基于PLC的光柵刻劃機控制系統研究

王 淼

WANG Miao

（長春汽車工業高等?？茖W校，長春 130011）

0 引言

光柵作為現代高精度光譜儀器的核心元件，廣泛應用于天文學、光通信及國防等諸多重要領域，其制造能力已成為光譜儀器技術的關鍵[1]。目前通過高精度的光柵刻劃機刻劃衍射光柵依然是制作高質量母光柵最重要的手段，而光柵刻劃機的刻劃質量則在很大程度上取決于其控制系統的控制精度[2,3]。因此研究高精度的光柵刻劃機運動控制系統對獲得高精度光柵具有重要意義。

針對制作高質量母光柵對光柵刻劃機的高控制精度需求，基于PLC可編程邏輯控制器設計了光柵刻劃機位置和溫度控制系統，控制系統以交流伺服電機為動力元件，使用加熱板控制器為溫控設備，可以實現光柵刻劃機工作臺的高精度控制。同時為便于實時了解光柵刻劃機的工作情況，還基于LabVIEW軟件開發了光柵刻劃機的遠程監控系統。

1 基于PLC的控制系統

以PLC為核心的光柵刻劃機控制系統原理圖如圖1所示，控制系統主要通過控制兩臺伺服電機（圖中M）來完成光柵的分度及刻劃工作循環，系統還通過溫度模塊對光柵刻劃機工作環境溫度進行控制。光柵刻劃機進行光柵加工時控制系統PLC向執行元件（伺服電機和溫度模塊）發送命令，同時還接收伺服電機編碼器的檢測信號、光柵尺和讀數頭信號及溫度模塊的環境溫度作為反饋，以便及時通過PLC對執行元件的工作參數進行更新修正，提高所加工光柵的品質。

圖1 基于PLC的光柵刻劃機控制系統

控制系統的核心PLC選用三菱Fx1N-60MT可編程控制器，其直接以220V交流電源為輸入，且有60個I/O點的基本單元（其中直流輸入36點、晶體管輸出24點）。Fx1N-60MT的輸入接口電路如圖2所示，其中虛線框內為PLC內部電路，R1為限流電阻，R2和C1構成濾波電路，發光二極管與光電三極管封裝成光電耦合器，該點的輸入狀態通過LED發光二極管指示。若COM端接低電平，則開關SW4閉合，光電耦合器的二極管中有電流流過，光電三極管導通，開關SW4閉合的信號被送入內部電路，同時LED燈亮，指示開關SW4閉合。

圖2 PLC輸入接口電路

光柵刻劃機控制系統的溫度模塊選用Fx2N-4AD-PT模擬量輸入模塊和Fx2N-2DA模擬量輸出模塊。Fx2N-4AD-PT將來自四個箔溫度傳感器的輸入信號放大并轉換為12位可讀數據，在程序中占用8個I/O點；Fx2N-2DA用于將12位的數字值轉換成2點模擬電壓輸出和電流輸出并將它們輸入到PLC中，在程序中占用8個I/O點。

2 各接口電路的設計

PLC光柵刻劃機控制系統主要包括：1)以斷路器和繼電器為主的開關保護電路；2)PLC與伺服驅動器間的接口電路；3)PLC與光柵反饋裝置間的接口電路；4)PLC和溫控設備間的接口電路等接口電路，在此僅前給出前個接口電路的設計。

2.1 開關保護電路

控制系統設置了常開與常閉兩個控制按鈕以對開關保護電路中的繼電器、斷路器及接觸器等進行控制操作。開關保護電路的繼電器選用OMRON-MY4J-24V-DC型直流繼電器、斷路器選用MerlinGerin-Multi9-C65N-C2型交流斷路器與MerlinGerin-Easy9-C6-EA9A N1C6型直流斷路器、接觸器則選用Telemecanique-LC1-D0910型交流接觸器。

總開關控制電路如圖3所示，其工作過程為：220V交流上電并閉合交流斷路器，按下常開按鈕的瞬間，繼電器線圈通電后三組觸點（端子2和3、5和6及8和9）閉合，觸點2輸出24V直流電通過常閉按鈕給繼電器線圈供電，電路保持連通繼電器工作，然后觸點5輸出24V直流電供給伺服驅動器的開關控制系統，觸點8則輸出220V交流電給PLC供電。

圖3 總開關控制電路圖

2.2 PLC和伺服驅動器的接口電路

控制系統選用三菱MR-J2S-40A型伺服驅動器，其硬件接口電路如圖4所示。伺服驅動器的主電路和控制電路分開供電，其中PLC的輸出公共端子與伺服驅動器CN1A接口的公共端相連，PLC的輸出端子Y1、Y5分別與CN1A的脈沖控制端子PP和NP相接以控制電機的正反轉，PLC的輸出端子Y3與CN1A的速度選擇端子SP1相接以判斷電機是否處于速度控制模式，CN1A的OPC端子和COM端子短接以提供驅動器內部使用的低壓電源。伺服驅動器輸出三相電源驅動伺服電機，伺服電機同軸編碼器通過雙絞屏蔽電纜把反饋信號傳遞到伺服驅動器的CN2接口，形成伺服系統的閉環控制。

圖4 PLC和伺服驅動器的接口電路

2.3 PLC和光柵反饋裝置之間的接口電路

光柵刻劃機控制系統的光柵尺為Renishaw反射式金屬光柵尺，初始分辨率為20μm，經過200細分后，反饋系統的最終分辨率為100nm。讀數頭經細分后輸出A、B二相正交、占空比為50%的5V方波信號，而PLC能接收的信號的電壓為24V，因此設計了脈沖接口模塊（圖5）將5V電壓信號轉換為24V電壓信號供PLC計數。

3 遠程監控系統實現

光柵刻劃是相當漫長的過程，這就要求光柵刻劃機的控制操作應盡可能的簡單友好，傳統的PLC人機界面已無法實現高效率的光柵制造。基于圖形化的LabVIEW平臺設計光柵機遠程監控系統，通過PC終端軟件即可完成實時刻劃數據顯示、數據查詢、數據分析及數據庫建立等操作，這樣不僅可使光柵刻劃機的刻劃過程更為直觀易懂，而且還能及時發現光柵刻劃過程中的異常情況，提高光柵刻劃過程的可靠性和光柵刻劃機的刻劃效率。

3.1 PC與PLC間的通信

計算機與PLC間采用主從方式進行通信，即以計算機為主機而PLC作為從機，一個網絡中只能有一臺主機，從機收到主機的讀寫命令之后才能發送數據。就小型控制系統而言，為盡可能的降低系統成本，常利用FX1N系列PLC編程口實現上位機PC與PLC通信。PLC編程口的基本功能是向PLC的用戶程序區寫入程序和進行程序的在線調試，其完全具備監控通信接口的功能，并具備讀、寫、置位及復位PLC內部軟元件的能力。控制系統的PLC程序調試成功之后，編程口就基本上閑置，因此采用PLC的編程口進行通信操作。

表1 通信指令

圖5 脈沖接口模塊電路圖

光柵刻劃機遠程監控系統的PC通過RS-232通信端口，經信號轉換后直接與PLC的編程口連接。不同于有通信軟件的接口不同，FX1N系列PLC編程口不能使用匯編級的通信指令和符號化的地址，而只能用表1所示的4條指令，并且在編程中必須將這4條指令以16進制機器碼的形式來表示。

3.2 監控系統程序設計

LabVIEW是美國NI（National Instrument）公司開發的圖形化編程語言開發環境，其具有高效、靈活及面向對象等優點，它集成了GPIB、VXI、RS-232和RS-485協議的硬件及數據采集卡通訊的全部功能，還內置了便于應用TCP/IP、ActiveX等軟件標準的庫函數，運用虛擬儀器軟件LabVIEW可以很方便實現基于PLC的遠程在線實時監控系統。

圖6 實時監控界面

通過LabVIEW編程實現PLC控制系統的監控界面，不僅可以顯示被控對象的實時數據曲線，而且還可通過PLC的編程口進行被控對象參數設置?；贚abVIEW平臺構建的光柵刻劃機遠程監控系統界面如圖6所示，通過監控系統不僅可以觀察光柵刻劃過程的實時溫度等參數變化情況，還允許用戶根據需要對光柵刻劃機的工作模式和參數進行設定。

4 結束語

光柵刻劃機作為衍射光柵最重要的制作手段，其具有高精度的控制系統是制作高品質母光柵的必要條件。以PLC為控制核心，本文設計并實現了以伺服電機和溫度模塊為執行元件的光柵刻劃機控制系統，完成了硬件PLC的選型并對其中的主要硬件接口電路進行了設計；最后還基于圖形化的LabVIEW編程軟件編輯了光柵刻劃機的遠程監控系統，實現了對光柵刻劃過程的遠程監控，可極大地提高光柵刻劃機的刻劃效率。

[1]劉棟材,李端發,練國富,等.光柵刻劃機的建模與仿真方法研究[J].計算機工程,2012,38(4):31-34.

[2]蔡錦達,王英,顏廷萌,等.衍射光柵刻劃機的閉環控制系統[J].光學精密工程,2012,20(11):2416-2423.

[3]申遠,王怡影,竺長安,等.光柵刻劃機超精密定位系統定位控制研究[J].中國科學技術大學學報,2014.44(2):165-170.