【導讀】智能化和人性化的特點。設(shè)計，使該機的功能和性能都得到質(zhì)的提高。設(shè)計內(nèi)容主要包括硬件部分PLC、分包括控制系統(tǒng)的PLC程序設(shè)計、人機界面設(shè)計等。系統(tǒng)的人機界面友好美觀、操作簡便、控制水平較高，符合人性化設(shè)計。原則，能滿足廠方技術(shù)人員的使用需求。

　　

【正文】 輸入點及擴展模塊繼電器線圈提供 24VDC。但從上述計算可知，總的電源需求超出了 CPU226 模塊的電源定額，因此我們可以增加一個外部 24VDC 電源來提供給擴展模塊 ，可保證系統(tǒng)穩(wěn)定、高效地運行。 伺服系統(tǒng) 概述 伺服系統(tǒng)的基本構(gòu)成 伺服控制系統(tǒng)是一種能夠跟蹤輸入的指令信號進行動作，從而獲得精確的位置、速度及動力輸出的自動控制系統(tǒng)。 伺服系統(tǒng)主要由控制對象、伺服電機、檢測器、伺服驅(qū)動器、上位裝置構(gòu)成。 [7] (1)控制對象： 控制“位置”或“速度”的機械機構(gòu)，包含電機的傳動 機構(gòu) ；在本系統(tǒng)中主要體現(xiàn)為送片機構(gòu)、成型機構(gòu)、沖剪機構(gòu)、堆疊機構(gòu)等。 (2)伺服電機： 驅(qū)動控制對象的代表性執(zhí)行裝置，在本系統(tǒng)中選用的是安川交流 伺服電動機； (3)位置或速度的檢測器，一般用安裝在電機上的編碼器，進行位置的檢測，本系統(tǒng)中的檢測器為安川伺服電動機自帶的編碼器； (4)伺服驅(qū)動器： 是指“指令”和“反饋”的“誤差信號”進行補償處理，驅(qū)動伺服電機的驅(qū)動器由處理“誤差信號”的“比較、控制放大器”和驅(qū)動電動機的“功率放大器”構(gòu)成，本系統(tǒng)選用的是 與安川伺服電動機配套的 SGMD 伺服驅(qū)動器 ； (5)上位裝置：以 “位置”或“速度”為目標對伺服驅(qū)動器進行控制的裝置，本系統(tǒng)以 西門子 PLC 作為上位裝置進行控制。 交流 伺服系統(tǒng)的工作原理 交流伺服系統(tǒng)的工作原理是伺服驅(qū)動器發(fā)送運動命令，驅(qū)動伺服電機運動，并接收來自編碼器的反饋信號，然后重新計算伺服電機運動目標位置，從而達到精確控制伺服電機運動的目的。 [8]在實際運行過程中， 伺服系統(tǒng)可在 位置控制模式 、 轉(zhuǎn)矩控制模式 及 速度控制模式 下控制伺服電機的運動 ， 且模式間可以實時轉(zhuǎn)19 換 。 交流伺服系統(tǒng)的控制精度由旋轉(zhuǎn)編碼器來保證。 控制系統(tǒng)伺服模塊詳細設(shè)計 在 ZXSJ 型全自動真 空吸塑機控制系統(tǒng)中 ，送片機構(gòu)、開合模機構(gòu)、沖剪機構(gòu)及堆疊機構(gòu)都是通過伺服電機來驅(qū)動 。 根據(jù)控制系統(tǒng)的功能和性能需求， 上述機構(gòu)在 運動過程中對速度調(diào)節(jié)及 運動定位有較高的要求。 因此，每個伺服系統(tǒng)須工作在位置控制模式下，以實現(xiàn)對伺服電機運動位置較為精準的控制 。 S7200系列 PLC 提供了多種位置控制模式可供用戶選擇，分別是 高速脈沖模式 、 EM253位置控制模塊及自由口通信 等三種 模式 。 但由于本系統(tǒng) 總共需要對 6 臺伺服電機進行控制，在優(yōu)先考慮高速脈沖模式的情況下，只能通過 CPU226 集成的兩個高速脈沖口控制 2 臺伺服電機，其 余的四臺電機可以采用 EM253 模塊或者自由口通信兩種模式進行控制 。 考慮到自由口通信模式在編程方面工作量大，實現(xiàn)起來較為復雜 ，決定采用 EM253 位置控制模塊控制其中的四臺伺服電機。因此，本系統(tǒng)的伺服控制方案最終確定為 CPU226+EM253+EM253+EM253+EM253。下面分別就兩種位置控制模式舉例進行具體設(shè)計過程的說明。 位置控制模式工作原理 位置控制的根本任務(wù)就是使執(zhí)行機構(gòu)對位置控制指令的精確跟蹤，被控量一般是負載的空間位移，當給定量隨即變化時，系統(tǒng)能使被控量無誤地跟蹤并反饋給定量，給定 量可以是角位移或線位移。 在位置控制模式下，伺服驅(qū)動器接收 PLC 發(fā)出的位置指令信號脈沖 /方向，送入脈沖列形態(tài)， 經(jīng)電子齒分 /倍頻后，在偏差可逆計數(shù)器中與反饋脈沖信號比較后形成偏差信號。反饋脈沖是由 光電編碼器檢測到電機實際產(chǎn)生的脈沖數(shù)，經(jīng)過四倍頻后產(chǎn)生的。位置偏差信號經(jīng)位置環(huán)的復合前饋 控制器調(diào)節(jié)后，形成速度控制指令信號。速度指令信號與速度反饋信號與位置檢測裝置相同比較后 的偏差信號經(jīng)速度環(huán)比例積分 控制 器 調(diào)節(jié)后產(chǎn)生電流指令信號，在電流環(huán)中經(jīng)矢量變化后，由 SPWM 輸出轉(zhuǎn)矩電流， 控制交流伺服電機的運行。位置控制精度 由旋 轉(zhuǎn)編碼器每轉(zhuǎn)產(chǎn)生的脈沖數(shù)控制，在脈沖編碼器是安川伺服電機自帶的。 [9] 高速脈沖輸出模式 高速脈沖輸出模式位置控制原理 西門子 CPU226 集成了兩個高速脈沖口，它有脈沖串輸出 (PTO)和脈沖寬度20 調(diào)制輸出兩種脈沖發(fā)生模式可供選擇。 這兩個脈沖輸出口的最大脈沖輸出頻率為100KHz。在 PTO 輸出模式下， PLC 可生成一個占空比為 50%的脈沖串，用于伺服電機的位置和速度控制。 [8]高速脈沖輸出方式的位置控制原理圖如 圖 41 所示： 威綸觸摸屏P L CC P U 2 2 6S G D M伺 服 驅(qū) 動 器安 川 伺服 電 機監(jiān) 視控 制脈 沖方 向 圖 41 高速脈沖模式位置控制原理圖 根據(jù)上圖所示，在控制過程中，將伺服驅(qū)動器定義在脈沖 +方向的控制模式下，由 或 口發(fā)送脈沖信號 ，控制電機的轉(zhuǎn)速和目標位置；通過 或其他輸出口發(fā)送方向信號，控制電機的正反轉(zhuǎn)。 在位置控制模式下，安川伺服驅(qū)動器 可以通過自帶的 CN1 端口與 CPU 中的 I/O 口相連接，相互傳送信號。 硬件接線圖 伺服驅(qū)動器自帶的 CN CN2 端口設(shè)有多個輸入輸出端子，在設(shè)計過程中，我們可以按照各種工作模式引用相應(yīng)的端子，以達到對伺服電機的正反轉(zhuǎn)、 定位反饋、速度、 給定距離、以 及故障信號等參數(shù)的控制。 圖 42 為 伺服驅(qū)動器在高速脈沖位置控制模式下引用 CN CN2 端口的示意圖， 圖 43 為本系統(tǒng)中 送片 伺服電機的主電路接線圖。 [10] 圖 42 CN CN2 端口示意圖 在圖 43 中， 主電源 為 三相 AC380 經(jīng)過變壓器 TC 轉(zhuǎn)為 三相 AC220V 輸入 ，經(jīng)過 電機 保護開關(guān)和交流接觸器后，連接 到安川 SGMD 伺服驅(qū)動器 的 L LL3 和 L1C、 L2C 端口 ；安川 伺服電機電源通過 SGMD 伺服驅(qū)動器 的 U、 V、21 W 三個端口 輸入 ；伺服驅(qū)動器 的 CN2 插口與伺服交流電機用編碼電纜相連，實現(xiàn)反饋功能； CPU226 中編號為 7 7 7 79 的輸入口分別與圖中伺服驅(qū)動器的 1 3 44 號口相連， 實現(xiàn)脈沖輸入、伺服電機正反轉(zhuǎn)控制、伺服報警保護等功能。 圖 43 伺服電機主電路接線圖 EM253 位置控制模塊 模塊位置控制原理 EM253 位置控制模塊 是西門子 S7200 的特殊功能位置控制模塊，它能夠產(chǎn)生脈沖串用于伺服電機的位置和速度的開環(huán)控制。 [8]EM253 位置控制原理圖如44 所示： 如圖 44 所示， 在運行過程中，伺服驅(qū)動器同樣需要定義在脈沖 +方向的工作模式下。由模塊的 P0 口發(fā)送脈沖， P1 口發(fā)送方向， DIS 端口使能放大器并同時清除放大錯誤。 22 威綸觸摸屏P L CC P U 2 2 6S G D M伺 服 驅(qū) 動 器安 川 伺服 電 機監(jiān) 視控 制脈 沖方 向E M 2 5 3使 能接 口 轉(zhuǎn) 化 電 路 圖 44 EM253 位置控制原理圖 EM253 硬件接線圖 比較圖 41 和圖 44 可知， 高速脈沖模式與 EM253 位控制模塊在硬件配置上大體相同。 EM253 位置控制模塊實際上可視為 CPU226 的高速脈沖口擴展，但其屬于開環(huán)控制，不能很好地反映電機的實際運行情況，因此需要利用伺服驅(qū)動器本身的差分輸出信號，通過伺服驅(qū)動器軟件設(shè)置，反饋給 PLC，從而實現(xiàn)閉環(huán)位置控制。 在 EM253 模塊控制方式下， 系統(tǒng)的主電路連接與高速脈沖模式基本相同，這里不再贅述。 EM253 模塊接線如圖 45 所示 ： 圖 45 EM253 位置控制模塊接線示意圖 23 軟件詳細設(shè)計 設(shè)計目標 ZXSJ 型全自動真空吸塑機 對各機構(gòu)的動作的配合要求很高，且時間上的邏輯關(guān)系較為復雜，只有嚴格按照程序設(shè)定的邏輯關(guān)系協(xié)調(diào)執(zhí)行各機構(gòu)的動作才能使吸塑機正常運行并提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。 [2]因此，本系統(tǒng)軟件設(shè)計的目標可以歸納為兩點： (1)實現(xiàn)吸塑機各動作包括下閘、送片、拉伸、成型、夾腳、開合模、沖剪、堆疊等動 作的順序與同步控制 ,在功能上實現(xiàn)工藝流程的控制 ；(2)保證各動作準確可靠， 使吸塑機能夠持續(xù)穩(wěn)定地運行， 在此基礎(chǔ)上盡力提高生產(chǎn)效率。 系統(tǒng)軟件總體設(shè)計 設(shè)計任務(wù)分析 在進行軟件設(shè)計時 ，要達到上述設(shè)計目標， 大致需要從兩個方面著手 ，具體分析如下： (1)準確地控制吸塑機動作的順序與同步執(zhí)行的 邏輯 關(guān)系 ，規(guī)劃好軟件結(jié)構(gòu) 。首先， 在深入研究 ZXSJ 型全自動真空吸塑機的工藝流程的基礎(chǔ)上理順各機構(gòu)動作之間的關(guān)系 并確定 每個動作在一個循環(huán)里所占用的時間 ，從而在程序中設(shè)定各種控制信號的讀入和送出 的時間 ； 其次， 根據(jù) PLC 獲取的來自行程開關(guān)、編碼器等的位置控制信號， 適時地控制每臺電機的啟停，保證各機構(gòu)動作準確到位 ；通過設(shè)定各計時器延時的長短、脈沖頻率等 參數(shù)來調(diào)整吸塑機的運行狀態(tài)，適應(yīng)不同的生產(chǎn)需求。 [11] (2)盡量減小 PLC 的輸出 隨機 延時影響，提高響應(yīng)速度 ，保證程序穩(wěn)定、可靠地運行。 由于 PLC 采用的是循環(huán)掃描的工作方式會對控制信號的輸出造成隨機延時， 當掃描周期相對于控制對象輸入輸出要求過長時 甚至 可能會導致機構(gòu)誤動作影響整機的正常工作。 為了提高 PLC 的響應(yīng)速度，在編寫程時可以采取以下措施： [3]1)選用執(zhí)行時間短的基本 指令，從而縮短掃描的程序長度，減少掃描時間； 2)合理 地調(diào)整指令順序，使某些不會在每個掃描周期都執(zhí)行的動作指令 不與對時間要求較高的指令在同一掃描周期中執(zhí)行 ； 3)選用反應(yīng)快速的中間繼電器，盡量減少中間環(huán)節(jié)，縮短延時時間。 24 軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計 根據(jù)圖 31 所示的系統(tǒng)控制流程， 可以將軟件劃分為幾大模塊，包括 主程序 、伺服 驅(qū)動 、 基本動作控制 、 工作流程 控制 、 及參數(shù) 初始化 等。 采用功能模塊設(shè)計法進行程序設(shè)計可以把吸塑機相同功能的程序集中在一起，使得程序結(jié)構(gòu)清晰 、可讀性強， 便于調(diào)試，還可以根據(jù) 實際 需要靈活增加一些其他的控制 功能 。 程序各模塊之間的關(guān)系如圖 51 所示： 主 程 序伺 服 驅(qū) 動工 作 流 程 控 制 基 本 動 作 控 制參 數(shù) 初 始 化 圖 51 程序結(jié)構(gòu)原理圖 軟件模塊詳細設(shè)計 ZXSJ 型全自動真空吸塑機 工作流程的控制較為復雜，基本動作主要包括加熱箱進退、送片、合模、油泵、拉伸、真空、夾腳、開模、沖剪、堆疊等， 其中設(shè)計順序與同步控制的問題。在本控制系統(tǒng)中，有許多機構(gòu)的動作是并行進行的，即 在某個動作結(jié)束后需要同時 起動 幾個機構(gòu)，經(jīng)過不同的延時動作后在匯合到同一狀態(tài)，進行下一個循環(huán)。 因此，在編寫程序時可采用并行型分支與匯合的狀態(tài)轉(zhuǎn)移方法 ，在一個狀態(tài)完成后，同時驅(qū)動數(shù)個分支的狀態(tài)，同時進行多個程序的執(zhí)行。 下面將根據(jù)上述編程思想對本控制系統(tǒng)的主程序及各個分支程序進行詳細的剖析 。 主程序設(shè)計 基于上述編程思想， 可將系統(tǒng)中同一系列的基本動作 劃分 為一個子過程， 通過調(diào)用子程序的方式來完成對子過程的控制 。主程序流程圖如圖 52 所示， 程序中設(shè)置兩種工作方式：當選擇手動方式時， 只需按照圖示流程來 順序 執(zhí)行，不必考慮同步控制的問題；當選擇自動方式時， 主程序包含了順序與同步控制執(zhí)行方式， 主程序的循環(huán)周期從下閘復位開始到成型、沖剪及堆疊子過程完成后 結(jié)束 。25 其中， 主程序所調(diào)用的 三個子過程執(zhí)行的起始時間相同但結(jié)束時間不同，當最后一個子過程執(zhí)行完畢才進入下一個循環(huán)， 各個狀態(tài)轉(zhuǎn)移的判斷條件為執(zhí)行時間或位置信號輸入 （在流程控制功能模塊中進行相應(yīng)的設(shè)置）。 開 始按 下 加 熱 箱按 鈕選 擇 工 作 模 式（ 手 動 / 自 動 ）自 動 模 式送 片下 閘成 型 子 過 程沖 剪 子 過 程堆 疊 子 過 程結(jié) 束N下 閘 復 位下 閘 到 位YN送 片送 片 到 位下 閘 上 升成 型 子 過 程YN沖 剪 子 過 程 堆 疊 子 過 程完 成 成 型過 程 ？NＹ完 成 沖 剪過 程 ？完 成 堆 疊過 程 ？ＮＮＹYＮ結(jié) 束按 下 停 止按 鈕 ？Ｙ 圖 52 ZXSJ 型全自動真空吸塑機主程序流程圖 26 成型子程序設(shè)計 成型子過程包含了比較多的基本動作，是本系統(tǒng)中最為重要的部分，成型過程的控制水平將直接影響到產(chǎn)品的質(zhì)量。成型子程序的任務(wù)是控制有關(guān)伺服電機及電磁閥的 順序與同步執(zhí)行 過程 。如圖 53 所示， 該子程序的控制內(nèi)容包括開合模及拉伸、真空和夾腳等動作，其中拉伸動作構(gòu)成一個小循環(huán) ，整個子程序的結(jié)束標志為三個復位動作完成。 成 型 子 過 程開 始上 模 下 降 下 模 上 升延 時 時 間到 ？上 模 復 位Ｙ拉 伸拉 伸 到 位N真 空 成 型Y延 時 時 間到 ？夾 腳Y拉 伸 復 位 下 模 復 位結(jié) 束 圖 53 成型子程序流程圖 沖剪子程序設(shè)計 沖剪子 程序 只要求 控制 兩臺伺服電機的 同步 運行，控制目標實現(xiàn)兩臺伺服電機同步啟動、同步到位及同步復位。 在具體的執(zhí)行過程中，如圖 54 所示