基于PLC和變頻器的位置控制系統

靳永周

摘 要：文章介紹了以三菱Q系列PLC控制器為平臺，使用SEW MOVIDRIVE變頻器、三菱GOT觸摸屏，通過PROFIBUS開放式現場總線技術構成的高精度變頻位置控制系統在汽車焊裝車間車身輸送線的應用。

關鍵詞：PLC；變頻控制；旋轉變壓器；

引言

目前，變頻器調速控制系統已廣泛應用于汽車、機械、化工等各個行業。作為變頻調速系統中的控制核心部分的變頻控制器，最初通過變頻器的控制面板或端子進行運行參數的設置，啟動或停止變頻器運行。而目前各種大中型自動化生產線則多要求由PLC、變頻器等組成的閉環控制系統等復雜的控制，并且要方便設置系統運行參數、運行速度等，形成連續柔性生產線的調速控制系統。

擺桿式往復輸送線是我公司在汽車廠白車身焊接總成件裝焊生產中采用的一種輸送機構。這是一種能與焊裝夾具及焊接機器人系統配套使用的對自動化程度要求較高的一種輸送線，尤其對車身的精確位置控制方面有較高要求。本系統采用了三菱Q系列高性能PLC，通過PROFIBUS現場總線技術，對內置IPOS定位控制模塊的SEW-MDX61B變頻器進行控制，驅動以旋轉變壓器作為位置反饋元件的伺服電機，構成了閉環的速度和位置控制系統。 此系統還應用了GOT系列HMI監控設備，不僅能對輸送線進行實時狀態監視，還可以通過HMI監控設備修改系統的各個參數。

1 工藝原理及要求

擺桿式往復輸送線的工作原理是輸送線整體抬升將車身工件抬離焊接夾具， 輸送線前進將工件輸送至下一工位， 輸送線整體下降將工件放置在焊接夾具上， 輸送線后退返回原工位。在車身焊接生產過程中對車身及設備的位置精度控制要求較高，因此控制系統需要采用閉環控制系統來實現。輸送線驅動電機采用了SEW斜齒輪減速電機，以旋轉變壓器作為角度、速度反饋元件，與變頻器一起構成閉環控制系統。

2 系統硬件及系統構成

整個控制系統主要由以下幾個部分構成：

（1）采用三菱Q系列PLC作為基本單元，執行系統和用戶程序，是設備層的核心。（2）PLC側配置QJ71PB92V總線模塊。該模塊的主要作用是在系統中作為主站發給變頻器信息，并接收和發送現場輸入輸出信號。（3）SEW MOVIDRIVE變頻器安裝DFP21B總線通訊卡，通過該單元能夠在網絡上實現變頻調速器的運行控制（如啟動、停止、運行頻率設定）、參數設定和狀態監控等功能，是變頻器的網絡接口。（4）SEW MOVIDRIVE變頻器安裝DER11B旋轉變壓器反饋卡。輸送電機內部旋轉變壓器信號接入DER11B選項卡內，旋轉變壓器作為位置速度傳感器。（5）采用GOT系列觸摸屏為整個系統的操作設置顯示單元。在HMI上可以通過不同畫面將設備狀態，以及全機故障查詢、設備參數等一一顯示出來，實時監控全機的工作狀態。除了顯示功能外，還可以根據現場的情況，通過HMI設置和修改系統內部的一些需要用戶設定的參數，如前進、后退位置設置，速度，加減速時間的設置。（圖1）

3 變頻器與PLC通訊數據結構

本系統采用PROFIBUS總線協議作為現場監控和操作協議。在總線網絡里有一個主站模塊QJ71PB92V，它以主從方式構成工業監控網，可接入多個從站，各站點由唯一的地址碼識別。這樣 PLC便能通過PROFIBUS總線，對網絡上的所有設備進行控制操作。MDX61B變頻器安裝DFP21B總線通訊卡，采用PROFIBUS總線技術，波特率最高可達12Mbps，本系統采用了500Kbps；數據格式為6Word-IN、6Word-OUT。

根據表1、表2，由PLC可以控制變頻器的起/停、故障檢測、故障復位，進行速度、加減速時間和目的位置的控制。

4 軟件設計

本系統的軟件設計共包含兩部分內容：PLC側的程序設計和變頻器側的程序設計。

在PLC一側，我們采用常用的梯形圖設計程序。此方式更適合電氣工程師的操作習慣。在這部分程序里，主要包含現場各種開關信號的采集處理，設備的動作控制程序，變頻器的各種參數控制程序，根據變頻器反饋信號將其處理后與GOT觸摸屏系統一起顯示設備狀態和各種參數等等。

下面主要介紹利用變頻器內置IPOS定位控制模塊進行IPOS控制程序的設計。

編寫變頻器內部程序，可以通過C語言（如圖2所示）或匯編語言進行編譯和調試。通過IPOS程序，可以實現對電機運行進行精確定位，并實時后臺傳遞系統間的重要信息。IPOS編程是個開放式的平臺，它以其靈活的控制方式、快捷實時性更強的內部處理和上位 PLC共同構成一個控制系統，并且分擔了PLC的很多程序處理，實時、高效地完成對于輸送系統的控制。

在IPOS程序中，我們需要對總線參數進行配置，此參數必須和總線模塊中變頻器參數匹配一致才能保證兩者之間正常通訊。然后由IPOS程序讀取變頻器的位置和狀態等信息，PLC根據變頻器信息和輸送線的其他狀態，對變頻器發出控制指令和目的位置等，IPOS程序根據接收到的指令由控制芯片自動控制變頻器的輸出。

5 結束語

經實際應用，由PLC，MDX61B變頻器和旋轉變壓器組成閉環控制系統，采用PROFIBUS開放式總線組成的控制方案是一種理想的控制方式，它有很多值得借鑒的優點：

（1）采用總線通訊控制變頻器，具有硬件邏輯簡單、控制方式靈活、抗干擾能力強的特點。（2）采用變頻器內置IPOS定位控制模塊，動態響應快，運行精度高，性能可靠。（3）系統動態響應速度快，保證了系統安全穩定長期運行。可以方便進行設備產能提升，能夠極大的提高系統的匹配能力。

參考文獻

[1]SEW-EURODRIVE GmbH & Co KG，MOVIDRIVE MDX60B/61B 系統手冊[Z].2006.

[2]三菱電機自動化（上海）有限公司.GX Developer Version 8操作手冊[Z].2005.