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初稿
第二章系统总体构思及设计
2.1系统需求分析
我们所希望的数控系统,是由一些重要的分散模块组成,这样有利于维修、改造升级,比如由上位机PC及一独立型的嵌入式数控系统两部分构成,其中,独立型的嵌入式数控系统是整个系统的核心部分。
上位机PC,用以实现界面显示、复杂加工代码编程、加工代码翻译,通过网络或UBS把翻译好的中间代码传给独立型的嵌入式数控系统,而核心数控系统由嵌入式处理器及运动控制部分所构成,主要实现根据上位机的中间代码,完成复杂运动控制的功能,同时,核心数控系统也具有简单显示、加工代码编程及翻译中间代码功能。
本论文主要研究的就是核心部分的PLC可编程控制器的数控系统,有如下功能:
1.系统必须具有性能优良的运动控制部分,运动控制部分必须要设计成熟,运行稳定,可靠,抗干扰能力功能强大,反应迅速,控制精度高;
2.运动控制部分必须具有控制多轴的能力,能够实现多轴联动,协调运作,单轴能够持续匀速、变速运动、位置运动、回零运动等;
3.运动控制部分能够实现对各种机械信号的处理:
包括原点信号、左右限位信号、停止信号等;能够实现对异常情况的处理:
包括急停信号处理、警告信号处理,或对多种运动结果及异常情况产生的中断处理,实现实时控制;
4.具有多个编码器,能够对每轴速度调节功能,实时反馈速度或位置偏差给下位机,以实现对运动位置的精确控制;
5.系统是分布式模块的,这样调试、维护方便,易于后来功能扩展。
2.2数控系统的方案选择
下面是几种比较典型的运动控制技术的实现方法及其优缺点:
1、以模拟电路硬接线方式建立的控制系统
早期的运动控制技术的实现方法一般采用运算放大器等分立元件以硬接线的方式构成。
该系统的优点:
可实现系统的高速控制,控制器的精度较高。
但相对于数字系统,其缺陷也很明显:
由于所需要元器件较多,系统可靠性不高,而且系统设计采用硬接线,升级或功能修改几乎是不可能的。
2、以微控制器(MCU)为核心的控制系统
这里的微控制器是指以MCS一51,McS一96等为代表的8位或16位单片机,利用微控制器取代模拟电路作为电动机的控制器,所构成的系统具有简单,灵活性适应性强等优点,在一些性能要求不是很高的场合,现在普遍使用单片机作为电动机的控制器。
但由于微控制器的速度有限,处理能力也有限,因此先进的控制算法难以实现。
3、在通用计算机上用软件实现的控制系统
在通用计算机上,利用高级语言编制相关的控制软件,配合驱动电路板、与计算机进行信号交换的接口板,就可以构成一个运动控制系统。
这种实现方法可实现高性能、高精度、复杂的控制算法;同时控制软件的修改也很方便,但缺点是系统体积过大,难以应用于工业现场,而且难以实现实时性要求高的信号处理算法,不能保证同步性。
4、利用专用运动控制芯片实现的控制系统。
专用运动控制芯片具有响应速度快、系统集成度高、使用元器件少、可靠性好等优点,而且其价格便宜,可进一步降低系统的成本,但受专用控制芯片本身的限制,其扩展能力差,系统升级困难,难以用于高性能高精度的应用场合。
5、以可编程PLC控制器为核心构成的控制系统
基于PLC控制器构成的运动控制系统可靠性高,升级容易,扩展性、维护性好,编程简单易学,电路简单抗感染能力强,运算速度和能力高,可满足对系统性能和精度要求高的场合的需要。
6、以“PC+PLC+IM174“方案的控制系统
可以利用计算机丰富的软件资源,高性能、高精度、复杂的控制算法,专注于人机界面、输入输出、预处理、发送指令等弱实时和非实时性任务,弥补PLC的操作人员不能直观了解现场状况的缺点。
同时,充分利用的PLC的程序设计思路清晰、硬件电路简单实用、可靠性高、抗干扰能力强的优点,这样就可以做一套性价比高的数控系统,应用于工业现场。
最后可利用接口模块IM174强大扩展功能,控制多个伺服系统。
综合考虑,本次设计选用了方案6,用“PC+PLC+IM174“方案实现的控制系统,利用PC计算机的强大软硬件资源,还可以在线实时监视数控系统软硬件的状况。
程软件为SIEMENS的PCS7,PCS7是集成化的编程软件,其中SIMATICManager核心应用程序,在SIMATICManager中对整个系统的全部硬件进行组态,例如CPU、电源以及通讯处理器等元件,还对PLC系统的编程、调试,Fameview用于编制控制系统监控画面。
系统总体结构如下图2-1所示:
图2.1系统总体结构框图
第三章系统的硬件设计
3.1系统硬件配置
根据实际情况和生产线所需要以及总体设计的决策,整个控制系统的具体配置如表4-1所示,共分为四大部分,它们分别是:
1.PLC模块部分,包括所有的西门子PLC组件;
2.驱动装置部分,包括3套伺服驱动器,组成一共3个定位轴,实现整个控制系统的执行机构进行X轴,Y轴,Z轴立体空间运动定位;
3.低压电器部分,包括了主要的控制其外围电路电器元件,如空气开关,交流接触器,继电器,浪涌保护器、断路器等等。
表3.1数控系统硬件配置一览表
西门子S7-300模块
名称
型号/规格
西门子元件的订货号
数量
电源模块
PS307(5A)
6ES7307-1EA00-OAA0
1
CPU模块
CPU315T-2DP
6ES7315-6TM13-0AB0
1
数字量输出模板
SM322
6ES7322-1HH01-0AA0
1
数字量输入模板
SM321
6ES7321-1BH02-0AA0
1
接口模块
IM174
6ES7174-0AA00-0AA0
1
MMC卡(8M)
6ES7953-8LP20-0AA0
1
西门子通讯卡
CP5611(2A)
6GK1561-1AA00
1
PROFIBUS电缆
L2电缆2芯屏蔽
6XV1-830-0EH10
1
PROFIBUS总线连接器
6ES7972-0BB12-0XA0
1
DIN导轨
482.6mm
6ES7390-1AB80-0AA0
1
伺服系统模块
系统名称
伺服驱动器型号
配套伺服电机型号
数量
松下A5MINAS
交流伺服系统
MBDHT2510
MSMD042G1U
1
低压电器部分
主要元件名称
品牌
型号
数量
小型交流接触器
CHNT
CJX2-3210
6
中型交流接触器
PANFENG
3TH8253-0AJZC
5
大型交流接触器
CHNT
CJX2-4011
3
继电器套件(加底座
IDEC
RJ2S-CL-D24
22
24稳压电源
XINHAI
S-350-24
1
限位开关
若干
3.2系统硬件架构
本次系统采用西门子公司具有运动控制功能的SIAMTICT-CPU,作为整个系统的控制核心,即系统的下位机,通过PROFIBUS-DP连接PC上位机的CP5611卡,实现上位机与下位机通信,接受上机的指令;同时SIAMTICT-CPU通过PROFIBUS-DP线连接到IM174接口模块,以此来扩展其功能,可同时接八个轴的伺服驱动电机或步进电机,IM174模块转换T-CPU的数据指令,然后发出脉冲信号给伺服系统完成相关执行动作。
松下MINSA5伺服系统,SIMATICT-CPU、IM174接口模块、伺服驱动器都是用DP(DRIVE)通讯口连接,采取等时同步模式,组成一个集运动控制、检测补偿、监控等功能完善的数控系统。
除去外围控制电路,整个控制系统内部的硬件连接情况见图3.2:
图3.1控制系统总体机构示意图
1.工控机通过RS485与西门子T-CPU的MPI/DP口连接,可以对PLC进行程序下载,在线监控和在线诊断,连接可以使用西门子的专用MPI编程电缆,也可以用西门子的PROFIBUS总线电缆;
2.PLC通过PROFIBUS总线电缆从T-CPU的DP口连接到IM174模块,通过IM174模块对驱动器进行数据指令的输出和轴运行反馈数据的接受;
3.根据电机的控制方式,IM174模块通过其X2口与松下伺服驱动器的X4口连接进行脉冲信号的发送和接受,以控制伺服电机的运作。
4.伺服驱动器通过伺服电机的电源线控制伺服电机的启停和运行快慢,伺服电机通过编码器把位置和转速的相关信息通过编码器电缆反馈给伺服驱动器,进而传送给IM174和T-CPU,伺服驱动器凭借得到的反馈信息再对伺服电机进行微调,形成了伺服系统的闭环控制。
5.控制系统的I/O功能都是通过西门子的SM模块来实现的,其中SM321是数字量输入(DI),SM322是数字量输出(DO)。
控制器通过这些模块接受外界的响应和对控制元件进行输出控制。
系统的主要输出有:
1.切削动力头的升降;
2.钻削动力头的旋转和停止。
系统主要输入有:
1.接近开关(IM174外部凸轮信号)
2.限位开关(防止电机冲出轨道)
3.控制开关和按钮(启动,停止,报警)
3.3IM174模块与伺服驱动器及步进驱动器的连接
3.3.1IM174与伺服驱动器的连接
本控制系统最重要的部件连接应该是IM174和伺服驱动器之间的连接,因为要使伺服电机根据T-CPU的要求完成相关的动作,就必须要接好IM174与伺服驱动器之间的信号引脚,保证信号传输的顺畅。
IM174与伺服驱动器的连接主要是IM174模块X2口与伺服驱动器的X5口之间的引脚连接。
具体连线见图3-3。
图3.2伺服驱动器与IM174的连线图
IM174模块与伺服驱动器的连接主要是在IM174模块的X5口与驱动器的X2口之间的
一些引脚连接,用于提供脉冲信号和方向信号,由于步进电机是开环控制所以没有编码器
反馈信号连接至IM174。
具体连接图如图4.7所示。
图3.3步进驱动器与步进电机和IM174接线示意图
3.4系统硬件参数设置
整个控制系统的三大部件中由于T-CPU和IM174都是西门子公司的TIA产品,所有他们的硬件参数设置和程序编制都可以在西门子公司STEP7设计平台中完成,但是驱动单元由于使用的是非西门子的第三方驱动器,不同于西门子自带的伺服,所以必须根据实际情况手动进行多项参数设置,才能使伺服系统与西门子PLC完美的结合在一起。
这些参数包括轴地址的输入,控制方式选择(位置、速度、转矩),编码器设置(绝对、增量),端口波特率设置(RS232C、RS485),惯量比、指令脉冲输入选择和方式(光耦、差分),反馈脉冲分倍频、外部反馈装置Z脉冲设置等等。
这些设置都是在松下A4伺服系统的驱动器上的操作面板上进行设置的,由于参数设置项较多且很多保持默认就行了,所以,本文只对系统设计所涉及到的设置进行介绍。
3.5运动控制器的比较
基于以上方案分析,本毕业设计课题用基于“PC+PLC“控制平台,以及良好的伺服执行系统。
本次设计目标要实现复杂多轴联动的精确控制,还方便以后功能扩展,所于对于PLC控制器选型尤为重要,应具有良好的运动控制能力。
根据调研,目前市场上有三种运动控制器。
1.普通CPU价格便宜,但是这能用作最简单的定位和同步功能的软件解决方案;
2.SIMOTION强大的高级工艺和运动控制的功能,但是由于是第三方部件,会增加解决方案的经济压力;
3.就功能和经济性来考虑的话,T-CPU价格适中介于前者之间,集成提供多轴的动态运动控制无疑是一个即经济又能满足大多数要求。
所以本次设计,比较复杂,要求多轴联动,数据通信和运算量大,对系统控制精度要求比较,但预算有限,追求系统整体的性价比,因此采用PLC是西门子公司具有运动控制功能的SIMATICT-CPU。
3.6T-CPU简介
可编程控制器(PLC)是一种数字运算操作的电子系统,专为在工业环境下的应用而设计"它采用可编程序的存贮器,用来在其内部存贮执行逻辑运算!
顺序控制!
定时!
计数和算术运算等操作的指令,并通过数字的、模拟的输入和输出,控制各种类型的机械或生产过程。
PLC具有通用性强!
使用方便!
适应面广!
可靠性高!
抗干扰能力强!
编程简单等特点"PLC在工业自动化控制特别是顺序控制中的地位,是无法取代的。
本次设计采用的PLC是西门子公司T-CPU控制器。
T-CPU全称SIMATICT-CPU,根据西门子官方的翻译,中文应该被称为“工艺型可编程控制器”,这里简称T-CPU,是西门子公司不断地采用面向运动控制的工艺功能,对自动化和驱动系统进行改进和扩展,实现了PLC功能、运动控制系统通过PROFIBUS网络完美结合的最先进产品。
3.7T-CPU的硬件结构
T-CPU的硬件外形及各功能部件如图3-6所示,出去指示灯和开关以及MMC卡插槽,它主要有以下四个接口:
1.X1口MPI/DP口
2.X3口DP口
3.X11数字量输入
4.X11数字量输出
图3.4
下面介绍T-CPU的主要核心功能部件。
3.7.1MPI/DP口(X1)
MPI是多点接口(MultiPointInterface)的简称,是西门子公司开发的用于PLC之间通讯的保密的协议,用于PG/OP连接或用于MPI子网上的通讯的CPU接口,能与PG/PC、OP/TD、带MPI口的S7-200/S7-300/S7-400连接,有MPI、DP主站、DP从站、I从站4种工作模式。
MPI通讯是当通信速率要求不高、通信数据量不大时,可以采用的一种简单经济的通讯方式。
MPI通信可使用PLCS7-200/300/400、操作面板TP/OP及上位机MPI/PROFIBUS通信卡,如CP5512/CP5611/CP5613等进行数据交换。
MPI网络的通信速率为19.2Kbps~12Mbps,最多可以连接32个节点,最大通讯距离为50m,但是可能通过中断器来扩展长度。
3.7.2PROFIBUS-DP(驱动器)接口(X3)
PROFIBUS-DP(DecentralizedPeriphery,分布式外部设备)(驱动器),是一种高速低成本的数据传输,用于自动化系统中单元级控制设备与分布式I/O(例如ET200)的通信。
主站之间的通信为令牌方式,主站与从站之间为主从轮询方式,以及两种混合,主站周期读取从站的输入信息并周期地向从站发出信息。
如下图3.8所示。
图3.5PROFIBUS-DP总线系统
PROFIBUS-DP还提供智能化设备所需的非周期性通信以进行组态,诊断和报警处理,支持等时模式。
传输特点:
1.接口:
RS485;
2.介质:
双绞线、光纤;
3.传输速率9.6kb-12Mb;
4.传输距离<=1.2km;
5.结构:
总线或树形拓扑,有终端电阻;
6.不归零差分编码,半双工异步传输;
7.数据帧:
短帧1字节,普通帧3-255字节;
8.循环数据传输和非循环数据传输;
PROFIBUS总线连接器
PROFIBUS总线连接器,用于连接PROFIBUS站与PROFIBUS电缆实现信号传输,一般都带有内置终端电阻,
图3.6PROFIBUS连接器结构图
3.7.4集成技术功能I/O(X11口)
T-CPU拥有集成技术的4个集成数字输入和8个集成数字输出。
可将这些集成输入和输出用于技术功能,例如参考点采集(参考凸轮)或高速输出凸轮切换信号,集成输入和输出还可以与STEP7用户程序中的技术功能一起使用。
在对快速工艺过程要求很高的应用场合中可以使用集成输入和输出。
其内部结构如图3.11所示
图3.7T-CPU集成技术功能功能I/O内部结构图
3.8IM174模块
3.8.1IM174模块简介
IM174模块(接口模块)是一个接口模块,集成Profibus-DP口,具有相应的报文结构,能用4模拟量输出控制4个伺服电机,用4个脉冲输出控制4个步进电机,以及4个编码器的反馈通道来实时电机的转速和位置,支持在等时同步模式下通过PROFIBUS总线连接SIAMTICTCPU,完成复杂多轴的定位功能。
IM174模块的功能特点:
1.通过DP总线等时同步的技术特性,IM174与S7T-CPU连接,最多控制8个电机。
2.具有模拟驱动器的每个轴都可以连接TTL编码器或SSI编码器,可以直接计算出工艺轴的实际速度值。
3.IM174具有10个数字输入和8个数字输出,可用于参考点采集或测量输入,及其他特殊功能。
4.通过STEP7硬件配置界面窗口,可以实现IM174模块的在线诊断功能;
5.可以在STEP7的硬件配置中,通过S7-Technology中的TOM(TechnologyObjectsManagement),完成对模块IM174的硬件组态参数配置。
IM174模块外形及其元件分布图见图3.10所示:
图3.8IM174外观及其功能部件分布图
表3.4IM174面板各元件和接口说明
编号
标识
类型/功能
1
ON/EXCH/TEMP/RDY
诊断LED
2
BUSADDRESS
DIP开关
对应于AH=10(十进制)
3
DC24V
外部电源接口
4
X1
PROFIBUS总线接口
5
X2
模拟设定值输出+/-10VDC,轴1到轴4或者步进电机输出1到4
6
X3
轴1的编码器连接口
7
X4
轴2的编码器连接口
8
X5
轴3的编码器连接口
9
X6
轴4的编码器连接口
10
X11
数字输出信号连接端口
11
X11
数字输入信号连接端口
12
数字输入输出的状态LED(信号电平的LED显示)
3.8.2使能功能
IM174模块附带两个比较重要的功能,一个是使能驱动器功能,另外一个是回零功能,下面将介绍这两个功能在本控制系统中的应用。
1.使能信号:
在这里特别介绍一下IM174的“ENABLE”信号,因为很多伺服驱动系统在与IM174连接进行定位或者其它动作时,必须由IM174发送一个“ENABLE”信号至伺服驱动器X4口的29引脚,伺服驱动器收到此信号后就“待运行”状态,等待接收IM174的指令脉冲,然后开始动作。
ENABLE信号也可以翻译成“伺服使能”信号,本文在后续章节中简称之为使能信号。
IM174会在采用循环控制操作时激活此信号以使驱动器开始工作。
具体使用如下:
1.ENABLE信号ON:
启用机动控制电路
2.ENABLE信号OFF:
根据所使用的机动部件,可能会出现下列一种或多种情况:
a.禁用脉冲输入
b.停止电机
那么,伺服使能信号是怎么发出来的呢?
先看图3.13
图3.9IM174内部继电器使能信号触点示意图
从图3-10中可以得知X2中的14和47引脚,15和48引脚,16和49引脚,17和50引脚分别接在IM174内部继电器的常开接头上,14……16脚一般接+24V高电平或者直接接地,47……50引脚是IM174给轴到1至轴4的伺服使能信号的输出引脚,接到接到伺服驱动器中的伺服使能输入引脚,如果IM174发出伺服使能指令,IM174的内部继电器线圈得电,常开触头的两端接通,接到14……17号引脚的+24V或者接地信号就通过47脚至50脚发送到伺服驱动器中,使伺服开始动作。
具体是接高电平还是地,得看与IM174相连接的驱动器是接受哪种类型的“使能”信号了。
本系统用的松下A4交流伺服系统必须接地才能使能驱动器,所以14到17脚必须接地才能用软件控制IM174给伺服驱动器发送使能信号。
2.伺服准备好信号(Ready)
使能动作必须由Ready信号已给出做前提,前面已经介绍过使能信号是怎么给出的,下面说说伺服准备好信号。
伺服准备好信号是由伺服驱动器X4口37脚提供的输出信号,要使驱动器能够通过T-CPU在软件中使用技术功能块MC_Power打开,则驱动器就必须提供一个约+24V的高电平信号给IM174X11数字量输入的R1……R4(对应轴1到轴4)。
当检测到R1……R4引脚状态位高电平时,T-CPU立即通过MC_Power模块给出伺服使能信号,是当驱动器工作时,该信号也必须保留。
如果信号被清除,则驱动器将停止工作。
伺服电机将停止运行,驱动器使能原理与准备好信号关系如图3.11所示。
图3.10轴1的驱动器使能原理图(其它轴同)
如果所接的驱动器不能主动提供这种信号,也有一个解决方案,那就是可以手动为IM174X11-Rx固定地输入一个24V。
而这样做的缺点是:
即使驱动器内部没有准备好工作或者出现错误,T-CPU中的技术功能块MC_Power模块的Status[B3]状态位也将返回TRUE状态,如果驱动器没有编码器,那么IM174将不能了解驱动器的真实工作情况,也不能把这种情况传送给T-CPU,所以将不能实时监视驱动器,给机器维护和故障排查带来了困难。
3.9松下MINASA5伺服驱动系统
3.9.1伺服系统的概述
伺服系统是指以机械量,诸如位移、速度、加速度、力和力矩等作为被控量的一种类型的自动控制系统,又称伺服机构。
例如在数控机床中,伺服系统接收来自插补器的进给脉冲,经放大和变换后转化为机床工作台的位移。
伺服系统的特点是快速性、精确性和稳定性,即输出量迅速而精确地响应指令输入的变化。
伺服系统常按控制原理、被控量的性质、驱动方式和执行元件等类型分类。
伺服系统按其控制原理可分为开环、全闭环和半闭环控制三种形式,按其被控量的性质可分为速度、位置、同步、扭矩控制等形式,按其驱动方式可分为电气伺服、空压伺服、油压伺服等形式,按其执行元件可分为步进伺服、直流伺服、交流伺服等形式。
开环伺服系统的执行元件大多采用步进电机、闭环和半闭环伺服系统的执行元件大多采用直流伺服电机和交流伺服电机。
伺服系统是构成机电一体化产品的主要部分之一。
如数控机床是由控制系统、伺服系统、机床等部分组成。
伺服系统接受控制系统来的指令信息,并严格按照信息的要求带动机床移动部件进行运动。
选择伺服系统时要从驱动部件所需功率、控制精度、机械结构等方面考虑。
即要选择适用范围的伺服系统和适当精度控制方式的伺服系统,以及简单的机械传动方案。
对不同的机电一体化设备,伺服系统驱动部件时所需功率的差异很大。
在确定驱动方式时,一般从输出功率与响应频率两个方面综合选择。
油压驱动伺服系统输出功率大、响应频率高。
空压驱动伺服系统响应频率低但输出功率大。
伺服电机驱动的伺服系统,对不同的伺服电机具有不同的要求,因此具有所选择的输出功率范围大、响应频率宽的特点。
在机电一体化产品中,常采用伺服电机驱动的伺服系统。
3.9.2伺服电机的选择
数控伺服系统对所用的伺服电机要求如下:
(l)灵活方便控制,定位准确精度高;
(2)散热性好、可靠性高;
(3)响应快,换向性能好;
(4)能长时间连续工作不需要维护;
(5)容易编程控制,调试、维护方便;
(6)线路连接简单,系统抗干扰能力强;
(7)电机的厂家技术成熟,资料齐全;
常用的伺服电机主要有:
直流伺服电机、交流伺服电机、步进电机;
首先伺服电机和步进电机的比较:
1、精度:
实现了位置,速度和力矩的闭环控制;克服了步进电机失步的问题;
2、转速:
高速性能好,一般额定转速能达到2000~3000转;
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