【正文】 第 0 頁1 緒論 定位控制技術國內(nèi)外背景及研究的目的和意義 定位控制技術是適應現(xiàn)代高科技需要而發(fā)展起來的先進控制技術，是高科技產(chǎn)品開發(fā)過程中不可或缺的關鍵手段，它應用于現(xiàn)代電子，傳感技術及計算機等高新技術，并綜合應用了機械技術發(fā)展的新成果，不管是在民用工業(yè)，還是在國民經(jīng)濟建設中都有著極其廣泛的應用前景，如機床定位、精密醫(yī)療器械、計算機硬盤定位系統(tǒng)、紡織、自動貼片等。定位控制技術作為現(xiàn)代高科技的重要組成部分，又推動著自動化生產(chǎn)，計算機、材料加工、醫(yī)療、紡織等相關領域的發(fā)展。在定位控制技術的研究和發(fā)展過程中，定位控制算法起著決定性的作用，它是實現(xiàn)高精度定位的基礎，也是衡量一個國家定位控制優(yōu)劣的重要標志。而各國對這些技術是嚴格保密的，因此依靠自己的力量，研究定位控制系統(tǒng)，既具有重大的理論價值，又具有重要的實際意義。如美國的 GALIL 公司，自 1983 年成立之日起，專門致力于精密運動控制器的開發(fā)。它開發(fā)的運動控制器采用 32 位微處理器，可實現(xiàn)多種運動控制方式，定位精度可達177。日本在這方面技術也是領先的，如它們開發(fā)的 DSS 型定位控制器，采用交流伺服電機，在保證最高速度 330mm/sec 下，重復定位精度可達177。另外，韓國 inCOM 技術公司通用定位控制器 Robo 系列也是目前性能較好的定位控制器之一。速度和位置檢測多采用編碼器，實現(xiàn)全數(shù)字化控制也是一個 鞍山科技大學本科生畢業(yè)設計(論文) 第 1 頁總體的發(fā)展方向。隨著國外伺服定位控制技術的飛速發(fā)展，目前，我國在這一方面也有了極大的發(fā)展，比如，哈爾濱工業(yè)大學精密工程研究所、華中理工大學、國防科技大學、長春光學精密機械研究所等單位都在從事定位控制方面的研究工作，并取得了階段性的成果。本課題就以工業(yè)領域中運料小車為例，采用德國西門子公司 S7400 通過變頻器對其運動過程實現(xiàn)精確定位，其目的是通過引入先進的定位控制技術，能夠很好的改善系統(tǒng)特性，以滿足對定位精度提出的要求。該設備在整個系統(tǒng)中起著至關重要的作用，它能否正常運料直接影響產(chǎn)品產(chǎn)量和質量。將 PLC 應用到運料小車電氣控制系統(tǒng)，可實現(xiàn)運料小車的自動化控制，降低系統(tǒng)的運行費用。 變頻器調速技術簡介本課題中變頻器作為連接 PLC 和運料小車的中介也起到很重要的作用。它本身具有故障率低、調速精度高、保護功能多、節(jié)能效果顯著等優(yōu)點，在各行業(yè)中獲得了廣泛應用。前者要解決與高壓大電流有關的技術問題和新型電力電子器件的應用技術問題，后者要 鞍山科技大學本科生畢業(yè)設計(論文) 第 2 頁解決的軟硬件開發(fā)問題，此部分作為與本課題相結合的 PLC 控制技術將在后面的章節(jié)里作系統(tǒng)的分析。全文共分四章，下面簡要介紹各章的主要工作：綜述了定位控制系統(tǒng)的背景資料及國內(nèi)國外現(xiàn)狀，同時對與本課題緊密相關的運料小車和變頻器調速技術作了簡要的介紹。同時也對變頻調速的歷史及原理作了扼要的說明。作為全文的結尾，總結了本文的主要工作，取得的成果及有待改進的地方，并進一步展望了定位控制系統(tǒng)的長遠發(fā)展。西門子公司的 S7300/400 在大中型 PLC 中應用最廣，市場占有率最高。作為本論文的主控設備，現(xiàn)將其系列的組成作如下介紹： S7400 系列 PLC 的基本結構S7400 由機架、電源模塊(PS)、中央處理單元(CPU)、數(shù)字量輸入/ 輸出(DI/DO)模塊、模擬量輸入/輸出(AI/AO) 模塊、通信處理器(CP)、功能模塊(FM)和接口模塊(IM)組成。S7400 的模塊插座焊在機架中的總縣連接板上，模塊插在模塊插座上，有不同槽數(shù)的機架供用戶選用，如果一個機架容納不下所有的模塊，可以增設一個或數(shù)個擴展機架，各機架之間用接口模塊和通信電纜交換信息。如果有擴展機架，中央機架和擴展都需要安裝接口模塊。CC 和 EU 的最大距離為(帶 5V 電源 )或 3m(不帶 5V 電源) 。CC 最多插 6 塊發(fā)送 IM，最多只有 2 個 IM 可以提供 5V 電源。用 ET 200 分布式 I/O 可以進行遠程擴展，用于分布范圍很廣的系統(tǒng)。使用光纜時 CC 和最后一個節(jié)點的距離為 23km。中央機架，最多能連接 21 個擴展機架。擴展機架中的借口模塊只能安裝在最右邊的槽(第 18 槽或第 19 槽)。 鞍山科技大學本科生畢業(yè)設計(論文) 第 4 頁 STEP7 的編程語言 STEP 7 是 S7300/400 系列 PLC 的編程軟件。STEP 7 還有多種編程語言可供用戶選用，但由于本系統(tǒng)中未曾涉及，在本文里就不作介紹了。梯形圖與繼電器電路圖很相似，具有直觀易懂的優(yōu)點，很容易被工廠熟悉繼電器控制的電氣人員掌握，特別適合于數(shù)字邏輯控制。語句表(STL)S7 系列 PLC 將指令表稱為語句表(Statement List)，它是一種類似于微機的匯編語言中的文本語言，多條語句組成一個程序段。功能塊圖(FBD)功能塊圖用類似于與門、或門的方框來表示邏輯運算關系，方框的左側為邏輯運算的輸入變量，右側為輸出變量，輸入、輸出端的小圓圈表示“非” 運算，方框被“導線”連接在一起，信號自左向右流動。 鞍山科技大學本科生畢業(yè)設計(論文) 第 6 頁3 運料小車的精確定位的設計方案 設計的產(chǎn)生背景在工業(yè)生產(chǎn)工程控制中，有不少定位、定量的控制任務而且這些定位的問題是其過程實現(xiàn)自動化的一個極其重要的環(huán)節(jié)。8mm。為了完成上述控制要求的行車運行，采用 PLC 和變頻器的結合將是一個很好的選擇。假設縱坐標為速度，橫坐標為距離，從原位出發(fā)，先以勻加速運行；當速度達到高速時，再以勻速運行；當?shù)竭_ A 點時，改為勻減速運行，到達爐口 B 點時，運料車立即停止運行，準備卸煤于爐中。2) 在滿足上述條件的情況下，盡可能地選擇較大的加速度，以提高生產(chǎn)效率。根據(jù)以上的系統(tǒng)功能要求，我們決定使用 PLC 系統(tǒng)以分布式總線結構來實現(xiàn)控制系的全部功能。硬件選擇(1) 主站的 PLC 系統(tǒng)采用西門子的 S7400 系列。子站采用西門子的 ET200S 遠程 I/O 系統(tǒng)。主站只需要發(fā)送命令即可，減輕了主站 PLC 的負擔。2) 有專用的柔性電機啟動器，用于小車卸煤開關電機的控制。例如，操作員在現(xiàn)場安下起動按鈕，主站接收到 DI 輸入，并轉化成起動命令，傳遞給子站。ET200S 還負責控制小車的前進，后退，在裝卸煤的精確定位等動作的執(zhí)行，以及一些錯誤狀態(tài)的自動復位等。S7400 除了控制小車的運行，還負責系統(tǒng)的開關、狀態(tài)的顯示以及錯誤狀態(tài)的手動復位等。(2) 變頻器我們選用 Siemens 的 MicroMaster 440 變頻器來控制小車的行走。因此只需插入 PROFIBUSDP 通訊模塊，即可通 PROFIBUS總線與子站 PLC 通訊。 鞍山科技大學本科生畢業(yè)設計(論文) 第 8 頁MicroMaster 440 變頻器在控制運料小車時因為其功率較小，采用 V/F 控制方式。假設變頻器的輸出頻率從 增加到 50Hz、從 50Hz 降至 的時間設定為 1s 時，小車所獲得加速度和減速度都可以滿足要求。假設變頻器的輸出頻率從最高頻率 50Hz 下降到所指定的頻率 期間，小車處于勻減速運行，當變頻器輸出頻率為 50Hz 時，測得小車速度為 vmax；當變頻器輸出頻率為 時，測得小車的速度為 vmin；則小車的減速度 a 為： a=(vmin—vmax)/t ()式中 為減速過程所需的時間，為預先設定時間，然后根據(jù)勻減速運行方程，可以求得tA 點到 B 點的距離 為：s s=at2/2 ()軟件組態(tài)(1) 使用的組態(tài)軟件為了能使用編程器對選定的硬件進行編程，并且必須在編程器中先對硬件進行組態(tài)，并將組態(tài)好的信息通過編程設備電纜下載到 PLC 中。為了識別 ET200S 遠程 I/O站和 MicroMaster 440 變頻器，還必須加裝 S7 Step 7 SP1 軟件包。(3) 子站 PLC 系統(tǒng)的組態(tài)一套 ET200S 系統(tǒng)包括 IM1517 CPU，PROFIBUSDP 接口模塊，電源模塊，數(shù)字量/模擬量輸入輸出模塊，電機啟動器等部分。(4) 分布式結構的組態(tài)和通訊區(qū)設置主站和子站之間是一對多的關系，一臺主站與所有子站通過 PROFIBUSDP 通訊?？梢允褂?Net Pro 程序進行網(wǎng)絡結構組態(tài)和下載。主站上的虛擬 I/O 區(qū)對應于小車上的虛擬 I/O 區(qū)。同樣的，子站可以通過虛擬 DO 將自身的狀態(tài)返回到主站，以供主站監(jiān)視和判斷。(5) 組態(tài)信息的下載HW config 程序和 Net pro 程序都提供組態(tài)信息的下載。下載完成后如果診斷無誤，那么硬件的設置工作就完成了，可以開始進一步的工藝流程編程設計。 鞍山科技大學本科生畢業(yè)設計(論文) 第 15 頁 A KNOT = M A NSP = M A STRT = M A ENTR = M A TPVS = M A TPVL = M A TPRL = M A TPRS = M A AE = M A ENDV = M A LAGV = M A LAGR = M A ENDR = M A MOTO = M A QUIT 鞍山科技大學本科生畢業(yè)設計(論文) 第 16 頁 = M A INIT = M A LAGP = M L ZYKL T DBW 242例如：狀態(tài) KNOT 為 1 時代表無緊急停車，此時臨時變量 M 瞬時產(chǎn)生一個脈沖，用于以后程序塊的觸發(fā)。 A M AN M = M S M AN M R M ON DBX ON M JC NWE2 L 0 T DBW 240NWE2: NOP 0 (5) 向前爬行準備中 鞍山科技大學本科生畢業(yè)設計(論文) 第 17 頁 在此梯形圖中 M 為 1 時快速向前爬行，M 為 1 時慢速向前爬行，M 定義為向前爬行的邊沿評估輔助標志位，M 為 1 時即給了一個上升沿脈沖，運料小車的準備工作就此為止。M 為 1 時表示小車向前爬行中觸發(fā)了極限位置的硬件限位開關，M 為 1 時小車爬行使能。當這些狀態(tài)位起作用時復位 M ，向前爬行停止。(8) 慢速向前爬行 M 向前爬行使能， M 為 1 小車快速向前爬行，在此起到與快速互鎖的功能，這樣的例子在程序中經(jīng)?？吹?。下面所表示的小車的運行過程為向后爬行，其運行原理與向前運行如出一轍，只需變換相應的標志位即可實現(xiàn)，在次就不作過多