三菱電機自動化“應用系統集成”創新與實踐

張文明，徐行健

（1. 常州紡織服裝職業技術學院，常州 213164；2. 三菱電機自動化（中國）有限公司，上海 200003）

0 引言

自動化應用系統集成就是將系統的各下級設備或子系統綜合、整合為統一的系統，將系統軟件、硬件、網絡等組合成為具有統一平臺的全面的系統解決方案的全過程，實現各設備及子系統之間的無縫連接。它的意義在于能夠最大限度地提高系統的有機構成、系統效率、系統完整性、系統靈活性，簡化系統的復雜性，并最終為企業提供一套切實可行的完整的解決方案[1]。

三菱電機自動化（中國）有限公司，每年開展面向高校在校學生（包括本科生、研究生和高職生）的科技競賽活動——“三菱電機自動化杯”大學生自動化大賽，2010大賽的主題為“應用系統集成”，以三菱電機的自動化技術和產品為基礎，發揚創新精神，展示學生的實際制作與調試技能， 檢驗了團隊協作能力、計劃組織能力。

1 應用系統集成過程

“應用系統集成”大賽以三菱電機的自動化產品PLC、變頻器、伺服、觸摸屏、網絡化控制系統、低壓電器等產品的使用、調試為主要內容，綜合運動控制、網絡總線技術等。參賽隊在兩個自動化系統命題中（“變頻器+PLC+CC-Link”調速、“伺服+PLC+CC-Link”定位）任選其一，自選自帶三菱電機的自動化產品從“工控項目→方案設計→集成安裝→流程圖繪制→人機界面→PLC編程→調試運行→資料編寫”展開 “應用系統集成”。

2 “變頻器+PLC+CC-Link” 調速控制系統集成

2.1 系統控制要求

一臺三相異步電動機的速度以設定的變化曲線運行，如圖1所示。

圖1 三相異步電動機運行速度

1）系統配置：PLC（含D/A模塊、CC-Link模塊）、變頻器、觸摸屏（含CC-Link模塊）、三相異步電動機、旋轉編碼器。

2）系統連接：變頻器用模擬量調速（連接PLC的D/A），旋轉編碼器與電動機同軸聯接用于速度測量，觸摸屏通過CC-Link連接PLC用于速度設定及速度測試曲線的顯示。

3）觸摸屏界面編制：觸摸屏第一頁顯示：2010’第四屆“三菱電機自動化杯” 大學生自動化大賽 日期 時間（PLC系統日期、時間）；第一頁的右下角設置頁面轉換鍵“運行數據”，進入第二頁；在第二頁顯示變頻器速度數據，以下表的方式顯示，并在第二頁右下角設置頁面轉換鍵“返回”，用以返回第一頁。

圖2 控制系統

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4）控制要求：上電后，觸摸屏上的指示燈HL1、HL2、HL3均以亮0.5S滅1S，并以流水燈方式循環閃爍，設備處于“待機”工作。按下觸摸屏上的S3“設定”，HL1、HL2、HL3以2Hz閃爍，在觸摸屏第二頁上顯示設定的變頻器的速度曲線。按下啟動按鍵S1,指示燈HL1以2Hz閃爍，系統啟動，電動機以設定的速度曲線運行，同時在觸摸屏上顯示實測速度曲線。運行34S后，循環啟動； 當按下停止按鍵S2后，電動機立即停止，觸摸屏上的指示燈HL1、HL2、HL3均以亮0.5S滅1S，并以流水燈方式循環閃爍（按HL3→HL2→HL1→HL3…的順序循環），設備處于“停機”工作狀態。再次啟動時，從設定的速度曲線起點運行；在停機狀態下可以按S4鍵，取消設定的速度曲線。

2.2 典型設計方案

選用主機為三菱Q00UJCPU-S8（含QD62D/A模塊和Q62DAN高數計數模塊），選用三菱FR-A740-0.75K-CHT變頻器。控制系統方案如圖2所示。

該伺服系統設計的控制器采用了三菱PLC及QD75D4定位模快，驅動器采用MR-J3-20A伺服放大器驅動伺服電機實現兩軸聯動，實現平面上二維不規則曲線的插補。程序流程如圖3所示。通過QX40和QY10輸入輸出模塊直接與現場信號進行監視和控制。上位機HMI人機接口功能，提供了簡單，友好，易操作的界面，并可以實現所繪制曲線的實時顯示，運行可靠，速度快，可以很好的完成管控一體化任務。

圖3 程序流程

3 “伺服+PLC+CC-Link” 定位控制系統集成

3.1 系統控制要求

兩臺伺服電動機控制系統安裝調試，在一張A4白紙板進行給定圖樣的繪制。如圖4所示。

1）系統配置：PLC（含定位模塊）、伺服驅動器、觸摸屏、伺服電動機。

2）系統連接：二軸伺服驅動樣式對象嚴格按比例繪制給定的曲線圖樣，觸摸屏連接PLC用于信號輸入及圖樣的顯示。

3）觸摸屏界面編制：觸摸屏第一頁顯示：2010’第四屆“三菱電機自動化杯” 大學生自動化大賽 日期 時間（PLC系統日期、時間）；第一頁的右下角設置頁面轉換鍵“運行數據”，進入第二頁；在第二頁顯示設定圖樣，以下圖1的方式顯示，并在第二頁右下角設置頁面轉換鍵“返回”，用以返回第一頁。

圖4 伺服電動機運行

4）控制要求： 系統第一次上電后，觸摸屏上的指示燈HL1、HL2、HL3均以亮0.5S滅1S，并以流水燈方式循環閃爍（按HL1→HL2→HL3→HL1…的順序循環），設備處于“待機”工作狀態。按下觸摸屏上的S3“設定”，HL1、HL2、HL3以2Hz閃爍，在觸摸屏第二頁上顯示兩軸伺服系統需要繪制的曲線圖形。按下啟動按鍵S1,指示燈HL1以2Hz閃爍，系統啟動，雙軸伺服系統在給定的白板紙上進行圖樣繪制。繪制完成后，返回原點待機，指示燈HL1、HL2、HL3以待機狀態閃爍； 系統運行中，按下停止按鍵S2后，電動機立即停止，觸摸屏上的指示燈HL1、HL2、HL3均以亮0.5S滅1S，并以流水燈方式循環閃爍（按HL3→HL2→HL1→HL3…的順序循環），設備處于“停機”工作狀態。再次啟動時，從停機斷點處繼續運行； 在回原點待機狀態下可以按S4鍵，取消設定的曲線圖形。

3.2 典型設計方案

根據系統設計要求，設計控制系統如圖5所示。

圖5 控制系統

系統PLC選用Q02HCPU，含QD75D4定位模塊與QX40和QY10輸入輸出模塊，電機選擇了三菱HF-KP23系列，通過與兩臺MR-J3-20A型伺服驅動器連接，驅動兩軸伺服電機，控制伺服電機完成曲線的插補和插補曲線在觸摸屏上的實時顯示。為了提供友好的操作環境，選用了三菱GOT1000觸摸屏來實現實時監視與控制。PLC配置圖如圖6所示。

圖6 PLC配置圖

3.2.1 曲線插補的控制

首先將給定曲線進行分解，分解成若干直線與圓弧，通過PLC編寫的JOG運行和點動運行程序向希望進行登記的位置移動，通過示教功能程序執行登記操作，因此可以將插補曲線的所有定位數據自動讀入定位模塊中，將已經編好并模擬成功的曲線插補的順控程序寫入PLC的內部存儲器，由CPU根據內部存儲的順控程序，向QD75D4定位模塊發出啟動或停止等信號，便可以執行向登記位置的多次定位運行，同時檢測定位模塊的故障。QD75D4定位模塊根據CPU發出的指令，保存參數以及定位數據，并向伺服放大器傳輸脈沖。伺服放大器接受來自QD75D4的脈沖指令，驅動電機運行并同時向定位模塊輸出驅動單元的準備就緒狀態信號以及零位信號。最終電機根據來自伺服的指令，完成動作，實現曲線的插補。如圖6 所示。

3.2.2 插補曲線實時顯示

插補曲線的實時顯示功能由三菱公司提供的GOT1000觸摸屏的散點圖顯示功能實現。插補過程中，PLC實時檢測兩軸的當前進給值，通過對觸摸屏程序的編寫，實現了以一定頻率刷新顯示兩軸的當前進給值，并以坐標的形式在散點圖中顯示曲線，經過坐標變換，觸摸屏的顯示數值與實際位置一一對應。

通過M代碼進行起落筆的控制，將觸摸屏設置為落筆時畫白線，起筆時畫黑線的方式，實現曲線的實時顯示。

3.2.3 系統軟件設計

圖7 PLC程序流程圖

圖8 觸摸屏開始與運行數據

利用三菱PLC專用的編程設計軟件GX Developer以及QD75D4專用軟件GX Configurator-QP進行軟件的設計及模擬，分別設計了主程序，定位子程序，停止再啟動子程序，指示燈子程序，原點回歸子程序，示教子程序以及上下限越限報警子程序，最終完成自動取點及曲線插補的功能。利用三菱觸摸屏專用設計軟件GT Designer進行觸摸屏界面及功能的設計，完成對現場信號的輸入控制及圖形的實時顯示，實現了簡潔，方便，友好的人機交互功能。如圖7、圖8所示。

圖9 按鍵窗口與故障顯示界面

4 結論

大賽為大學生搭建一個才能展示和創新成果的舞臺，各地各校高手云集，展示、切磋、交流，將技術經驗交流收獲融為一體，突出了企業和學校合作雙贏的特色，很好地配合了院校在教學中希望真實反映生產現狀的改革趨勢，特別是院校把握了企業的新技藝、新知識和新方法等應用，重視綜合能力培養，參選大學生將是創新型國家和企業自主創新的重要骨干。

[1] 錢佳濤.基于PLC的井下工作面自動化系統集成研究.科技信息,2009,10.