CC-Link总线在铣床运动控制中的应用.pdf

2 0 1 2年 1 月 第 4 0卷 第 2期 机床与液压 MACHI NE T OOL HYDRAUL I CS J a n 2 0 1 2 Vo 1 4 0 No 2 DOI 1 0 3 9 6 9 j is s n 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 2 0 2 0 2 4 C C L i n k总线在铣床运动控制中的应用 郑钧宜 宋兆华 廖扬振 武汉理工大学机 电工程 学院 湖北武汉 4 3 0 0 7 0 摘要 C C L i n k现场总线是一种开放式 全数字化 双向多站的通信控制系统 在工业生产控制中发挥着重要的作用 采用一种基于 C C L i n k现场总线的铣床运动控制方法 实现对多台铣床进给运行的远程分布式控制 并在三菱 F A实验平台 上编写 P L C程序进行测试 验证该控制方法的可行性 关键词 C C L in k现场总线 P L C 运动控制 中 图分类号 T P 2 7 1 4 文献标识码 B 享章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 2 2 0 6 9 4 The Ap plica t io n o f CC Link in M o t io n Co nt r o l o f M illing M a ch ine Z HE NG J u n y i S O NG Z h a o h u a L I AO Y a n g z h e n S ch o o l o f Me ch a n ica l a n d E le ct r o n ic E n g in e e r i n g Wu h a n U n i v e r s i t y o f T e ch n o l o g y Wu h a n H u b e i 4 3 0 0 7 0 C h in a Ab s t r a ct C C L in k fi e ld b u s is a n o p e n f u ll d ig it a liz a t io n b id ir e ct io n a l mu lt i s t a t io n co mmu n ica t io n co n t r o l s y s t e m wh ich p la y s an in cr e a s in g ly s ig n ifi ca n t r o le in in d u s t r ial p r o d u ct io n co n t r o 1 A k in d o f mo t io n co n t r o l me t h o d o f t h e mille r b a s e d o n C C L in k fi e ld b u s w a s u s e d t o a ch ie v e r e mo t e d is t r ib u t e d co n t r o l o n t h e f e e d in g o p e r a t io n o f mu lt ip le mille r s P L C p r o a ms we r e w r it t e n a n d t e s t e d o n t h e Mit s u b is h i F A e x p e r ime n t al p la tf o r m t o v e r if y t h e f e a s ib ilit y o f the co n t r o l me t h o d Ke y wo r d s C C Li n k fi e ld b u s P L C Mo t io n co n t r o l 在现代机械制造业中 用户不仅对机床加工性能 提出了更高的要求 而且对 自动化生产线上的加工设 备提出了集中管理 分散控制的新要求 以普通铣床 数控化改造后的运动伺服控制系统为研究对象 实现 基于C C L in k现场总线的多台铣床同步控制 充分利 用 P L C的高可靠性 编程简单 功能强大 体积小 经济合算等优点 提高铣床的加工精度和生产效 率 从而体现了 C C L i n k总线技术在 自动化生产线中 低成本 高可靠性 可维护性和智能化数据采集的优 一 引 1 C C L in k简介 C C L in k C o n t r o l C o m m u n ica t io n L i n k 控 制与 通信链路系统 是三菱电机基于 多厂家设备环境 高性 能 省 配线 理 念 开发 的 以设备 层 为 主 同 时也覆盖了位于较高层次的控制层和较低层次的传感 器层次 能够同时高速处理控制和信息数据 实现高 效 一体化和过程 自动化控制的一种开放式现场总线 系统 C C L in k 现场 总线具有 高速 高 实时性 以及 完 善 的 R A S R e lia b ili t y A v a ilabili t y S e r v ice a b ilit y 功 能和开放的多厂商设备环境 网络拓扑结构多样 可连接各种智能设备 能够实现分散控制 2 铣床进给运行过程 铣床工作台的进给运行分为点动和 自动循环两种 方式 点动包括步 进 点动 前进 和 步退 点 动后 退 目的是调整工作 台到达合适位置 以便安装待 铣削工件和实现对刀操作 自动循环加工时是通过工 作台的循环往复运动对工件进行铣削加工 其往返行 工作 台 上 匡 囤 芝一 收稿 日期 2 0 1 0 1 2 2 8 作者简介 郑钧宜 1 9 6 4 一 女 博士 副教授 研究方向为制造过程 自动化与工业控制 E m a il w u t z j y 1 6 3 co rn 7 O 机床与液压 第 4 0卷 l Q J 6 1 B T 1 1 J Q X 4 2 Q Y 4 1 P l RS 2 3 2 P o叽 I 主 站 0 本 地站2 占用3 站 Q P L C I Q1 7 2 H l Q J 6 1 B T lll Q X4 2 I QY 4 1 P 终端电阻 l l F R E 5 4 0 l MR J 3 1 0 B 图2 C C L i n k控制系统的网络拓扑结构 3 2 C C L i n k网络 系统功 能模 块 配置 一 个 C C L i n k网络中所使用 的各种功能模块包 括 电源模块 P L C C P U模块 I O模块 运动控制 模 块 以 及 通 信 模 块 主 站 单 元 由三 菱 高 性 能 Q 0 2 H C P U C C L in k 通讯模块 Q J 6 1 B T 1 1 6 4点 的 D C 输入模块 Q X 4 2和 3 2点的 Q Y 4 1 P型晶体管输出模块 组成 主站用于实现对 3台铣床的远程同步控制 并协调各台铣床的相互加工过程 本地站为 2号站 4号站和 6号站 分别用于控 制 3台铣床各自的进给运动 本地站的硬件配置与主 站不同之处在于使用 了专 门的 Q 1 7 2 H 型运 动控制 C P U 该 C P U通过 M R J 3 1 0 B型通用交流伺服放大 器来控制相应运动轴的伺服电机 从而实现铣床的进 给运动 此外增加了6 4点的 D C输入模块 Q X 4 2和 3 2 点的 Q Y 4 1 P型晶体管输 出模块 采用三菱 F R E 5 4 0 系列变频器实现对主轴的调速控制 本地站通信模块 采用 C C L i n k网络通用的 Q J 6 1 B T 1 1模块来实现与主 站和其他本地站的通信 3 3 本地站输入 输 出信号地址分配 在铣床运行控制过程中 主要的控制信号有主轴 启停信号 主轴调速信号 点动进给信号 工作台位 置检测信号以及各运动轴运动控制信号等 下面以本 地站 单台铣床 直线进给过程为例说明其控制过 程 1 主轴启停信号 对每台铣床的主轴启停控 制是各 自独立的 由三相鼠笼式异步电机驱动运转 控制主轴的正反转 并通过按钮开关实现信号输入 因此对铣床主轴的控制需要 3个输入信号 2 铣床急停信号 当给铣床一个急停信号时 主轴停止运转并且伺服系统停止进给 这样需要 1 个 输入信号和 1 个输出显示信号 3 点动进给信号 这一类信号包括工作台的 Y 充向进给信号和主轴沿 方向进给信号 运动过程中 需要完成工作台的前进 后退和左右移动 以及主轴沿 z 方向的上下移动 这样共需要 6个输入信号 4 极限位置检测信号 为了防止工作 台和主 轴运行过程中超出工作行程 需要在工作台两端和主 轴立柱上设置限位开关 当工作台或主轴到达限位开 关位置时自动触发限位信号 使铣床停止进给运行并 提示报警信号 在相互垂直的3个方向上共需要设置 6个极限位置检测输入信号和 1 个输出信号 5 各运动轴运动状态信号 显示各运动轴正 常运行的状态 需要 3个输出信号 6 回零及 回零完成信号 执行铣床回零操作 时 先执行 z 方向回零操作 然后执行 和 Y 方 向回 零过程 回零完成后显示各运动轴完成 回零位状态 需要 3个输入信号和 3个输出信号 本地站的输 输出信号用于显示铣床运行 时的 各种状态 输 输 出信号地址的分配方案见表 1 其他各站 的 I O分配可参考该方案 在此不一一列 出 表 l输入 输 出信 号地址分配 4 控制方式的建立 4 1 C C L in k网络通 信设 置 主要对整个 C C L in k网络 中的主站 和本地站 的通 信参数进行设置 并分析主站和本地站之间的数据交 换方式 4 1 1 主站的通信设置 在使用 C C L in k现场总线时 需对主 从站进行 通信设置才能使用 对于主站模块的设置 首先通过 第 2期 郑钧宜 等 C C L i n k总线在铣床运动控制中的应用 7 1 主站模块面板上的旋钮开关设置站号 通信模式和传 输速率 将 主 站站 号设 置 开关 S t a t i o n N O 的 X l0 和 x 1 都 置 为 0 模 式 设 置 开关 置 为 0 即 1 5 6 k b s 在线 此外还应通过专用 组态软件 G X D e v e lo p e r 对 C C L in k网络进行 主站 自动 刷新参数设定 参照 Q系列 C C L i n k网络系统用户参 考手册的要求来进行设置 注意要对操作设置和站 信息项进行设定 如图3和4所示 图3 主站网络参数设置 图4 主站站信息设置 4 1 2 本地站的通信设置 对本地站的通信设置与主站设置步骤一致 也包 括硬件设置和软件设置 应注意的是 3个本地站的站 号应依次设置为2 4 6 应在主站的站信息设置项 予以设定 通信模式和传输速率与主站应保持一致应 设置为 0 软件设置可参考主站设置方式 由于 每个站需占用 3 2位数据 寄存器占用 4个字 故 可以确定各站远程刷新软元件地址和远程寄存器软元 件地址 例如2号站位 X 1 2 0 X 1 3 F Y 1 2 0 一Y 1 3 F D 1 0 4 D 1 0 7 D 2 0 4 2 0 7 4 号 站 为X 1 4 0 X 1 5 F Y 1 4 0 一Y 1 5 F D 1 0 8 一 D 1 1 1 D 2 0 8 D 2 1 1 4 1 3 主站与本地站的通信方式 该 C C L in k系统主要采用广播 一轮询的方式进行 通信 广播 一 轮询通信意味着不停地进行数据交换 主站通过 C C L in k 模块采用链路扫描方式与各本地站 进行数据交换 而各站与该站 P L C内的缓冲存储器 通过 F R O M T O专用指令读 写数据 各种类型的数 据交换使用远 程输入 R X 远程 输 出 R Y和远程 寄存 器 R Ww R Wr 主站 和本地 站 占用 3个站 数 据 通信过程如图5所示 刷新 刷新 网络参数 网络参数 网络参数 网络参数 X1 0 F X1 0 0 RX0 p RX0 0 链接 F r o m 扫描 R Y 0 F R Y 呻 T o Yl0 l 一 Y1 0 0 一 x1 4 p xl4 0 RX4 p RX4 0 R Y4 F RY4 0 Y1 4 卜Y1 4 0 X1 5 D Xl5 o RX5 F RX5 0 RY 5 F RYS 0 Y1 S D Y1 5 0 Yl0 P Y1 0 0 R YO F R Y O O 链接 T o 扫描 R X 0 F R X 0 0 X1 0 F X1 0 0 F r o m Yl4 p l Y1 4 0 RY 4 F RY4 0 R X4 F RX4 0 X1 4 x1 4 0 Y l5 I 卜 一 Y l5 0 R Y 5 F RY 5 0 链接 R X 5 R X 5 0 X l5 D xl5 0 T 0 扫描 F rom D2 0 D2 1 1 RWl w0 RW wB RW r 0 RW r B D1 0 0 Dlll 链接 F rom 扫描 T 0 D 2 0 D 1 l D lO D1 1 1 RWr 0 RWr B RWw0 R WwB 表 不 在 主 站 和 本 地 站 之 l 司 的 j 匝佰 个 米 用 最 后2 个 地 址 图 5 主站和本地站之间数据通信示意图 4 2 P L C典型控制程序 信息来实现对每一台铣床的局部控制 本地站程序主 C C L in k网络中的控制程序包括主站和本地站程 要是监视铣床的检测信号 同时将信息送往主站 同 序两个部分 主站程序实现 2个方面的控制 首先 时接收主站反馈来 的信息 再控制内部信号和伺服驱 当有外部加工申请信号时 主站根据 3台铣床的当前 动机构 加工运行状态 进行分析比较作出加工决策 实现对 该系统的P L C控制程序的编制采用三菱公司的 3台铣床加工过程的优化调度 其次 主站通过与各 G X D e v e lo p e r 8 0软件来完成 并在三菱 F A实验 台铣床的本地站进行即时通信来获取信息 分别对各 平台下进行了相关验证 这里 以主站 本地站 读 台铣床的运行状态进行监控 向各个本地站发送操作 取本地站 主站 的数据链接状态并接 受本地站 7 2 机床与液压 第 4 0卷 主站 发送来 的数据为例 来说明主站和本地站的 初始通信过程 主站程序和从站程序如图6 7所示 对本地站程序的解释如下 O 5步确认每个站的数 据链接状况 本地站执行数据链接 6 1 2步本地站 执行子程序接受主站发送的数据 并返回一个数据给 主站 铣床的其他运行程序如归零 点动 自动加工 程序在此 不一一列举 图6 主站程序 Xl00 l I l X2l 厂 图 7 本地站程序 5结束语 通过 C C L in k总线技术设计 的多台铣 床 同步控制 系统 将各个执行模块分布安装到底层设备现场 优 化了生产线的工作流程 系统可靠性高适应性强 能 够大量节省控制线缆 在物力和人力方面显著降低了 生产成本 从而完善了系统的控制功能 此外可以很 容 易地实现高速发 送和接 收 由通信 模块 处理 的输 输出数据 实现快速响应和设备运行的远程自动化监 控 也极大地提高了现场级数据传输的安全性 在现 场设备的安装调试和后续扩展上 具有极为出色的优 势 该系统也为今后在其他生产现场发展 C C L in k总 线的可行性提供了初步探究方案 参考文献 1 陈启军 覃强 余有灵 C C L i n k 控制与通信总线原理及 应用 M 北京 清华大学出版社 2 0 0 7 2 吴军民 基于现场总线 的 P L C控制生产系统的监控系 统 J 机床与液压 2 0 1 0 3 8 2 8 5 8 6 3 方清城 华路光 罗中 P L C网络控制系统的研究 J 机床与液压 2 0 0 9 3 7 7 1 6 8 1 7 0 4 林桂娟 宋德朝 陈明 等 基于 C C L i n k 现场总线的远 程智能监控 系统 J 机床与液压 2 0 1 0 3 8 8 8 4 8 6 5 龚秋萍 陈启军 基于 C C L i n k 开放式现场总线的远程 监控 J 自动化仪表 2 0 0 3 2 9 3 2 3 2 5 6 徐祖建 秦建华 基于 C C L i n k的变频器远程监控系统 设计实现 J 机床与液压 2 0 0 4 5 3 2 3 9 7 张建刚 郑萍 张皓亮 等 基于 Q系列 P L C的三维伺服 控制系统设计 J 机床与液压 2 0 1 0 3 8 2 2 ll2一 l1 5 上接第 5 2页 间其压力迅速下降 随着摆阀油缸摆动到位 其压力 又开始 上升 图 1 6和 1 7是 缸 5 1 和 5 2连通腔 的压 力和流量 曲线 可 以看 出 稳定后 的缸 5 1压力值 P a w 和连通腔压力值 p 之 比约为 2 1 这与静态设计 的主液压缸无 杆腔和有杆腔作用