出脉冲频率S2，即使指定了低于上面计算结果的数值，仍将输出计算值的频率，加速初期和减速最终部分的频率也不低于上述结果。

相对位置指令在执行时有相关寄存器配合作用：

D8145：执行相对位置指令时的基底速度；

D8147、D8146：执行相对位置指令时的最高速度，S2指定的输出脉冲频率必须小于该最高速度，设定范围：10～100000Hz；

D8148：执行相对位置指令时的加减速时间，加减速时间表是到达最高速度D8147、D8146所需时间，因此，当输出脉冲频率S2低于最高速度D8147、D8146时，实际加速时间会缩短，设定范围：50-5000ms；

M8145：Y000脉冲输出停止(立即停止)；

M8147：Y000脉冲输出中监控。

定位程序在执行过程中，首先要比较设定值与当前值，通过比较结果计算出输出脉冲数参数、输出电机旋转
方向参数；同时，根据设定值与当前值的相差值，设置适当的脉冲输出频率。程序如图8所示。

图8 定位程序

6.3 剪板计数

计数采用减计数方式，通过触摸屏写进剪板数量D102，再将剪板数量传人计数器C200，有信号就减l，计
数器为零时发出信号给剪板机，同时清除相关存储器。计数程序如图9所示。

6.4原点回归

预先将M8140置于ON状态，能够在原点回归完成时向伺服电机输出清零信号。清零信号的输出地址号根据不同的脉冲输出地址号而决定，脉冲输出Y000，清零信号输出Y002。程序如图10所示。

图10 原点回归程序

7 结论

利用现代控制技术改造传统生产设备，继而提高传统生产设备的加工精度、生产效率，对提高中小企业生产设备的自动化程度及其市场竞争能力是一种有效方法。本剪板机数控改造方案对原剪板机机械机构略做改动，增加数控系统和少量机构即可实现，改造周期短、投资少。实际使用证明，新系统具有精度高、性能稳定、工作可靠、操作简单、调节方便、显示直观和自动保护等特点，所有指标均达到企业提出的设计要求，有效地提高了企业设备自动化程度，提高了企业的生产效率。