物料清洗裝置控制系統(tǒng)設(shè)計*

楊 晨，蔡靖鍇，李 偉

（鄭州科技學(xué)院機械工程學(xué)院， 鄭州 450064）

0 引言

隨著機械自動化程度的提高以及工業(yè)的飛速發(fā)展，在現(xiàn)今的實際生產(chǎn)中，自動清洗裝置的配備大大縮短了清洗系統(tǒng)的時間[1]，提高了生產(chǎn)效率，降低了人的勞動強度，且利于實現(xiàn)生產(chǎn)的完全自動化。在現(xiàn)有的清洗裝置設(shè)備中，終端保護設(shè)備主機與顯示部分采用RS485 通信方式，主機和顯示器由兩個完全獨立的CPU 控制，互不影響。有的廠家采用主機一個CPU 控制顯示部分，因顯示部分與主機分體安裝，控制數(shù)據(jù)總線及微機工作電源DC5V要外引，外界電磁干擾很容易串?dāng)_到CPU 的數(shù)據(jù)總線及微機工作電源DC5V 上，從而導(dǎo)致保護因電磁干擾而誤動作[2]。

CAN(Controller Area Network)是控制器局域網(wǎng)絡(luò)的簡稱[3]，屬于現(xiàn)場總線的范疇，是國際上應(yīng)用較廣泛的現(xiàn)場總線一種有效支持分布式控制或事實控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)。較之目前RS-485基于R線構(gòu)建的分布式控制系統(tǒng)而言，基于CAN總線的分布式控制系統(tǒng)具有突出的靈活性、可靠性以及實時性[4]。其在現(xiàn)代工業(yè)控制領(lǐng)域中有著巨大的作用，對實現(xiàn)綜合自動化具有重要意義。

本文在實際自動化生產(chǎn)線中，提出基于PLC 的物料清洗裝置控制系統(tǒng)設(shè)計，使用匯川H3U 系列PLC 通過CANlink 總線的方式配線，對現(xiàn)有的物料清洗裝置控制系統(tǒng)做了進一步的改進和優(yōu)化。

本文的研究目標(biāo)是采用CANlink 總線技術(shù)，對伺服驅(qū)動器參數(shù)進行設(shè)置，實現(xiàn)合理的伺服定位控制，PLC 將外部輸入信號和控制輸出信號結(jié)合設(shè)計的流程圖進行程序邏輯編程，實現(xiàn)設(shè)備物料自動清洗控制功能。

1 物料清洗裝置的結(jié)構(gòu)

物料清洗裝置主要由PLC、CAN 總線、伺服驅(qū)動器、氣動手爪、回轉(zhuǎn)氣缸等組成，伺服電機通過IS620P 系列伺服驅(qū)動器控制大機械手的直線往復(fù)運動，其他各元件的動作由氣缸來控制，按照控制要求依次完成相應(yīng)的動作。物料清洗裝置的結(jié)構(gòu)如圖1所示。主要的運動部件由大機械手、小機械手和凸臺組成。

圖1 物料清洗裝置結(jié)構(gòu)

2 CAN總線的控制方式

該系統(tǒng)所使用的PLC 為匯川H3U 系列，其通過CANlink總線對IS620P 系列伺服驅(qū)動器進行控制，從而實現(xiàn)對伺服電機的控制，進一步帶動絲杠的運動來實現(xiàn)對設(shè)備的運動控制功能。CAN總線的控制方式如圖2所示。

圖2 CANlink總線的控制方式

2.1 伺服驅(qū)動器參數(shù)設(shè)置

該系統(tǒng)采用IS620P 系列伺服驅(qū)動器進行控制伺服電機可使控制速度，位置精度非常準(zhǔn)確，可以將電壓信號轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速以驅(qū)動控制對象。伺服電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速受輸入信號控制，并能快速反應(yīng)，在自動控制系統(tǒng)中，用作執(zhí)行元件，且具有機電時間常數(shù)小、線性度高、始動電壓等特性，可把所收到的電信號轉(zhuǎn)換成電動機軸上的角位移或角速度輸出。采用伺服定位的控制技術(shù)，精度高，性能好，通過對伺服的合理應(yīng)用使得設(shè)備控制技術(shù)自動化[5]。

為了能夠使IS620P 系列伺服驅(qū)動器準(zhǔn)確地接入CANopen現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)，需要對IS620P 系列伺服驅(qū)動器的相關(guān)功能碼進行設(shè)置，將H02.00設(shè)置為8（CANopen模式），建立與CAN總線之間的通信，將H0C.00設(shè)置為1（伺服軸地址編號），定義了伺服驅(qū)動器控制軸的地址編號為1號，將H0C.08設(shè)置為5（波特率為500k）。

2.2 CAN總線撥碼開關(guān)設(shè)置

CAN 總線是國際上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場總線之一。最早是由德國Bosch公司推出，用于汽車內(nèi)部測量與執(zhí)行部件之間的數(shù)據(jù)通信協(xié)議[6]。CAN總線的應(yīng)用范圍遍及從高速網(wǎng)絡(luò)到低成本的多線路網(wǎng)絡(luò)，廣泛應(yīng)用于控制系統(tǒng)中的各檢測和執(zhí)行機構(gòu)之間的數(shù)據(jù)通信。

CAN 總線的撥碼開關(guān)共8 位，其中第8 位表示匹配電阻，ON代表接入120 Ω 的終端匹配電阻，OFF代表不接終端匹配電阻，根據(jù)本系統(tǒng)所使用的驅(qū)動器終端匹配電阻120 Ω ，因此將撥碼開關(guān)的8號位撥到ON位。

CAN總線的撥碼開關(guān)第7位表示波特率，ON代表低速模式，波特率100 kbit/s，OFF代表高速模式，波特率500 kbit/s，根據(jù)IS620P系列伺服驅(qū)動器所默認(rèn)的500 kbit/s波特率，因此將7號開關(guān)撥到OFF位，才能與驅(qū)動器達成通信。

其余幾位撥碼開關(guān)按照A6 A5 A4 A3 A2 A1的方式進行組合[7]，此6位撥碼開關(guān)由高到低組成一個六位二進制數(shù)，用于識別本機站號，其中ON代表1，OFF代表0，本系統(tǒng)中使用的PLC 站號為#1，因此將其轉(zhuǎn)化為二進制即為000001，所以在使用過程中需將撥碼開關(guān)1號開關(guān)置為1，即將撥碼開關(guān)撥到ON 位，其余撥碼開關(guān)設(shè)置為0，即將撥碼開關(guān)撥到OFF 位。CAN總線撥碼開關(guān)如圖3所示。

圖3 CAN總線撥碼開關(guān)

3 系統(tǒng)控制流程圖設(shè)計

該設(shè)備需完成對物料的清洗工作，先了解該設(shè)備的生產(chǎn)加工工藝，再根據(jù)系統(tǒng)的控制要求，分析物料清洗的生產(chǎn)加工過程[8]，制定物料清洗裝置的控制流程圖，如圖4所示。

圖4 物料清洗裝置控制流程

該物料清洗裝置的機械動作是按照時間的先后次序，遵循一定規(guī)律進行的。針對這樣順序控制，匯川H3U 系列PLC指令系統(tǒng)中有兩條步進指令，利用步進指令可以將一個復(fù)雜的工作流程分解為若干較簡單的工步，對每個工步的編程相對容易[9]，因此，編程效率較高。

該流程圖反映出物料清洗裝置的工作過程，該系統(tǒng)采用可編程控制器的步進指令及狀態(tài)編程法來編程，整個流程分為14個工步。

首先根據(jù)流程圖的控制順序，對物料清洗裝置PLC的I/O端口進行分配，其端口分配表如表1所示。

然后按照I/O端口分配表，將上述的控制流程圖改寫成狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖，將物料清洗裝置流程圖的工步更換為PLC 中的狀態(tài)繼電器S，就得到了狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖，如圖5所示。

圖5 物料清洗裝置狀態(tài)轉(zhuǎn)移

4 結(jié)束語

通過采用匯川H3U系列PLC，利用CANlink總線的方式配線，設(shè)計了一套有關(guān)物料清洗裝置的控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)利用PLC 的控制原理和自動控制基礎(chǔ)，同時通過電機拖動技術(shù)和伺服驅(qū)動技術(shù)來達到整個定位控制的方式和與原理。采用CAN總線的控制方法實現(xiàn)了對驅(qū)動器的控制，從而達到了對伺服電機的運動控制。該系統(tǒng)是按照時間的先后次序且遵循一定規(guī)律的典型順序控制系統(tǒng)，采用了可編程控制器的步進指令及狀態(tài)編程法來編程，并不斷地對設(shè)備進行調(diào)試和改進PLC 程序，最終完成了對該物料清洗裝置控制系統(tǒng)的設(shè)計并實現(xiàn)其功能，該控制系統(tǒng)為自動化生產(chǎn)線提供了可行的解決方案，縮短了工作時間，提高了工作效率，大大降低了勞動成本，也為其他自動化生產(chǎn)線的PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計提供了理論基礎(chǔ)，對實現(xiàn)自動化生產(chǎn)具有重要意義。