使用軟PLC控制伺服定位功能的研究

高健

摘要：本文介紹了軟PLC控制伺服定位功能在工程項目中的應用，軟PLC通過EHERCAT工業(yè)總線與伺服系統(tǒng)通信，通過發(fā)送報文方式控制伺服系統(tǒng)，并針對松下伺服編制了特定的程序功能塊和操作界面，改進了定位完成信號，使得軟PLC控制伺服定位功能在工程項目中得以應用。

關鍵詞：軟PLC；EHERCAT工業(yè)總線；松下伺服；控制字；狀態(tài)字

中圖分類號：TM921.541 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2018）02-0020-03

1 軟PLC簡介

電控系統(tǒng)中使用的PLC分為硬PLC和軟PLC兩大類。硬PLC是指由硬件電路或者專用的ASIC芯片來實現PLC的控制功能。而軟PLC（SoftPLC）是使用PC機或嵌入式控制器作為硬件支撐平臺，利用軟件實現硬PLC的基本功能，即將PLC的控制功能封裝在軟件內，運行于PC機或嵌入式控制器的中。隨著當前計算機技術的快速發(fā)展，硬PLC的通用性及兼容性差等弊端愈來愈明顯，很多復雜的邏輯或算法用簡單的PLC編程語言難以實現，因而國際電工委員會于在IEC61131-3的標準中提到，充分利用工業(yè)控制計算機（IPC）或嵌入式控制器（EPC）的硬件資源，用軟件來實現硬PLC的功能，這就是軟PLC技術。軟件PLC綜合了計算機和PLC的開關量控制、模擬量控制、數學運算、數值處理、網絡通信、PID調節(jié)等功能，通過一個多任務控制內核，提供強大的指令集、快速而準確的掃描周期、可靠的操作和可連接各種I/O系統(tǒng)及網絡的開放式結構。

2 軟PLC控制伺服定位功能在生產線中的應用

2.1 控制系統(tǒng)組成

某石英石深加工廠的智能生產線控制系統(tǒng)采用CODESYS軟PLC作為控制器，將其安裝于工控機內，采用ETHERCAT工業(yè)總線，控制遠程IO站和伺服控制單元。典型的控制設備為切割機，本設備類似于三軸桁架，其中X軸為龍門結構，雙伺服電機驅動；Y軸為單伺服電機驅動；Z軸為升降軸，單伺服電機驅動。伺服控制單元采用松下A5系列，具有ETHERCAT工業(yè)總線接口。松下A5系列伺服具有性價比高、快速響應、實時自動增益調整、高防護等級等優(yōu)點。控制系統(tǒng)結構圖如圖1所示。

2.2 報文說明

在控制切割機某軸運動時需要進行位置控制，位置控制方式為PP（Profile position即規(guī)劃位置控制方式），在進行位置控制前，首先要將伺服系統(tǒng)上電和操作使能，此時用到的報文為控制字（6040h）和狀態(tài)字（6041h）。控制字（6040h）報文格式如表1所示：

各字母含義如：so：switch on（合閘）；ev：enable voltage（電壓使能）；qs：quick stop（快停）；eo：enable operation（操作使能）；nsp：new set-point（新設定點下發(fā)）；csi：change set immediately（此功能不支持）；ab/r：absolute/relative（絕對定位/相對定位）；fr：fault reset（故障復位）；h：halt（暫停）；cosp：change-on set-point（此功能不支持）；r：reserved（保留）.

狀態(tài)字（6041h）報文格式如表2所示：

各字母含義如：rtso：ready to switch on（合閘準備好）；so：switched on（已合閘）；

oe：operation enable（操作已使能）；f：fault（故障）；ve：voltage enabled（電壓已使能）；qs：quick stop（快停）；sod：switch on disabled（合閘禁止）；w：warning（報警）；r：reserved（保留）；rm：remote（遠程）；tr：target reached（目標到達）；ila：internal limit active（內部限位激活）；spack：set-point acknowledge（設定點確認）；fe：following error（跟蹤故障）.

2.3 軟PLC控制伺服程序流程

軟PLC控制系統(tǒng)對控制字進行設定操作，引起狀態(tài)字的變更，控制系統(tǒng)讀取伺服驅動器狀態(tài)并確認狀態(tài)轉換已經完成后，再次進行控制字的設定，通過這種方式控制伺服驅動器。圖2為控制伺服上電、使能的控制流程圖。具體操作順序為：首先將伺服控制器上電，設定控制字6040h=0006h，伺服狀態(tài)由switch on disabled轉變?yōu)閞eady to switch on，狀態(tài)字1（6041h）從xx40h轉變?yōu)閤x21h；然后設定控制字 6040h=0007h，伺服狀態(tài)由ready to switch on轉變?yōu)閟witched on，狀態(tài)字1（6041h）從xx21h轉變?yōu)閤x23h；接著設定控制字6040h=000Fh，伺服狀態(tài)由switched on轉變?yōu)閑nable operation，狀態(tài)字1（6041h）從xx23h轉變?yōu)閤x27h。此時伺服系統(tǒng)上電、操作使能完成，可以進行位置控制了。

PP模式位置控制時，將控制字1（6040h）bit6 （absolute/relative）置1，選擇絕對定位方式；然后將控制字607Ah設置好要到達的目標位置；接著將控制字1（6040h）的bit4 （new set-point）置1，伺服控制器將接收新設定目標位置，伺服控制器接收后開始控制電機進行運動，并將狀態(tài)字1（6041h）bit12（set-point acknowledge）置1，表示已經接收新的目標設定；此時需將將控制字1（6040h）bit4置0，隨之狀態(tài)字1（6041h）bit12自動變0；待伺服電機運動至目標設定位置后，狀態(tài)字1（6041h）bit10（target reached）置1，代表絕對位置運動完成。除了上文中提到的控制字607Ah外，位置運動時還需要設置如下控制字，并反饋如下狀態(tài)字表3所示：

2.4 控制程序功能塊的開發(fā)

針對以上報文控制字、狀態(tài)字的意義，依照松下伺服控制流程圖，我們用codesys軟件中的ST語言編制了伺服控制功能塊servon，并為此功能塊開發(fā)了操作單元界面，如圖3所示。每套松下伺服都可通過一個功能塊和與其對應的單元操作界面進行操作。

2.5 位置定位控制應用中實際問題的解決

如果伺服電機編碼器為增量式編碼器，在執(zhí)行PP位置模式前需要進行尋零點（HOME）操作。在實際應用中，當執(zhí)行PP模式定位操作時，設定目標值下發(fā)后伺服電機開始運動，在運動過程中觸發(fā)伺服暫停時，伺服位置到達信號就會置1，而此時伺服電機并未運行到設定的目標位置。這種情況在我用過的幾個伺服品牌中都存在，為了解決這個問題，我們不直接使用狀態(tài)字1中bit10的target reached信號作為位置到達判斷，而是判斷設定位置值和實際位置值的差值是否在允許的誤差范圍內，再綜合target reached信號來產生伺服位置定位完成信號。

3 結語

綜上所述，我們使用軟PLC編制伺服控制程序塊和控制界面，可以控制松下伺服驅動器上電、操作使能，并執(zhí)行PP位置模式位置定位，并且改進了定位完成信號，使其能滿足實際生產要求。現可實現的控制方式包括三軸桁架，多軸插補等，且使用軟PLC通過Ethercat總線驅動松下伺服控制器的經濟性要比單獨使用其他品牌PLC和伺服系統(tǒng)要有很大優(yōu)勢。