基于PLC與工業機器人的電機變頻調速系統*

張景生，靳 宏，毛麗鳳

（廣東職業技術學院，廣東 佛山528041）

隨著中國制造2025計劃的不斷推進，工業機器人已經應用于很多傳統的制造業中。工業機器人經常與PLC一起構成一個完整的自動化系統。本文將開發一種用于工業機器人控制的電機變頻調速系統，工業機器人作為控制器，通過DeviceNet現場總線與PLC進行信號交互，PLC作為“中間站”將機器人的命令傳送給各個變頻器，從而實現機器人分別控制多臺電機轉速，滿足一些工業生產的應用，如五金行業或鑄造行業的表面處理和打磨去毛刺的應用等。

1 總體方案設計

控制系統設計的整體框圖如圖1所示，系統的主要構成包括：歐姆龍CP1H系列PLC，2臺ABB IRB120工業機器人，DeviceNet通訊模塊和4臺匯川MD310系列變頻器等。PLC作為DeviceNet現場總線網絡的主站，機器人作為從站，通過DeviceNet現場總線網絡與PLC進行信號和數據的交互，把電機調速的要求傳送到PLC中。DeviceNet基于Can總線協議的低成本、高效率、高可靠性的設備級總線，可以直接將現場設備與上層控制設備相連。同時，PLC利用RS485通信遠程控制多個變頻器從站，變頻器通過改變電機工作電源頻率方式來控制交流電動機的無級調速。

圖1 系統硬件框圖

CP1H PLC內置4軸定位功能，最多擴展7個單元，程序容量20K步，CPU右側配置CJ單元適配器CP1WEXT01來連接CJ系列的DeviceNet模組CJ1W-DRM21，最多能連接63個DeviceNet節點設備。CPU搭載選項板CP1W-ClF11，作用是提供RS485的通信接口，來連接多臺變頻器。MD310系列變頻器是一款通用緊縮型多功能變頻器，采用開環矢量和V/F控制方式，以高性能的電流矢量控制技術可實現異步電機控制，自帶485通訊口。

2 系統軟件設計

2.1 DeviceNet網絡組態

為實現DeviceNet網絡控制，機器人要使用DeviceNet總線，首先機器人需要預裝選項709-1 DeviceNet Master/Slave或840-4 DeviceNet Anybus Slave。709-1選項需要硬件支持對應的板卡型號為DSQC 1006，該板卡支持機器人同時作為Master（主站）和Slave（從站）。打開示教器，選擇手動模式，進入控制面板-配置-IO-Industrial Network-DeviceNet如圖2所示，分別編輯兩臺機器人通信地址13和23，通信速率為500kbps。再點擊DN_Internal_Device如圖3所示，編輯機器人通信的輸入輸出數據大小為20字節。

圖2 Industrial Network-DeviceNet

圖3 DN_Internal_Device

然后通過CJ1W-DRM21的撥碼開關，將PLC站號設為1，通信速率和機器人一樣。通過在軟件CX-Integrator安裝機器人的EDS文件，自動搜索DeviceNet從站后，分配每個從站的I/O映射為20個字節，如圖4所示，即PLC的3200-3209為13#機器人的輸入信號，3300-3309為13#機器人的輸出信號，3210-3219為23#機器人的輸入信號，3310-3319為23#機器人的輸出信號。

圖4 DeviceNet網絡組態

2.2 變頻器RS485通信

將變頻器的485+和485-的端子分別接到PLC選項板CP1W-ClF11的SDB+和SDA-。然后通過變頻器面板設置變頻器參數如表1：

表1 變頻器參數

2.3 PLC控制程序設計

首先對變頻器的通信格式說明，03：讀從機參數；06：寫從機參數；變頻器頻率通信設定地址為1000H，讀取運行頻率地址為1001H。命令字地址為2000H，對其寫入0001為正轉運行，0002為反轉運行，0005為停機。

PLC一側的通信，首先設置選項板CP1W-ClF11的通信參數如圖5所示。歐姆龍CP1H的Modbus-RTU用DM區固定分配，這里使用串口2進行通信時，命令幀的地址范圍是D32300~D32349，從站地址放到D32300的低8位地址，功能碼放到D32301的低8位地址，通信數據字節數放到D32302，由后面的通信數據決定，通信數據放到D32303~D32349。CRC校驗碼不需計算，由PLC自動計算。響應幀的地址范圍是D32350~D32399，D32350的低8位為從站地址，D32354~D32355為應答內容。

圖5 PLC的通信參數

每臺機器人都在DeviceNet網絡下創建2個組信號，占16位，分別控制2臺變頻器的頻率。例如13#機器人的GO0（33位-48位）表示1#變頻器頻率，由DeviceNet總線傳送到PLC的3302，PLC通過Modbus發送到1#變頻器。PLC讀取變頻器的運行頻率存放到D32354~D32355，當前運行頻率為D32354低字節和D32355高字節的組合字。A640為串口2通信的狀態字，當A640.0為1時，執行一次通信讀或者寫。故PLC通過輪詢的方式實現對4臺變頻器的通信（見圖6）。

圖6 部分PLC程序

3 結束語

基于PLC與工業機器人的電機變頻調速系統，采用DeviceNet總線和Modus通信，構建機器人-電機控制系統，設備接線簡單，性價比高，通用性強，可用于機器人打磨、拋光、去毛刺等應用場合。整個網絡的設備可以靈活組態，使得DeviceNet網絡中的任一機器人，都能快速對網絡中電機進行遠程變頻調速控制。