多電機并行控制系統方案設計

山東交通學院信息科學與電氣工程學院 劉志遠 胡冠山

隨著工業技術的不斷發展，步進電機的協同控制應用越來越廣泛，在實際的應用中，單臺步進電機的使用已經無法滿足工業生產需求，大多數的機械設備都需要多臺電機的協同控制。常規PLC最多只有四個高速脈沖通道，只能帶動四臺步進電機運轉，而在工廠中，需要掛載多臺控制器來實現對多臺電機的控制，以滿足工業生產需求。對于協同控制的研究，本文研發設計了一種基于PLC控制的多臺電機并行控制系統，通過RS485通訊方式控制電機，解決常規PLC因高速脈沖輸出通道不足所造成的無法帶動多臺步進電機的問題，減小了多臺控制器所帶來的接線困難、編程復雜問題，提高了運行效率，減小了投入的成本。

1 總體方案設計

如圖1所示，本系統由PLC、步進電機、電機驅動器、RS485通訊模塊、HMI觸摸屏組成。PLC作為主控單元與HMI觸摸屏通過TCP/IP建立通訊，HMI觸摸屏可以實現命令的下發和數據的監控功能。自己設計的RS485通訊模塊與電機驅動器的脈沖、方向和公共端口相連，PLC與各個RS485通訊模塊通過RS485通訊方式并聯連接，通過PLC讀取RS485通訊模塊的寄存器地址，完成對電機驅動器的控制，最終實現對多臺步進電機位置、速度、方向等參數的并行控制。

圖1 系統整體結構圖

2 硬件系統設計

2.1 PLC模塊

PLC模塊選用的是自主研發的產品，主控芯片選用STM32F103，除了常用的數字量輸入輸出端口、模擬量輸入輸出端口等功能，還包括1路隔離RS485通訊接口，支持Modbus-RTU協議，包括一路10/100M以太網接口，支持TCP-Modbus協議。設計的PLC內部結構如圖2所示。

圖2 PLC內部結構圖

2.2 HMI觸摸屏

HMI觸摸屏選用的是步科的GT070E觸摸屏，支持串口通訊和網口通訊，且支持MQTT協議，可以將數據上傳至云服務器，方便以后的開發。本設計將HMI的以太網接口與PLC的以太網接口相連，二者通過TCP/IP協議建立通訊，HMI可以通過讀取和寫入數據到PLC的寄存器地址，來實現對PLC內部數據的實時監控和命令的下發。HMI觸摸屏與PLC的連接方式如圖3所示。

圖3 HMI與PLC連接示意圖

2.3 RS485通訊模塊

本系統采用RS485的通訊方式來驅動多臺步進電機，節省了主控單元的數量。由于部分步進電機驅動器不支持RS485的通訊方式，PLC無法直接通過Modbus-RTU協議來控制步進電機，所以設計了RS485通訊模塊，來配合步進電機驅動器的使用。PLC通過RS485與通訊模塊建立通信，通過控制RS485通訊模塊的脈沖、方向來實現對步進電機的速度、轉向、位置等信息的控制。為每個步進電機都配備一個RS485通訊模塊，并聯在PLC的RS485通訊接口上，實現多臺步進電機的并行控制。RS485通訊模塊與步進電機驅動器的連接方式如圖4所示。

圖4 RS485通訊模塊與電機驅動器連接示意圖

3 軟件系統設計

3.1 程序邏輯

PLC通電后，首先建立MODBUS組態，將PLC設為主站，波特率設置為115200，并且以輪詢的方式讀取和寫入數據到各個從站，從站地址可在RS485通訊模塊上設置。同時，初始化電機的參數并開始運行，也可以通過HIM觸摸屏修改各個電機的位置、速度、方向等參數，將參數下發給PLC后，程序開始執行。最終通過RS485通信的方式來實現多臺電機的并行控制。程序流程如圖5所示。

圖5 程序流程圖

3.2 人機界面設計

3.2.1 電機監控界面

電機監控界面如圖6所示，實時監控電機的站號、維護時間和運行時間。

圖6 電機監控界面

3.2.2 電機調試界面

電機調試界面如圖7所示，本設計對七臺步進電機進行了測試，分別對應電機1到電機7，并設置了急停、參數下發、回原點和運行測試的功能，并且可以實時修改步進電機的站號、位置、速度和方向參數。

圖7 電機調試界面

結論：本文設計了基于PLC的多臺步進電機并行控制系統，通過RS485通訊模塊實現對多臺電機的協同控制，相比于直接通過PLC的高速脈沖端口控制多臺步進電機的方法，RS485通信的方式更能體現出并行控制的優勢，節省了大量的控制端口，運行效率更高。