基于PLC的绕线打把机自动控制系统设计.pdf

第 2期 总第 1 5 9 期 2 0 1 0年 4月 机 械工 程 与自 动 化 MECHAN1 CAI ENGI NEERI NG AUTOM ATI oN No． 2 Apr ． 文章编号 1 6 7 2 6 4 1 3 2 0 1 0 0 2 0 1 6 8 0 3 基于 P L C的绕线打把机 自动控制系统设计 刘晓 强 南京信 息职 业技术学院 ，江苏 南京 2 1 0 0 4 6 摘 要 对绕线打把机的 自动控制 系统进行 了设计。阐述 了步进 电机的工作原理、特 点、控制方法 ，给出了自动 绕线打靶机控制 系统 的设计过程，以及各 步进 电动机驱动控制的实现方法。 关键词 绕线机 ；控制系统；P L C 中图分类号 T P 2 7 3 文献标识码 A 1 P L C及步 进 电机的选 型 立轴周转式全 自动绕线打把机是一种新型专利设 备，它的动力系统包括 3台步进电机 ，分别用于驱动 绕 “ 8 ”字 装置 、绕扎 圈装置 和牵 引装 置 。剪线 和卸 料 功能 由气缸来 完成 。 本 系统采 用 P I C 自动控 制运行 ， 选用西 门子S 7 2 0 0系列 的 C P U2 2 4 作 为主控 单元 ， 它具 有体积 小 、 功 能强 、 性价 比高等优点 ， 而且具有 4路高速脉冲输出， 可 以驱动 步进 电机实 现准确定 位 。 选用 常州 双 杰 电子 有 限公 司生 产 的 5 7 B Y GB系 列 7 4 0 7型二相混合步进电动机， 此系列电机的机械特 性相对 较硬 ，能满 足 系统 负载运 行 的要求 。 电机的空载启动频率 ≈1 1 2 8 Hz 。一般运行时 1 带负载的启动频率 一 L_ 。 ， 所以系统运行时， 启 厶一 。 动频率 约为 6 0 0 Hz ，很好地 避开 了 电机 的振荡 区 。 2 绕线 机控 制 系统 的实现 2 ． 1 步进 电机 的驱 动 步进 电动机 的性 能 依赖 于 驱 动 电路 的控 制方 式 。 为了提高步进电动机的分辨率和控制精度 ，降低电机 的振动、噪声，必须采用细分驱动技术。本系统选用 斩波式 S J 一2 3 0 M5型二相混合式步进 电动机细分驱 动 。 2 ． 2 步进 电机 的升 降速控 制 步进电动机升降速曲线的设计在整个控制系统中 极其重要 ，合理地设计可以很大程度上改善失步、振 荡等问题。升速过程由突跳频率和升速曲线构成 。突 跳频率不可过高 ，一般只有几百至几千赫兹 。如果突 跳频 率过高 会导致 电机 无法启 动或输 出力矩 过小 等问 收稿 日期 2 0 0 9 0 7 2 7 ；修 回 日期 2 0 0 9 1 0 - 2 7 作者简介 刘晓强 1 9 6 8 一 ， 男 ， 江苏南通人 ， 高级工程师， 硕士 。 题 的发 生 。 在本系统中，步进 电动机的升降速是采用多段直 线拟合，然后分段台阶式升降速的方法。具体的实现 原理 如下 先建 立步进 电动 机 3 段 指数升 降速 曲线的 统一数学模型，然后用牛顿迭代法的改进方法求解此 数学模型。通过对步进电机的升降速控制 ，可以有效 地消 除累计误 差 。 2 ． 3 P I C脉 冲控 制 方案 用 可编 程控 制 器对 步 进 电 动机进 行 加 减速 控制 ， 实际上就是改变高速脉冲输 出的时间间隔，升速时使 脉冲串逐渐加密 ，减速时使脉冲串逐渐稀疏 ，用定时 中断方式来控制电动机变速 。应该注意的是 升速时 的起 始 速度 应等 于 或略 小 于系 统 的极 限启 动频 率 速 度 ， 而不 是从零 开始 ； 减速过 程结 束时 的速度一 般应 等于或低于启动速度，再经数步低速运行后停止。 系统在执行升降速的控制过程中，需要准备的数 据有 ①加减速的斜率 ；②升速过程的总步数；③恒 速运行的总步数；④减速过程的总步数。这些数据确 定后 ，就 可 以编制一 个完 整的 具有升 减速过 程的控制 运行 程序 。 2 ． 3 ． 1 S 7 2 0 0 C P U 高速 脉 冲输 出指令 高速脉冲指令使 P I C某些输 出端产生高速脉冲， 用 来 驱 动负 载 实 现精 确 控 制 。S 7 2 0 0 C P U 有 4个 P T O／ P WM 发生器， 分别产生高速脉冲串和脉冲宽度 可调 的 波形 。将 P T0／ P WM 发 生 器 的编号 分 配在 数 字输出点 Qo ． 0 、Q0 ． 1 、Qo ． 2 ，为 3台步进 电机发送 控 制脉 冲 。 P T O／ P WM 发生器有一个 8 位的控制字节、一个 1 6位无符号的周期值、一个 1 6位无符号的脉宽值 仅 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 0年 第 2期 刘 晓强 基 于P L C的绕线打把机 自动控刺 系统设计 1 6 9 P WM 有 和一个 3 2位无符号的脉冲计数值 仅 P TO 有 。这些值全部存储在指定的特殊存储器 S M 中， 特 殊存储器的各位设置完毕， 即可执行脉冲 P I S 指令。 P I S指令使 C P U读取特殊存储器中的位， 并对相应的 P TO／ P WM 发生器进行编程 。 修改特殊存储器 S M 区 包括控制字节 ， 并执行 P I s指令， 可 以改变 P T O 或 P WM 特 性 。 当 P T O／ P WM 控 制 字 节 S M 6 7 ． 7或 S M7 7 ． 7 的允许位置为 0 ，则禁止 P T O或 P WM 的功 能。P I S指令从 P T O／ P WM 控制寄存器中读取数据 ， 使程序按控制寄存器 中的值控制 P T O／ P WM 发生器。 因此执行 P L S指令前，必须设置好控制寄存器 。 2 ． 3 ． 2 多段管线 模式 多段管线中，C P U在变量 V 存储 区建立一个包 络表 。包络表中存储各个脉冲串的控制参数 ，多段管 线用 P L S指令启动。 执行指令时 ， C P U 自动从包络表 中按顺序读 出每个脉冲串的控制参数 ，并实施脉冲串 输出。当执行 P I S指令时 ，包络内容不可改变。 在包络 表 中周 期增 量可 以选择 微秒 或毫秒 ，但 在 同一个包络表中的所有周期值必须使用同一个时间基 准。如果在输出若干个脉冲后指定的周期增量值导致 非法周期值 ， 会产生溢出错误 ， S M6 6 ． 7 或 S M7 6 ． 7 被 置为 1 ，同时停止 P T 0功能， P I C的输出变为通用功 能。另外 ，状态字节中的增量计算错误位 S M6 6 ． 7 或 a M7 6 ． 7 被置为 1 。如果要人为地终止一个正进行 中 的 P T O包 络 ， 只需要 把状 态 字 节 中的用 户终 止位 S M6 6 ． 7 或 S M7 6 ． 7 置为 1 。 2 ． 3 ． 3 包络表参数的计算 选择步进电机驱动器细分数为 l ／ J 0 ，要求绕 “ 8 ” 字步进电机在8 s 内转 3 2转 ， 其运行 1 0 0 全行程需要 6 4 0 0 0 步， 对应总脉冲数6 4 0 0 0 个。 启动和减速初始频 率 取2 0 0 H z ，最大脉 冲频率 0 ． 8 k Hz 。 由于包络表中的值是用周期表示的，而不是用频 率 ，因此需要把给定的频率值转换成周期值。启动和 减速的周期是5 ms ，最大频率对应的周期是1 ． 2 5 ms 。 要求加速部分在3 0 0 0 个脉冲内达到最大脉冲频率 ， 减 速部分在6 0 0 0 个脉冲内完成。P TO发生器用来调整 给定段脉冲周期的周期增量为 周期 增量 一 7 1 c 一7 1 c ／ Q 。 其 中 丁 为该段结 束周 期 ； T c 为该 段初始 周期 ； Q为 该 段脉 冲数 。 代 人 数 值 计 算 得 出加 速 部 分 的 周 期 增 量 为一1 ． 2 5／z s ，减速部分的周期增量为0 ． 6 2 5 g s ，恒速 部分的周期增量为 0 s 。 假定包络 表存放 在从 V B 5 0 0开始 的 V 存储 器 区 ，以绕 “ 8 ”字 电机 行程 为0 ～ 1 0 0 为例 ，相应 的 包络表参数见表 1 。该表的值可以通过用户程序 中的 指令放在 V存储器 中。 2 ． 3 ． 4 步进电机程序实现 步进 电机 程序 的实现 步骤 如下 1 利用第一扫描 内存位 S M0 ． 1 复位输出为 0 ， 并调用所要的子程序进行初始化操作。这样可降低扫 描执行时间，并使程序结构化更强 。 2 在初始化子程序 内，以微秒 为递增单位 把 P T O数值 1 6 A0 存人 S MB 6 7 。 这些数值设定控制字 节 的 目的是 启 动 P T O／ P WM 功 能、选 择 P T 0 多段 操作以及选择微秒或毫秒为递增单位 。本文根据要求 频率计算选用微秒为单位 。 表 1包络表值 V存储器地址 参数值 VB 5 0 0 3 总段数 VW5 0 1 5 ms 升速初始周期 VW5 0 3 1 ． 2 5 s 升速周期增量 VD5 0 5 3 0 0 0 升速脉 冲数 VW5 0 9 1 ． 2 5 ms 恒速初始周期 V W5 l l o b L S 恒速周期增量 VD 5 l 3 5 5 0 0 0 恒速脉冲数 VW5 l 7 5 0 0 0 减速脉冲数 VW5 1 9 0 ． 6 2 5 s 减速部分周期增量 V D5 2 1 6 0 0 0 最大减速脉冲数 3 将 包 络 表 的 起 始 V 内 存 偏 移 量 存 人 SM W 1 6 8。 4 设定包络表内的段数值 ，保证段数 目数值正 确 。 5 执行 P I S指令 ， S 7 2 0 0为 P T O／ P WM 生成 器编程 。 6 退 出子 程序 。 本 系统 绕 “ 8 ”字步进 电机 的主 程序 、初始 化子 程 序 、包络表子程序如下。 主程序 M1 LD SM 0 ． 1 R Qo ． 0 CAL L S B R- 0／ ／ 调用初始化子程序 初始 化子 程序 S B R 一 0 LD S M 0 ． 0 MOVB 1 6 AO ， S MB6 7／ ／ 送高速输出控 制字 MOVW4 0 0 ， S MW1 6 8／ ／ 装入包络表的首地址 CA LL S B R -l／ ／ 调用建立包络表的子程序 P L S 0／ ／ 启动 P T O脉 冲， 由Qo ． 0 输 出 包络表的子程序 S B R 1 LD S M 0 ． 0 MOVB 3 ， VB S O O／ ／ 包络表为 3段 MOVW2 0 0 0 0 0 ， VW5 0 1／ ／ 升速周期 2 s M OVW 1 ． 2 5， VW 5 0 3 MOVD 3 0 0 0 ， VDS 0 5／ ／ 升速脉冲数 M OVW 4 0 0 0 0 0． VW 5 O9 M 0VW 0 ， VW 5 l 1 M OVD 5 5 0 0 0， VD5 1 3 M 0VW 5 0 0 0， VW 5 l 7 M 0VW 0 ． 6 2 5， VW 5 l 9 M OVD 6 0 0 0． VD4 2 1 2 ． 4 电气控 制 系统设计 本系统的急停功能由硬件实现，当系统 出现故障 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 7 0 机 械 工 程 与 自 动 化 2 0 1 0 年 第 2期 时， 按下急停按钮 ， 切断负载电源 ， 起到保护作用 。 系 O l 2 3 5 6 7 绕 “ 8 ”字用步进 电机D 1 绕扎囤用步进电机D 2 牵引步进电机∞ 剪线气动活塞 电控换向阀左线圈 剪线气动活塞 电控换向阀右线圈 卸料 气动活塞 电控换向阀左线圈 卸料气动活塞 电控换向阀右线圈 统动作时序图见图 1 。 9 1 0 I I t 2秽 Lj I中 L L巷{时 ≠ 辩芋 l l L上- j _ j } I f } l { l l f { l l l } I i } i I I } I I l l l I I I l } l i l l } l i } f { } I I I l } l l } l 绕 “ 8 ”字用步进电机D 1 在8 s 内转3 2 转．停4 s 绕扎 圈用步进 电机D 2 在1 s 内转4 转，停止1 1 s 牵引步进电机D 3 在1 内转4 转，停1 1 S 剪线气动活塞前进 左得 电1 0 s ，失电2 s 剪线气动活塞后退 f 右失电1 0 S ，得电2 s 卸料气动活塞 左线圈得电l s 卸料 ，失电l 1 s I l l l { } { I 锄 煳 ll S驰 s 图 1 系统动作时序 图 2 ． 5 绕线机控 制 系统流程 绕线 机控制 系统流 程图见 图 2 。其 中 丁 。 为剪线 圈 2绕线机控制系统流程 图 气缸工作时间，1 0 S ；T 为绕 8 字电机启动前停留时 间， 1 s ； T。 为绕 8字电机启动时间， 8 ； T。 为剪线气 缸缩 回时 间 ，1 ；T 为牵 引电机工作 时 间 ，1 s 。 3 小 结 本文对绕线打把机的 自动控制系统进行 了设计 ， 介绍了步进电动机的升降速控制方法 ，有效地消除了 系统运行过程中的误差，实现 了精确定位。采用 S 7 2 0 0 P I C 控制 器对 系 统进 行 了 自动 控制 ，通过 系统 模 拟运 行 和调试 ，达 到了预期 的效果 。 参考文献 [ 1 ] 孙 平可． 编程控制 器原理及应 用E M] ． 北京 高等 教育 出 版社 ， 2 0 0 7 ． I- 2 ] 李玲娟 ． 多细分 两相混合式 步进 电机驱动 器的研制 [ D] ． 西安 西北工业大学 ， 2 0 0 7 ． r 3 - 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l i n，GAO W e i x i a n，DENG Li y i ng Sh e n y a n g He a v y M a c hi n e r y Co ． Lt d．．Sh e n y a n g l l 0 0 2 5，Chi n a Abs t r a c t Thi s pa p e r i nt r od uc e d t he c o ns t r uc t i on a nd pr i n c i pl e o f e a r t h p r e s s ur e b a l a n c e s hi e l d ma c hi ne， a s we l l a s t he i nf l u e n c e s o f c ut t i ng c ha mbe r pr e s s ur e on s ur f a c e s e t t l e me nt ． Combi ni n g wi t h e ng i n e e r i ng pr a c t i c e，t h e pa p e r di s c us s e d ho w t O r e g ul a t e t h e e a r t h pr e s s ur e a nd PI D pa r a me t e r s． Ke y w o r d s e a r t h p r e s s u r e b a l a n c e；e a r t h p r e s s u r e b a l a n c e s h i e l d ma c h i n e ；PI D ；e a r t h p r e s s u r e o f c u t t i n g c h a mb e r 上接 第 1 7 0页 De s i g n o f Aut o ma t i c Co n t r o l S y s t e m f o r W i n di ng M a c hi ne Ba s e d o n PLC LI U Xi a o qi an g Na n j i n g I n f o r ma t i o n P r o f e s s i o n a l T e c h n o l o g y I n s t i t u t e ，Na n j i n g 2 1 0 0 4 6 ，C h i n a Ab s t r a c t Th i s a r t i c l e i n t r o duc e d t he d e s i gn of t h e c o nt r o l s ys t e m f or a n wi nd i n g ma c h i n e，whi c h i s a ne w pa t e nt e qu i pme nt ． The p a p e r f i r s t l y e l a b o r a t e d t h e wo r k i n g p r i n c i p l e ， t h e c h a r a c t e r i s t i c s a n d t h e c o n t r o l me t h o d o f t h e s t e p b y s t e p s mo t o r ， t h e n g a v e t h e d e s i gn pr o c e s s of t he c o nt r o l s ys t e m ba s e d on PLC，an d p ut e mph a s i s on t h e dr i v e c o nt r ol o f t h e s t e p by - s t e ps mo t or s us e d i n t he c o nt r ol s y s t e m． I n t he e n d， i t ga v e t he c o nt r ol f l o wc ha r t ． Ke y wo r dswi nd i n g ma c hi ne；c o nt r o l s y s t e m ； PLC 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m