基于Q系列PLC的三维伺服控制系统设计

2010年11月 第38卷第22期 机床与液压 MACHINE TOOL HYDRAULICS Nov 2010 V01 38 No 22 DOI 10 3969 j issn 1001 3881 2010 22 039 基于Q系列PLC的三维伺服控制系统设计 张建刚 郑萍 张皓亮 金高松 王晓光 西华大学电气信息学院 四川成都610039 摘要 采用Q系列PLC和定位模块设计三维伺服控制系统 给出其系统集成构架 进行基于高性能CPU 定位模块 I O模块的伺服系统的硬件设计 介绍系统的地址分配及数据传输过程 阐述伺服参数设置 相关的PLC程序和人机界面 的软件设计过程 实现多轴直线插补和圆弧插补 实验结果证明 该系统运行稳定 精度高 有良好的应用价值 关键词 PLC 伺服控制 定位模块 人机界面 直线插补 圆弧插补 中图分类号 TP273 文献标识码 A 文章编号 1001 3881 2010 22一l12 4 Design of the Three Dimensional Servo Control System Based on Q Series PLC ZHANG Jiangang ZHENG Ping ZHANG Haoliang JIN Gaosong WANG Xiaoguang College of Electrical and Information Xihua University Chengdu Sichuan 610039 China Abstract The Q se es PLC and orientation module were used to design three dimensional se vO control system The integrated framework of the systems was given The hardware design of servo system was made based on high performance CPU orientation mod ule and I O module The address distribution and the data transmission of the system were introduced The servo parameter setting and the software design processes of PLC programs and man machine interface were illustrated The multi axis linear interpolation and cir cular interpolation were implemented The experimental result proves that the system is running stable with high precision It has good value for application Keywords PLC Servo control Orientation module Man machine interface Linear interpolation Circular interpolation 现代工业对运动控制的要求越来越高 因而高 精度电气系统和高性能自动控制系统应运而生 作 者采用三菱电机有限公司推出的Q系列高性能 CPU QD75M定位模块以及SSCNET总线等集成三 维伺服控制系统 将PLC技术的优势和伺服控制诸 多特性完美地结合于一体 以便使运动控制系统性 能达到一个更好的水平 三维交流伺服这样一种扮 演重要支柱技术角色的自动控制系统 在许多高科 技领域得到了非常广泛的应用 如激光加工 机器 人 数控机床等 因此该项目的研究有良好的应用 价值 卜 1 基于Q系列PLC的三维伺服控制系统的构架 1 1 三维伺服控制系统控制方案的选择 该项目采用高性能CPU 伺服控制器 定位模 块 进行运动控制 这种解决方案中 系统的控制 性能不如选用专用运动型CPU的 专用运动型CPU 可同时控制的轴数目多 控制性能优越 系统响应 快 但系统一次成本较高 适用控制要求很高的场 合 而采用高性能CPU 伺服控制器 定位模块 方案控制的轴的数目相对少 但性价比高 在目前属 于主流的解决方案 也很适合我国的国情 1 2基于Q系列PLC的三维伺服控制系统组成 系统主要由电源上 1 模块 高性能cPu I I f寰 f奁 I I囊簇 I O模块 定位模块 广 型 I 伺服放 三茎曝 曝 HC KFS1 3低惯量交流 王 三土 伺服电机等组成 定 鲁襞 鲁 鲁 位模块与3个伺服放 大器通过专用电缆 圈 整体系统结构 SSCNET网络通信 3台伺服电机分别安放于 轴 Y 轴和Z轴的平面上 能实现在三维空间的精确定位 可以完成多轴直线插补和圆弧插补等运算控制 该系 统是按工业级建立的 能针对具体的工艺设计完成对 应的伺服控制 模拟实现如数控钻床 数控铣床 精 密雕刻机 机械手控制等 系统还集成了三菱人机界 面A985GOT对伺服系统的运行状况做实时监控 其 整体系统结构如图1所示 Q64P电源模块 用于给主基板上安装的各个模 块提供5VDC电源 注意可以安装的电源模块型号依 据基板而定 Q02H高性能CPU 支持三维伺服系统的控制与 收稿日期 2009 10 12 作者简介 张建刚 1980一 男 硕士研究生 主要研究方向为工业控制与网络控制 电话 13618094641 E mail zjg454 sohu com 第22期 张建刚等 基于Q系列PLC的三维伺服控制系统设计 113 运算 该CPU以中大规模系统为对象 在大幅提高 CPU模块处理性能和程序寄存器容量的同时 还提 高了与网络模块 编程用外围设备之间数据通信的性 能 支持本地IZO最大可达8 192点 程序容量最大 有28 k步 最快指令仅需34 RS 除了可以使用梯形 图 语句表 ST 结构化文本 类高级语言 SFC FB等5种编程语言外 还可支持多达4个CPU Qx41输入模块 I1O模块 运动系统的相关检 测信号通过该模块送人PLC QYIO输出模块 I 0模块 运动系统的相关指 令信号通过该模块发送给定位模块或伺服放大器 MR J2S10B伺服放大器 用于驱动伺服电机 能 和伺服电机的高分辨率编码器配合 分辨率达 131 072 p r HC KFS13伺服电机 低惯量交流伺服电机 电 机自带的编码器反馈信号给驱动器 驱动器根据反馈 值与目标值进行比较 调整转子转动的角度 QD75M4定位模块 其内部集成有专用的控制芯 片 用做运动控制所需数据的计算 再把处理的结果 输入到伺服放大器 SSCNET网络 定位模块与3个伺服放大器通过 SSCNET网络通信 SSCNET也称为伺服系统现场总 线网 是PLC控制系统中常用的I O Link网 该总 线可实现高速通信和简化系统结构的目的 SSCNET 使多轴的同步 插补等高级定位功能得以可靠实现 在节省配线的同时 提高了整机的响应性 而且降低 了因为配线错误而引起的故障概率 A985GOT三菱人机界面 用于现场对伺服系统 的运行状况做实时监控 系统在连接上由一个主基板将电源模块 高性能 CPU lfO模块和定位模块连接在一起 1 3软件平台 需要用到的相关编程平台有 GX Developer用于编写Q系列CPU程序 GX Developer可以创建Q系列 QnA系列 A系列 FX 系列的数据 实现了设置操作共用化 GX Developer 可实现共用功能 工程 在线 诊断 工具 窗口 帮助 对各个对象进行编辑及设置的功能 编辑 查找 替换 转换 显示j GX Configurator QP是伺服配置软件 用于配置 QD75 M4定位模块 MR J2S1 0B伺服放大器的数据 GT Designer2是专业的人机界面设计软件 用于 完成人机界面监控画面制作 2伺服执行机构硬件设计 三维伺服控制系统的伺服执行机构如图2所示 主要部件包括伺服电机 载物台 滚珠丝杆 滚动导 轨幅组成 3台伺服电机分别安装在工作台的 Y 3个坐标方向上 分别和3根滚珠丝杆连接 在空 间上实现三维定位 载物台安装于滚动导轨幅上 当 伺服驱动信号加到 轴 Y轴电机上时 电机带动滚 珠丝杆旋转 使载物台在沿 轴 Y轴导轨方向上运 动 即载物台能到定位导轨范围内 Y平面的任意 点 轴电机控制 轴刀架沿z轴导轨上下移动 轴电机 工作范围 200 200 50 图2伺服执行机构 在 轴上安装笔架可以完成在绝对位置控制模式 下的多轴直线插补和圆弧插补运算实验 这些运算能 够实现正方形 圆 各种艺术字以及各种图案的绘 制 在z轴上安装真空吸盘 真空发生器 同时配上 气动器件和空压机可进行机械手的分捡实验 在每一轴导轨的前后极限位置 安装了限位开 关 保护载物台不冲出导轨始末两端 在各轴导轨的 其中一侧 还各安装了一组零位开关 即近点狗 Near Point Dog 用于确定系统原点 该系统是按工业级建立 因此采用精密滚珠丝 杆 减少了反向间隙并减小了所需的驱动旋转力 它 的性能和伺服定位的精确度联系紧密 滑动导轨幅和 载物台下端配合精密 保证载物台能在其上面平稳流 畅运动 这种结构定位精度高 为典型的数控工作台 结构 具有一定的先进性和优越性 3 系统的地址分配及数据传输 3 1 模块的地址分配及通信连接 Q系列PLC为模块式PLC 电源模块 CPU模 块 I O模块和特殊功能模块通过基板 机架 连 接 构成控制系统 主机板的第1个插槽固定为电源 模块 第2个插槽固定为CPU模块 后面的插槽数 目根据主机板的类型不同 分为3槽 5槽 8槽 12槽 基板的作用是连接各种模块 系统需要用到 什么模块就往基板上添加 模块在基板上的位置安装 固定后 每个模块在这台PLC的地址就确定了 只 有地址明确 这一模块才能被这台PLC的CPU或其 他功能模块 或者其他PLC的CPU或功能模块访问 模块地址分配根据模块实际占用的IZO点数 从第3 个插槽开始分配 地址从O0H开始 总线连接头CNIA用于连接定位模块或者后一级 伺服放大器 总线连接头CNIB用于连接后一级伺服 114 机床与液压 第38卷 放大器或终端接头 通讯接头CN3用于连接个人计 算机 RS 232C 或输出模拟监视信号 编码器接通 CN2连接到伺服放大器 定位模块QD75M4和伺服放大器使用三菱专用 的伺服通讯网络SSCNET连接 SSCNET最大通信速 度为2 5 Mb s 最大距离30 in 保证定位模块和伺 服放大器之间通讯的可靠 伺服电机接高精度编码 器 其编码器把检测到的脉冲反馈回伺服放大器的 CN2端 构成半闭环 3 2伺服系统数据传输过程 在该伺服系统中 定位模块QD75M4是一个数据 交换密集的重要节点 一方面 外部设备 Q系列 CPU要对其读写定位相关的各类参数 伺服参数 监视系统运行情况 另一方面 定位模块要运算伺服 用的各种数据 传输给伺服放大器 所以定位模块内 部各种数据的交换 可很好地反应整个伺服系统数据 的交换 定位模块QD75M4内部 数据的存储区域分为Flash ROM区和缓冲区 ROM区 主要存储定位需要的数据 缓冲区可以通过顺序控制程 序和PLC CPU交换数据 在 顺序控制程序中 使用 图3定位模块数 据传输过程 FROM指令 可将QD75M4缓冲地址中的数据读人 PLC CPU的数据寄存器中 使用TO指令 可将PLC CPU的数据寄存器中数据写入到QD75M4缓存中去 还可以通过外部设备 如个人电脑连接PLC CPU后 采用从外部设备一PLC CPU QD75 M4的方式操作 QD75M4缓存地址数据 如图3所示 4系统软件设计 4 1伺服参数设置 伺服放大器中的参数是用来控制伺服电机的运行 特性 该伺服系统所用的伺服放大器MR J2S10B的 使用方法 类似于变频器的使用 用户根据自身的控 制需求 设置对应的参数 伺服放大器就能很好地控 制伺服电机的运程特性 根据这些参数的安全性和使 用频率的不同 总共1 40号参数被划分成基本参 数 调整参数和扩展参数 用户可以对基本参数进行 设置 重点设置的伺服参数如下 1 伺服系类 设置值3 即选择和系统使用的伺服放大器类型相符 合MR J2S B 2 放大器设置 设置值0 表示选 择增量控制系统 3 电机容量 设置值10 电机 容量根据实际使用的伺服电机的容量来设置 4 反馈脉冲数 根据伺服编码器精度来选择 5 转 动方向 CCW为逆时针方向 CW为顺时针方向 6 自动调整 设置值1 即选择自动模式1 7 伺服反馈 设置值5 即选择中等频率的反馈 使用个人电脑与伺服放大器的接口CN3连接 再通过伺服配置软件GX Configurator QP2对伺服放大 器MR J2S1 0B的参数进行修改和设置 4 2定位模块参数设置 定位模块QD75M4的参数配置可以通过Q02HCPU 写入 但用户需要对定位模块内部的地址逐个操作并 执行大量的赋值 过程繁琐 作者采用直接通过伺服 配置软件GX Configurator QV2设置QD75M4的参数 使全部参数设置都在类似填表格和做选择的过程中完 成 通过GX Configurator QP2可方便地将参数写入到 定位模块Flash ROM中 也可以把定位模块中的参数 读出来 定位模块参数设置如图4所示 50 0岬 0O 0O 旷n OO岬 OOtt 10O 100岬 a O 10OL 图4定位模块参数设置 4 3 PLC程序设计 1 顺控程序的功能 在系统中 定位模块计算了电机从一点到另一点 所走过的各点的位置坐标 伺服放大器控制电机运行 过程中的动态性能 Q系列CPU则控制伺服放大器 和定位模块 顺控程序就是指QO2HCPU中的程序 其作用主要是调用定位模块中存储的定位项目和进行 逻辑判断 伺服启动完成后 Q系列CPU中编写的 程序就可以访问到QD75M4 完成一段直线或圆弧插补所需的参数 合起来称 为一个定位项目 Item 每一个项目包含的信息包 括该项目的编号 式样 控制方式 插补的轴 加速 时间 减速时间 定位地址 圆弧地址 命令速度 停留时问 M代码 只要这个项目的这些参数是确定 的 那么这个项目就有了对应的具体功能 去完成一 段直线 圆弧的插补 这些 功能 一条一条地按 编号存储在对应轴的定位数据表中 在GX Configura tor Qe2的edit目录下 可以设置对1 4轴的主要定 位数据 点击进人其中一轴 进入到该轴的定位数据 表 设置该轴的主要定位数据 在调用定位项目的过程中 顺序程序在外部信号 输人和定位模块之间起一座桥梁的作用 定位的各个 项目是预先写入到定位模块中的 这些项目一条一条 地存储在定位模块的ROM中 定位模块在ROM中把 这些项目专门划分了唯一对应的编号和地址 当有信 第22期 张建刚等 基于Q系列PLC的三维伺服控制系统设计 115 号来调用某一个地址的时候 定位模块执行对应的定 位项目 完成这一项目定位功能 作者在CAD中建立和伺服系统相同的坐标系 在 这个坐标系下绘制好图形后 其图形所需的点可以准 确地读出来 将这些坐标值设置到定位数据的设置表 中并运行 就可以得到和CAD中绘制的相同的图形 另外 利用Q系列CPU丰富的内部资源和指令来 处理所需的数学运算和逻辑运算 就可以将条件判断 运算 执行加入到该伺服系统中 这样系统的运行方 式就变得极为灵活 可以完成更加复杂的任务 2 顺控程序的设计 在设计顺控程序前 因为CPU需要读写定位模 块QD75M4输入输出信号 所以首先要确保建立CPU 和QD75M4通信的正常 文中程序设计主要实现 Y 3轴错误清除 Y z 3轴点动控制 JOG Y z 3轴回零点 OPR Y z 3轴当前值读取显示 直线插补和圆弧插补运 算等5个重要功能 程序设计流程图如图5所示 I CUP QD75M4准备完成J l 各轴伺服电机启动 I 二 轴错误清除 I X z3轴回零点 一 执行3轴点动控制H Y 礴自当前值读取H执行直线 圆弧插补 图5程序设计流程图 值得注意的是 高级定位控制的主要功能是通过 调用块起动来完成的 这里的直线插补和圆弧插补正 是按该方式进行的 4 4人机界面设计 三菱人机界面A985GOT可以和计算机 打印机 条形码读取器等设备连接 具有31cmTFT彩色液晶 屏 工作电压AC100 240V 用RS 232C电缆连接 A985GOT和计算机进行人机界面的监控画面设计 A985GOT和Q系列CPU配合使用 能调用Q系 列CPU的内部软元件 即在A985GOT上使用的软元 件的地址对应于实际Q系列CPU内部软元件地址 可实时显示数据 趋势图 散点图 折线图 使用虚 拟仪表等 用户可方便地在A985GOT上编辑多幅监 控画面 监控范围广 对现场设备的实时监控性好 可执行梯形图监视功能 系统监视功能 网路监控功 能 特殊模块监控功能 采用专业的界面设计软件GT Designer2来进行人 机界面设计 在GT Designer2上设计好监控画面 然 后把画面和该GOT的驱动程序下载到GOT的ROM 卡中存储 用RS 232C电缆连接好Q系列CPU和 A985GOT 启动系统 就可以直接使用了 A985GOT中 可以保存多幅监控画面 使用不同的画面来监控不同设 备和实现不同的控制功能 人机界而如图6所示 6人杏 L界面 图6通过RS 232C电缆上传到A985GOT后 就 可以执行直线插补和圆弧插补的监控 还能够完成伺 服执行机构的 轴试笔 Y z 3轴错误清除 复 位归零以及位置显示 当然也可以很方便地进行监控 画面的切换 5结束语 该项目是按照工业级要求集成的基于Q系列PLC 的三维伺服控制系统 从硬件选型到软件设计都采用 了现代工业控制主流产品 并且提供了友好的人机交 互界面 可完成多轴直线插补和圆弧插补运算 正方 形 圆 各种艺术字以及各种图案的绘制 在 轴上 安装真空吸盘 真空发生器 同时配上气动器件和空 压机可进行机械手的分捡实验 该系统能够为进一步 研究复杂结构 实现多样化中大型工业控制提供良好 的平台 实验证明了该系统运行稳定 控制精度高 具有实际应用意义 参考文献 1 龚仲华 史建成 孙毅 三菱FX Q系类PLC应用技术 M 北京 人民邮电出版社 2006 12 2 郑萍 现代电气控制技术 M 重庆 重庆大学出版社 2001 12 3 三菱电机株式会社 MR J2S一口B Sevo Amplifier instme tion Manual M 2001 1 4 三菱电机株式会社 QD75M Positioning Module User s Manual M 2002 11 5 三菱电机株式会社 Q系列定位模块QD75P QD75D用 户手册 M 2009 6 三菱电机株式会社 GX Configurator QP Version一2操 作手册 M 2004 6 7 三菱电机株式会社 Q系列CPU功能解说程序基础 M 1999 12 8 三菱电机株式会社 A900 GOT用户手册详细篇 M 2004 4 9 三菱电机株式会社 GT Designer2版本1参考手册 fM1 2005 2