项目五灌装机电气控制系统安装与调试邓景新课件

项目五灌装机电气控制系统安装与调试2022年5月邓景新1、了解灌装机电气控制系统工作原理和组成；2、能步进驱动器及电机的连接和高数脉冲编程；

3、能光电编码器的原理和基本应用；观察与思考

液体灌装机这是一套液体灌装设备，通过传送带将灌装瓶送入自动灌装机的限位机构，然后打开液门，进行灌液，灌液后关闭液门，送去进行上盖，这样就完成了整个灌装工作的一个工作循环过程。液体灌装设备的灌装瓶是如何来进行定位呢？一般来说，可分为机械限位和电气控制两种方法，本项目中将介绍运用步进电机和光电编码器的控制进行位置控制的方法。一、项目要求现要设计一台小型饮料灌装机（图3-45），实现饮料的灌装作业。当按下启动按钮后，传送带启动运行，带动饮料瓶向前运动，当检测饮料瓶到达灌装口时传送带停止运行，料仓口打开，饮料在重力作用下自然流出开始灌装作业，灌装完成后，料仓口关闭，传送带带动饮料瓶继续运行。当按下停止按钮完成此次灌装后停止。当遇到紧急状况，按下急停按钮系统立即停止。系统启动和停止使用触摸屏控制，急停按钮使用物理开关，在触摸屏上显示传送带当前运行的速度。小型饮料灌装机二、项目准备1、认识步进电机（1）步进电机工作原理步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（称为“步距角”），它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。步进电机可以作为一种控制用的特种电机，利用其没有累积误差的特点，广泛应用于各种开环控制。下面以一台最简单的三相反应式步进电动机为例，简介步进电机的工作原理。图3-46是一台三相反应式步进电动机的原理图。定子铁心为凸极式，共有三对（六个）磁极，每两个空间相对的磁极上绕有一相控制绕组。转子用软磁性材料中制成，也是凸极结构，只有四个齿，齿宽等于定子的极宽。图3-46三相反应式步进电动机的原理图当A相控制绕组通电，其余两相均不通电，电机内建立以定子A相极为轴线的磁场。由于磁通具有力图走磁阻最小路径的特点，使转子齿1、3的轴线与定子A相极轴线对齐，如图3-46（a）所示。若A相控制绕组断电、B相控制绕组通电时，转子在反应转矩的作用下，逆时针转过30°，使转子齿2、4的轴线与定子B相极轴线对齐，即转子走了一步，如图3-46（b）所示。若在断开B相，使C相控制绕组通电，转子逆时针方向又转过30°，使转子齿1、3的轴线与定子C相极轴线对齐，如图3-46（c）所示。如此按A-B-C-A的顺序轮流通电，转子就会一步一步地按逆时针方向转动。其转速取决于各相控制绕组通电与断电的频率，旋转方向取决于控制绕组轮流通电的顺序。若按A-C-B-A的顺序通电，则电动机按顺时针方向转动。上述通电方式称为三相单三拍。“三相”是指三相步进电动机，“单三拍”是指每次只有一相控制绕组通电，控制绕组每改变一次通电状态称为一拍，“三拍”是指改变三次通电状态为一个循环。把每一拍转子转过的角度称为步距角。三相单三拍运行时，步距角为30°。显然，这个角度太大，不能付诸实用。如果把控制绕组的通电方式改为A→AB→B→BC→C→CA→A，即一相通电接着二相通电间隔地轮流进行，完成一个循环需要经过六次改变通电状态，称为三相单、双六拍通电方式。当A、B两相绕组同时通电时，转子齿的位置应同时考虑到两对定子极的作用，只有A相极和B相极对转子齿所产生的磁拉力相平衡的中间位置，才是转子的平衡位置。这样，单、双六拍通电方式下转子平衡位置增加了一倍，步距角为15°。目前打印机、绘图仪、机械手等设备都以步进电机为动力核心。进一步减少步距角的措施是采用定子磁极带有小齿，转子齿数很多的结构，分析表明，这样结构的步进电动机，其步距角可以做得很小。一般地说，步进电机产品都采用这种方法实现步距角的细分。2、认识步进驱动器步进电机不能直接接到工频交流或直流电源上工作，而必须使用专用的步进电动机驱动器，它由脉冲发生控制单元、功率驱动单元、保护单元等组成。驱动单元与步进电动机直接耦合，也可理解成步进电动机微机控制器的功率接口。驱动器和步进电动机是一个有机的整体，步进电动机的运行性能是电动机及其驱动器二者配合所反映的综合效果。图3-47步进电机控制系统驱动要求：①能够提供较快的电流上升和下降速度，使电流波形尽量接近矩形。具有供截止期间释放电流流通的回路，以降低绕组两端的反电动势，加快电流衰减。②具有较高韵功率及效率。图3-48步进驱动器实物步进电机的相数是指电机内部的线圈组数，目前常用的有二相、三相、四相、五相步进电机。电机相数不同，其步距角也不同，一般二相电机的步距角为1.8度、三相为1.5度、五相的为0.72度。在没有细分驱动器时，用户主要靠选择不同相数的步进电机来满足步距角的要求。如果使用细分驱动器，则相数将变得没有意义，用户只需在驱动器上改变细分数，就可以改变步距角。3、认识编码器旋转编码器是用来测量转速的装置。它分为单路输出和双路输出两种。技术参数主要有每转脉冲数（几十个到几千个都有）、输出方式和供电电压等。单路输出是指旋转编码器的输出是一组脉冲，而双路输出的旋转编码器输出两组相位差90度的脉冲，通过这两组脉冲不仅可以测量转速，还可以判断旋转的方向。编码器如以信号原理来分，有增量型编码器，绝对型编码器。图3-49编码器实物编码器以信号原理来分，有增量型编码器，绝对型编码器。增量型编码器（旋转型）工作原理：由一个中心有轴的光电码盘，其上有环形通、暗的刻线，有光电发射和接收器件读取,获得四组正弦波信号组合成A、B、C、D，每个正弦波相差90°相位差（相对于一个周波为360°），将C、D信号反向，叠加在A、B两相上，可增强稳定信号；另每转输出一个Z相脉冲以代表零位参考位。由于A、B两相相差90°，可通过比较A相在前还是B相在前，以判别编码器的正转与反转，通过零位脉冲，可获得编码器的零位参考位。分辨率就是编码器以每旋转360°提供多少的通或暗刻线称为分辨率，也称解析分度、或直接称多少线，一般在每转分度100~10000线。如单相联接，用于单方向计数，单方向测速。A.B两相联接，用于正反向计数、判断正反向和测速。A、B、Z三相联接，用于带参考位修正的位置测量。A、A-，B、B-，Z、Z-连接，由于带有对称负信号的连接，电流对于电缆贡献的电磁场为0，衰减最小，抗干扰最佳，可传输较远的距离。绝对编码器由机械位置决定的每个位置是唯一的，它无需记忆，无需找参考点，而且不用一直计数，什么时候需要知道位置，什么时候就去读取它的位置。这样，编码器的抗干扰特性、数据的可靠性大大提高了。旋转单圈绝对值编码器，以转动中测量光电码盘各道刻线，以获取唯一的编码，当转动超过360°时，编码又回到原点，这样就不符合绝对编码唯一的原则，这样的编码只能用于旋转范围360°以内的测量，称为单圈绝对值编码器。高速计数器是PLC的编程软元件，相对于普通计数器，高速计数器用于频率高于机内扫描频率的机外脉冲计数，由于计数信号频率高，计数以中断方式进行，计数器的当前值等于设定值时，计数器的输出接点立即工作。FX3UPLC内置有21点高速计数器C235～C255，每一个高速计数器都规定了其功能和占用的输入点。（1）高速计数器的功能分配如下：•C235～C245共11个高速计数器用作一相一计数输入的高速计数，即每一计数器占用1点高速计数输入点，计数方向可以是增序或者减序计数，取决于对应的特殊辅助继电器M8□□□的状态。例如C245占用X002作为高速计数输入点，当对应的特殊辅助继电器M8245被置位时，作增序计数。C245还占用X003和X007分别作为该计数器的外部复位和置位输入端。•C246～C250共5个高速计数器用作一相二计数输入的高速计数，即每一计数器占用2点高速计数输入，其中1点为增计数输入，另一点为减计数输入。例如C250占用X003作为增计数输入，占用X004作为减计数输入，另外占用X005作为外部复位输入端，占用X007作为外部置位输入端。同样，计数器的计数方向也可以通过编程对应的特殊辅助继电器M8□□□状态指定。•C251～C255共5个高速计数器用作二相二计数输入的高速计数，即每一计数器占用2点高速计数输入，其中1点为A相计数输入，另1点为与A相相位差90º的B相计数输入。C251～C255的功能和占用的输入点如表3-18所示。表3-18高速计数器占用的输入点如前所述，分拣单元所使用的是具有A、B两相90º相位差的通用型旋转编码器，且Z相脉冲信号没有使用。由表4-14，可选用高速计数器C251。这时编码器的A、B两相脉冲输出应连接到X000和X001点。（2）每一个高速计数器都规定了不同的输入点，但所有的高速计数器的输入点都在X000～X007范围内，并且这些输入点不能重复使用。例如使用了C251，因为X000、X001被占用，所以规定为占用这两个输入点的其他高速计数器，例如C252、C254等都不能使用。如果外部高速计数源（旋转编码器输出）已经连接到PLC的输入端，那末在程序中就可直接使用相对应的高速计数器进行计数。例如在图3-50中，设定C255的设置值为100，当C255的当前值等于100时，计数器的输出接点立即工作。从而控制相应的输出Y010为ON。由于是中断方式计数，且当前值等于预置值时，计数器会及时动作，但实际输出信号却依赖于扫描周期。图3-50高速计数器的编程示例5、认识高速脉冲指令PLSY本项目中使用晶体管型输出的PLC控制步进电机进而对传送带的运行速度、距离及方向进行控制，使用FX3U的脉冲输出指令PLSY对步进电机进行简单控制。PLSY指令的功能是以指定的频率产生定量脉冲，指令格式如图3-51所示：图3-51PLSY指令格式其中：[S1•]：指定频率。[S2•]：指定产生脉冲的数目。允许设定的脉冲数的范围为：16位指令可设1～32767个脉冲，32位指令可设1～2147483647个脉冲。若指定脉冲数为“0”，则产生的脉冲个数不限定，即不断发脉冲。[D•]：指定脉冲输出的Y地址号。传送带运动距离、速度与方向的控制。运动距离与产生的脉冲数和步进电机驱动器细分数有关，本项目中设置的细分为1000PPR，即每转1000脉冲。根据传动特点可计算1000个脉冲传送带运行的距离x（mm），即可得到传送带运行的脉冲当量x/1000（mm），进而可以根据需要运行的距离计算得到需要发送的脉冲数量。运行速度与指定频率和脉冲当量有关，若设定的脉冲频率为y，则根据前面计算的脉冲当量即可得到速度xy/1000(mm/s)，方向的控制根据y1的电平来确定，若高电平正转，低电平则反转。三、项目实施系统方案设计（1）系统分析根据任务的描述，我们选用PLC作为控制器来控制饮料灌装机的整体工作，传动带的运行使用精确度比较高的步进电机，料仓口的开关使用两位两通液体电磁阀控制，通过位置传感器进行检测饮料瓶是否到达灌装位置，通过时间原则判断是否灌满饮料，使用光电编码器测量传送带的运行速度。根据上面的分析我们可以把任务用下面语言描述，并画出系统框图，如图3-52所示。按下触摸屏上的启动按钮，PLC控制步进电机运行并带动传送带上的饮料瓶运行；当到达灌装位置后，传感器检测到饮料瓶并把信号传给PLC，PLC控制步进电机停止运行，同时控制电磁阀得电，料仓口打开，启动灌装作业；延时5s钟灌装结束，PLC控制电磁阀失电，料仓口关闭，并控制步进电机运行。运行过程中按下触摸屏上的停止按钮，本次灌装作业完成之后系统停止运行，即步进电机停止运行，料仓口关闭。当运行过程中遇到紧急情况，按下急停按钮系统立刻停止工作，即步进电机停止运行，料仓口关闭，急停按钮接入PLC，通过PLC进行控制。因为要控制步进电机，PLC选用了晶体管输出，如果要控制接触器需要用中间继电器进行中间转换。图3-52系统框图（2）硬件配置选型本系统在YL-158GA1电气控制技术实训考核装置上主要使用的硬件包括PLC、标准恒压源、中间继电器、电磁阀、光电编码器、步进电机、步进驱动器位置传感器等器件。为了配合设备使用我们用接触器代替电磁阀，具体的选型如表3-19所示。表3-19硬件配置表①步科三相步进电机3S57Q-04079选用的Kinco（步科）三相步进电机3S57Q-04079，它的步距角是在整步方式下为1.8°，半步方式下为0.9°，3S57Q-04079部分技术参数如表3-20所示。表3-203S57Q-04079部分技术参数不同的步进电机的接线有所不同，3S57Q-04079接线图如图，3-53所示，三个相绕组的六根引出线，必须按头尾相连的原则连接成三角形。改变绕组的通电顺序就能改变步进电机的转动方向。图3-533S57Q-04079的接线②步科驱动器3M458在3M458驱动器的侧面连接端子中间有一个红色的八位DIP功能设定开关，可以用来设定驱动器的工作方式和工作参数，包括细分设置、静态电流设置和运行电流设置。图3-54是该DIP开关功能划分说明，表3-21和表3-22分别为细分设置表和电流设定表。图3-543M458DIP开关功能划分说明表3-21细分设置表表3-22输出电流设置表本装置中步进电机传动组件的基本技术数据是：3S57Q-04079步进电机步距角为1.8度，即在无细分的条件下200个脉冲电机转一圈（通过驱动器设置细分精度最高可以达到10000个脉冲电机转一圈）。驱动器细分设置为10000步/转，则直线运动组件的同步轮齿距为5mm，共12个齿，旋转一周搬运机械手位移60mm。即每步机械手位移0.006mm；电机驱动电流设为5.2A，静态锁定方式为静态半流，控制信号为24V电源时需接2K欧姆限流电阻，接线如图3-55所示。图3-553M458的接线③光电编码器HTB4808该编码器安装在丝杠导轨的左侧（图3-56），它具有A、B两相90º相位差的通用型旋转编码器，用于计算小车在丝杆上的位置。该旋转编码器的三相脉冲采用互补输出，输出脉冲为1000P/R，工作电源DC12～24V。本项目中可以不使用Z相脉冲，A、B两相输出端直接连接到FX3UPLC的高速计数器输入端。图3-56编码器安装2、图3-56编码器安装电气设计与安装（1）I/O地址分配表表3-23I/O地址分配表（2）电气原理图系统使用了2个传感器（一个光电编码器连接到PLC的X0、X1和X2，一个位置开关连接到X6）以及一个接触器（连接到Y2），步进电机的脉冲和方向控制连接到Y0和Y1，三个按钮（启动按钮和停止按钮和急停按钮）。主电路由一个电动机（用接触器控制电机模拟灌装电磁阀的关闭，此部分省略原理图）和步进电机的接线图构成，PLC控制电路图如图3-57所示。图3-57PLC控制电路安装步进电机，必须严格按照产品说明的要求进行。步进电机是一精密装置，安装时注意不要敲打它的轴端，更千万不要拆卸电机。本项目用丝杠导轨小车模拟传输带，金属块模拟饮料瓶，中间电感传感器模拟灌装位置，如图3-58所示。图3-58模拟灌装传输带3、软件组态设计当按下启动按钮后，传送带启动运行，带动饮料瓶向前运动，当检测饮料瓶到达灌装口时传送带停止运行，料仓口打开，饮料在重力作用下自然流出开始灌装作业，灌装完成后，料仓口关闭，传送带带动饮料瓶继续运行。当按下停止按钮完成此次灌装后停止。当遇到紧急状况，按下急停按钮系统立即停止。系统启动和停止使用触摸屏控制，急停按钮使用物理开关，在触摸屏上显示传送带当前运行的速度。程序框图如图3-59所示。图3-59程序流程图本项目中，程序编写主要重点是步进电机的控制，包括步进电机的启动、停止及位置、速度、方向的控制。需要控制步进电机在指定位置停止并进行灌装。（1）PLC测试程序设计利用编码器的反馈测量传送带运行的位置及速度，需知道编码器的脉冲当量，脉冲当量测量的方法可通过现场测试，测试方法如图3-60所示。图3-60脉冲当量测试方法运行PLC程序，并置于监控方式。在传送带初始位置处放入工件，按启动按钮启动运行。工件被传送到一段较长的距离后，按下停止按钮停止运行。观察监控界面上C251的读数，将此值填写到表3-24的“高速计数脉冲数”一栏中。然后在传送带上测量工件移动的距离，把测量值填写到表中“工件移动距离”一栏中；把监控界面上观察到的高速计数脉冲值，填写到“高速计数脉冲数”一栏中，则脉冲当量μ计算值=工件移动距离/高速计数脉冲数，填写到相应栏目中。表3-24脉冲当量现场测试数据重新把工件放到进料口中心处，按下启动按钮即进行第二次测试。进行三次测试后，求出脉冲当量μ平均值为：μ=（μ1+μ2+μ3）/3。通过编码器反馈的脉冲数x，可测得传送带位置为μx，同时可根据脉冲数增量获得传送带速度。（2）触摸屏组态设计触摸屏主要由启动和停止按钮、当前运行速度显示、预设速度输入框、当前灌装个数，预灌装个数组成。组态运行界面如图3-61所示。图3-61触摸屏组态界面触摸屏变量与PLC变量的关系如表3-25所示。表3-25触摸屏与PLC连接地址分配表

（3）PLC程序设计要点启动与停止：按下启动按钮SB1或触摸屏上的启动按钮，系统启动；按下停止按钮SB2或触摸屏上的启停止按钮，系统在完成本次循环后停止工作。程序中M100为启动信号，M101为停止信号，如图3-62所示。当前位置的计算如图3-63所示，其中D10中存放的是编码器的脉冲当量，C251为当前编码器的脉冲数，D100存放当前位置。图3-63当前位置的计算当前速度的计算如图3-64所示，利用M8012这个100毫秒脉冲发生器，进行速度计算，最后结果存放于D102中，可供触摸屏读取。图3-64当前速度的计算在本项目中，饮料瓶的定位利用了传感器信号，该定位方法具有简单的特点，但是定位精度比较差，读者可以尝试利用编码器返回的脉冲数实现对饮料瓶的精确定位。传送带当前速度计算时，使用了100ms脉冲发生器，但是这样会产生误差，我们也可以使用定时中断实现。读者可自行练习。4、整体调试在完成项目电气系统安装和软件设计后，开始调试，分为通电前调试和通电后调试，通电调试时可只连接输入设备、再连接输出设备、再接上实际负载等逐步进行调试。具体要求见表3-26所示。通电时，必须征得指导老师同意，在指导老师的监护下进行通电测试。表3-26系统调试要求四、项目拓展高速计数器由于中断方式计数，且当前值=预置值时，计数器会及时动作，但实际输出信号却依赖于扫描周期。可以用比较的方式，解决高速计数器的各个不同数值时的执行结果。如果希望计数器动作时就立即输出信号，就要