毕业设计（论文）-基于PLC的伺服定位系统.doc

装订线毕业设计（论文）报告纸 毕业设计(论文)报告 题目名称： 基于PLC的伺服定位系统 学生姓名： 学 号： 1204043105 二级学院（系）/专业：能源与电气工程学院 / 电气自动化 班 级： 电气1211 指导教师： 2015 年 5 月 25 日 摘 要在工业生产过程中，经常需要控制速度和位置。位置控制是在工业中广泛使用的。然而，随着工业的发展，社会各界的位置控制的要求的提高，以前自动位置控制系统采用继电器，在过去由于频繁操作会产生机械磨损，难以维护和更新，它已无法满足人们的需求。在本文中，以三菱的FX3U系列PLC可编程控制器为核心位置的自动控制系统，对伺服电机自动控制系统的功能，进行了需求分析。通过对伺服电机和特定的信息传送到PLC，数据对比检测传感器的实际位置将是主要实现方法，控制伺服电机的动作，在压缩数据的同时，根据状态，异常动作的始终，系统会发出报警信号。基于PLC的伺服电机控制系统的设计过程中，PLC程序可以实现定位的全过程。关键词：三菱fx3u系列可编程序控制器；位置控制；传感器AbstractIn the process of industrial production,oftenneed to control the speedand position.Position control iswidely used in industry.However, with the development of industry and improve the social from all walks of life position control requirements, before automatic position control system uses the relay, in the past due to mechanical abrasion of frequent operation, difficult to maintain and update, it has been unable to meet peoples demand.In this paper, the Mitsubishi FX3U series PLC can be programmable controller as the core position of the automatic control system, function of the automatic control system of the servo motor, the demand analysis.By the servo motor and specific information is transmitted to the PLC, the actual location of the data contrast detection sensor will be main implementation method. The action of the servo motor control, data compression at the same time, according to the state, abnormal movements from the beginning to the end, the system will send out alarm signals.Based on thedesignprocess of the servo motorPLC control systemin thewhole process,PLC program canachieve positioning.Key words:MitsubishiFX3Useries programmable controller; Position control; The sensor目 录1 引言11.1 本课题设计的背景和意义11.2 基于PLC的伺服定位系统发展趋势1 1.3 基于PLC的伺服定位系统的应用12 PLC的简介22.1 PLC的产生22.2 PLC的语言22.3 PLC的特点23 伺服电机定位系统的简介34 伺服电机定位系统硬件选择44.1 PLC的选择44.2 极限传感器的选择44.3 伺服电机及驱动器的选择55 PLC的控制要求及接线65.1 I/O分配表65.2 PLC接线要求85.3伺服驱动器的接线96 PLC程序的设计以及调试96.1 三菱程序介绍96.1.1 定位控制专用编程元件问题96.1.2 程序设计注意问题106.1.3主要定位控制指令的讲解106.2 PLC程序分析126.2.1初始状态分析126.2.2手动操作分析136.2.3自动定位操作分析15 6.3运行过程出现的问题，及解决办法16结束语16致谢17参考文献17附录1 报警代码181 引言1.1 本课题设计的背景和意义 在这次去博众的的顶岗实习中，我的主要实习任务是维修非标自动化设备。在工作的过程中通过与其他工程师的交流，我认识到，现在目前中国的自动化生产线存在着巨大的不足，人们对自动化的认知水平还仅仅停留在半自动化上面。这说明了我国的自动化还是落后的，从我工作的情况来看现在自动化生产线上特别需要高精度定位的机器，我们中国也提出了，“中国制造2025”，这就更加说明了中国发展自动化的重要性!在自动化控制中，所以高精度的定位将是是重中之重，这篇论文将加深人们对伺服定位控制的认识，了解自动化的发展前景。1.2 基于PLC的伺服定位系统发展趋势由于PLC的高稳定性，简单方便的使用优点，基于PLC的伺服定位控制系统将被广泛应用于工业和农业。在自动化程度高，PLC广泛应用是必然的，未来的PLC伺服定位控制系统更加智能化，高精度，更快更强的信息传递。当前使用PLC作为位置控制系统的控制器已成为应用的一种趋势。目前PLC都能提供一轴或多轴的高速脉冲输出及高速硬件计数器，许多PLC还设计有多种脉冲输出指令和定位指令，使定位控制的程序编制十分简易，方便，与驱动器的硬件连接也十分简单。1.3 基于PLC的伺服定位系统的应用 由于PLC技术的不断成熟，以及PLC的价格不断刷新，以及PLC的使用简单，稳定方便，编程简单，越来越多的工业用PLC控制定位系统，如富士康的PLC控制组件，操作系统也采用了PLC控制，这样的例子比比皆是，国外PLC技术已经很成熟，我们可以借鉴和改进了这一技术的引用。2 PLC的简介2.1 PLC的产生可编程序控制器是随着科学技术的进步与生产方式的转变，为了适应多品种，小批量生产的需要而产生，发展起来的一种新型的工业控制装置。PLC从1969年问世以来，虽然至今只有四十多年时间，但由于其通用性好，可靠性高，使用简单，因而在工业自动化的各个领域得到了广泛的应用。曾经有人将PLC技术与数控技术（CNC），工业机器人技术，CAD/CAM技术并称为“现代工业自动化技术的四大支柱”2.2 PLC的语言 与其他计算机控制系统一样，PLC用户程序中所使用的指令有规定的格式与要求，编制PLC用户程序必须采用符合要求的编程语言。 PLC的编程语言主要有梯形图，指令表，逻辑功能块图，顺序功能图，结构化文本等。其中以梯形图最为常见。2.3 PLC的特点1、高可靠性2、丰富的I/O接口模块3、采用模块化结构4、编程简单易学5、安装简单，维修方便PLC的功能1、逻辑控制2、定时控制3、计数控制4、步进(顺序)控制5、PID控制6、数据控制：PLC具有数据处理能力。7、通信和联网8、其余： 3 伺服电机定位系统的简介伺服电机定位系统是广泛应用于我国制造业的，一般的控制方法的缺点是控制精度低和时间消耗长。在现在社会对精度的控制要求的严格，以及时间上的约束，实现定位的自动化是非常必要的。与传统的控制系统相比较的PLC控制系统，在可靠性和稳定性一系列等方面，具有明显的优势，PLC具有出色的节能性能和优良的可扩展性。以未来的眼光去看可编程控制器，它完全满足未来的需求，对中国制造2025的实现增添不可缺少的力量。随着科学技术的不断进步，社会经济的不断发展，控制系统的灵敏度，节能，操作简单可以有更高的需求。以下便是PLC伺服电机自动定位系统基本描述：定位控制是指控制器发出控制指令后是运动件按指定速度完成指定方向上的指定位移。利用PLC的基本单元所集成的高速I/O可以直接控制通用型伺服驱动器或其他脉冲输入型位置控制装置，实现简单的定位功能伺服主要靠脉冲来定位，也就是说当伺服电机接收到1个脉冲，就会旋转1个脉冲对应的角度，从而实现位移，因为伺服电机本身具备发出脉冲的功能，所以伺服电机每旋转一个角度，都会发出对应数量的脉冲，这样，和伺服电机接受的脉冲形成了呼应，或者叫闭环，如此一来，系统就会知道发了多少脉冲给伺服电机，同时又收了多少脉冲回来，这样，就可以能够很精确的控制电机的转动，从而实现精确的定位，可以达到0.001mm。4 伺服电机定位系统硬件选择4.1 PLC的选择现今中国市场上的PLC的产品种类有很多，除了质量可以的国产品牌汇川，信捷，台达外，比较国外：还有西门子、三菱、罗克韦尔等。1、 根据毕业课题的需求和平时所学习的知识选择PLC2、 了解并能熟悉使用的类型的PLC3、 考虑到项目使用PLC的价格4、 考虑到控制精度的严要求 综合了以上几点来考虑，并且考虑到伺服电机驱动器采用了大规模集成电路，具有高抗干扰性及快速的响应性。在使用伺服驱动器时，往往需要较高频率的脉冲，所以就要求所使用的PLC能产生高频率脉冲PLC的易用性和稳定性。通过输入点和输出点的选择、存储容量的选择,选择I / O响应时间,决定使用三菱FX3u系列系列可编程控制器,如图4-1所示。 图4.1 三菱fx3u PLC4.2 极限传感器的选择由于运动的特性，在高速运动时，需要快速的反应，而光电传感器是一种采用光电元件作为检测元件的一种传感器，能够快速的响，因此传感器我选择红外类型的光电传感器，光电传感器如图4-2所示，光电式传感器具有不用直接接触、体积小、重量轻、响应速度飞快、性能优良可靠等特点。用该部分主要完成对位置测量和和对伺服电机的保护 图4.2 光电传感器4.3 伺服电机及驱动器的选择MR-J3系列是本课题硬件系统中伺服电机的重要选择，他的一些特性比较明显，他的最高转速从4500r/min提高到了6000r/min，系统的快速定位时间可相应缩短30%。驱动器可以与光栅等外部位置检测器件配合构成全闭环控制系统，提高位置控制精度与稳定性。驱动器的体格只有同规格的MR-J2系列的40%。MR-J3系列更是配备了USB端口，更加方便的与计算机进行连接通信。驱动器自适应调整性能更强，现场调试更为便捷。网络控制性能得到大幅度提升，新型光缆通信串行总线SSCNET III的应用使得通信速率从SSCNET的5.6Mb/s提高到了50mb/s,通信距离从30m扩展到了800m。三菱MR-J3系列伺服驱动器功能参数按照功能的不同分为PA,PB,PC,PD四个大类，基本设定参数PA：伺服驱动器在位置控制下使用时通过此参数进行基本的设定增益，滤波参数PB:手动调整增益时使用的参数扩展设定参数PC：伺服驱动器在速度控制模式，转矩控制模式下使用时的参数输入/输出设定参数PC：变更伺服驱动器的输入/输出信号时使用伺服电机及驱动器如图4.3示。图4.3 MR-J3系列的伺服电动机5 PLC的控制要求及接线1考虑到硬件设计的通用性，PLC的电路设计应有ABS数据读入功能，以便与带绝对编码器的驱动器配套，且能够在需要时进行中断定位。2 设备可以实现自动会原点（使用零脉冲），手动正反运行，自动定位操作。3 定位参数：PLC的最高输出脉冲频率为100KHz，加/减速时间为0.1s.4 回原点速度：快速与搜索速度所对应的输出脉冲频率分别为50kHz与1kHz，回原点运动方向为正向。5 手动运行：输出脉冲频率为30KHz,运动距离不受限制。6 自动运行：输出脉冲频率为100KHz,正向运动停止点为距离原点50000脉冲处，反向运行的停止点为距离原点100脉冲处。5.1 I/O分配表序号PLC地址（PLC端子口）功能说明1x0中断信号INT的输入2X4编码器零脉冲信号OP输入3X10回原点减速开关DOG输入4X14急停按钮EMG输入5x21回原点启动那妞REF输入6X22手动正运行7X23手动反运行8x24自动正运行9X25自动反运行10X26正极限输入11X27负极限输入12X30停止按钮13X31abs数据接收信号bit014X32abs数据接收信号bit115X33abs数据发送准备好信号16Y0PLC位置指令脉冲输出17Y4运动方向输出18Y20跟随误差清除信号CR输出19Y21驱动器伺服on信号20Y22abs数据传送启动信号21Y23abs数据传送请求信号图5-1 I/O分配表I/O地址一共有21个，其中输入地址有15个：输出地址也有6个；详情如表格5-1所示。5.2 PLC接线要求PLC设计的I/O接线图如图5-3所示。根据设备控制要求与MR-J3驱动器的特点，硬件连接如图所示，在接线图中，驱动器的开关量输入（DI信号）及位置给定脉冲输入的DC 24V输入驱动电源均由PLC的输出端“24V”供电，故DI公共端“CN1-20”直接与PLC的“24V”端连接；驱动器内部互连的0V（LG）连接端“CN1-30”与PLC的“0V”输出端连接，以上构成了驱动器的输入驱动回路。PLC的高速脉冲输出Y0及方向输出Y2分别与驱动器的给定脉冲输入端“PP”(脉冲输入pulse)及“NP”（方向输入SING）连接；“PP”与“NP”的电源公共端“CN1 -12”（OPC）直接与DI输入公共端“CN1-21”连接，由PLC提供输入驱动电源（“CN1-21”与“CN1-20”为驱动电源内部互连的输入公共端）。“PP”与”NP”端在MR-J3内部已经安装有1.2k欧姆的限流电阻，输入驱动电流约为20mA，PLC的脉冲输出端不再需要加其他限流电阻，驱动器的脉冲输入端“PG”与“NG”不需要（不能）连接其他信号。除了PLC 上连接正/反极限开关LSF/LSR外，驱动器上同样连接有正/反向超限位开关LSP/LSN，实际布置时应将LSP/LSN的位置处于LSF/LSR之后，即在正常情况下应保证PLC上的LSF/LSR先动作。图5-3 I/O接线图5.3伺服驱动器的接线在伺服系统中接线很简易明了，我们只需要按照接线图纸或者使用说明书接入相对应的插头即可。将三相电源线的L1,L2,L3插头接入CN1端口上的L1,L2,L3，接线的顺序不能错乱，必须每一相严格对齐。将伺服电机插头接入CN2，将编码器插头接入CNP2，控制线插头接入CN1。我们在调试程序时需要用伺服电机的专用软件，通过RS422接口接到伺服系统的CN3上即可。6 PLC程序的设计以及调试6.1 三菱程序介绍6.1.1 定位控制专用编程元件问题 1.定位控制专用编程元件与PLC的高速输出点一一对应，不同的地址的高速输出应使用不同的编程元件， 2.当前位置存储器是按照PLC已输出的脉冲数进行计数的理论位置值，PLC在输出定位脉冲时这个值自动增减。如果执行回原点指令，原点到达时当前位置值自动清零。 3.最低运行速度（基速）通常应该设定为零“0”，设定值不能大于最高运行速度的1/10（设定上限），大于上限时将自动以设定上限为最低速度。 4.如果在定位指令执行过程中控制输入被置“0”脉冲输出将立即停止，但脉冲输出监控辅助继电器M8147/M8148或M8340/M8350/M8370仍保持“1”的状态；如果不清除辅助继电器的状态，即使控制输入重新置“1”也不能重新启动定位操作。 6.1.2 程序设计注意问题1.在程序调试的过程中(特别是设备修改,程序添加到原始设备过程),当条件满足的程序语句和输出线圈连接,不要有重复的线圈连接。2.在设计过程中,当有一个错误的过程(控制)控制系统,最好是保持错误现象,报警的代码等等一系列的现象。3.检查设计方案正确后,要认真的进入程序调试和测试阶段。6.1.3主要定位控制指令的讲解 带搜索功能原点回归指令DSZR 梯形图如图6-1所示 图 6-1 DSZR指令 DSZR指令具有自动搜索功能的原点回归指令。他对当前位置没有要求，在任意位置哪怕是在极限开关位置上都能完成原点回归操作。他还增加了近点（DOG）信号的逻辑选择，零点信号引入和清零信号的输出地址灵活选择等功能。 DSZR指令原点回归动作和ZRN指令不同，当原点回归以爬行速度向原点运行时，如果检测到DOG开关信号由ON变成OFF后不立即停止脉冲的输出，而是直到检测到第一个零点信号的上升沿（从OFF变成ON时）后才立即停止脉冲的输出。在脉冲停止输出后的1ms内，清零信号输出并保持20ms+1个扫描周期为ON。同时将当前值寄存器清零，当清零信号复位后在一个扫描周期内为ON的指令执行结束信号M8029.相对位置定位指令DRVI相对位置定位指令DRVI和绝对位置定位指令DRVA是目标位置设定方式不同的单速定位指令。不论是DRVI还是DRVA指令，都必须要回答位置控制时的三个问题：一个是位置移动方向，二是位置移动速度，三是位置移动距离。梯形图如图6-2所示： 图6-2 DRVI指令指令驱动后，如果驱动条件为OFF，将减速停止，但完成标志位M8029并不动作（不为ON）而脉冲输出中监控标志位仍为ON时，不接受指令的再次驱动。指令驱动后，如果在没有完成相对目标位置时就停止驱动，并减速停止，但再次进行驱动时，指令不会延续上次的运行状态，而是默认停止位置为当前位置，执行指令。因此，在那些需要临时停止后想延续留下行程的控制时不能使用相对定位指令。如果在指令执行的时候改变指令的操作内容，则这种的改变不能更改当前的运行，只能在下一次执行时才会生效。执行DRVI指令时如果监测到正/反转限位开关时则减速停止，并使异常结束标志位为ON，结束指令的执行。指令在执行过程中，输出的脉冲数以增量的方式存入当前值寄存器。正转时当前值寄存器数值增加，反转时则减少，所以相对位置控制指令又叫增量式驱动指令。 6.2 PLC程序分析6.2.1初始状态分析 程序段主要是进行停止按钮处理，PLC最高输出频率设定，加减速时间设定，行程极限信号处理，回原点方向与速度设定及生效回原点结束时的清零信号输出。FX3u可以用相关的数据寄存器进行设定，PLC的最低运行速度采用出厂初始值“0”，数据寄存器D8342可以不进行设定。 Y0输出脉冲停止控制信号在FX3u中为辅助继电器M8349,当驱动器报警（X4=0）或急停输入（x20=0）时将禁止Y0 的脉冲输出；清零脉冲输出信号地址需要通过D8464设定Y20,并通过辅助继电器M8464，M8341使之生效。 回原点的运动方向，正/反向极限输入辅助继电器M8142，M8143/M8144等同样需要给定定义。程序中的M8000为PLC运行信号，M8002为宽度为一个扫描周期的PLC运行初始脉冲。程序图如图6-2-1所示图6-2-1 初始化梯形图 其中D8343是最高运行速度数据寄存器，D8345是原点搜索速度数据寄存器，D8346是回原点快速数据寄存器，D8348是加快速度时间数据寄存器，D8349是减慢速度时间数据寄存器， 6.2.2手动操作分析 设备的手动操作包括回原点与正/反向Jog运行3种，操作方式选择只能在运动结束后（M8348）才能进行，定位运动可通过停止按钮X30随时中断。 当按下正反向运行按钮X022/X023，上升沿得脉冲将导通相对定位指令（DDRVI），伺服电机将规定的方向运行。运行到规定的距离后，伺服电机开始减速慢行，然后停止。程序梯形图如图6-2-2所示图6-2-2 手动操作梯形图其中M10 M12 M13分别为回原点结束标志位，正转定位结束标志位，反转定位结束标志位，M100为原点回归中，M103和M105为手动正/反转正在定位，M103和M106分别为手动正反转移动结束。6.2.3自动定位操作分析 自动定位程序结构与手动操作类似，设备的自动操作包括回原点与正/反向运行3种，当按下XO24正转时，相应的中间继电器置“1”，设备开始动作，程序转入对应的梯形图；此时，PLC首先执行的是回原点标志位置位指令，回原点结束标志位置为指令一旦执行，PLC得正在定位指令m107和m110将立即变为“1”，可阻止后续程序中的复位指令。同时自动定位运动也是可以通过停止按钮X30随时中断的。图6-2-1 自动操作梯形图其中M107为正转正在定位中，M108为正转定位正常结束，M109为正转定位异常结束，M110为反转正在定位中，M111为正转定位正常结束，M112为正转定位异常结束，6.3运行过程出现的问题，及解决办法1.接通电源时，PLC的电源LED的灯不亮。拔出CN1插头后故障解除。2.伺服电机一运行就置“ON”，驱动器上面显示AL.16代码。通过查询使用手册终于知道是编码器线的问题，在重新插拔一下编码线就发现OK了，后来在仔细分析，我们得出结论，可能是编码器线松动，也有可能是发热过多，对运行的状态产生影响。结束语基于PLC控制的