一种PLC控制多轴伺服与步进电机经济方案

    康茂

    

    

    

    摘 要：随着工业自动化水平不断提高，客户对设备速度要求也越来越高。因此，很多执行机构采用伺服或步进电机进行驱动，由此导致设备制造成本越来越高。怎样设计一个既稳定又经济的控制系统，是本文重点研究的内容。针对多轴运动系统，本文采用多台PLC进行控制，利用PC Link网络和IO接口构建传输周期短、反应速度快的经济控制系统。

    关键词：多轴控制；经济方案；PLC；PC Link网络

    1 引言

    随着国民经济高速发展，生产商对自动化设备需求日益增多，同时对设备稳定性和复杂程度要求越来越高，有些设备多达几十个动作。设备制造商为了满足客户需要，逐渐用伺服或步进代替部分气缸动作，使得设备运行更平稳、调节更方便。目前大多数伺服或步进电机控制都是采用PLC+专用定位模块来完成，如：OMRON的两轴位置模块CJ1W-NC213和4轴位置模块CJ1W-NC413等，但这些模块价格昂贵，在各个轴都是独立运动情况下，用这些定位模块显然不划算。本文主要介绍了OMRON的CP1H-X40DT型PLC控制8台伺服与步进电机组合控制系统方案，满足设备运行要求。采用该控制方案，最大可以控制36轴伺服与步进电机。

    2 多台伺服与步进电机的控制方案

    OMRON的CP1H-X40DT型是一款多功能小型经济型PLC，自带4个100 kHz的高速脉冲输出，想要更高速的脉冲输出，可以选用CP1H-Y型，它有2个单相1MHz脉冲输出和2个100 kHz脉冲输出。

    本文涉及的伺服和步进驱动器都是集电极开路输入，驱动方式采用脉冲+方向。因此，选用两台CP1H-X40DT型PLC，就能够控制8台伺服与步进，如图1所示。

    3 系统控制方案

    由于控制系统含有两台PLC，因此怎样采用PLC作为控制器并结合人机界面，构建传输周期短、反应速度快的实时系统，是两台PLC控制的难点。本文主要从PLC与人机界面、PLC与PLC间数据交互进行说明，系统控制基本结构如图2所示。

    3.1 PLC与人机界面通讯

    PLC与人机界面采用RS232通讯，在1# PLC串口1安装RS232选件板CP1W-CIF01，打开PLC的CX-Programmer软件，进入设置界面，如图3所示。人机界面也设置相同的通讯协议即可实现通讯。

    3.2 PLC与PLC数据交互

    两个PLC控制各自的电机和逻辑，为了用户使用方便，电机调速、气缸动作延时等参数需要在人机界面上设置和修改，系统在运行过程中一些状态或异常信息等也要在人机界面上显示出来，因此在PLC间要实现数据交换。本文从通讯和IO两种方式说明数据交换情况。

    3.2.1PC Link通讯方式

    本系统采用PC Link通讯方式，无需程序进行数据交换，正确设置系统寄存器和通讯模式即可通讯，应用非常方便！

    （1） PC Link通讯设置

    在CP1H型 CPU单元上安装RS485选件板（CP1W-CIF11）即可实现CP1H与CP1H CPU单元间数据交换。CP1H 型PLC最大可实现9台PLC之间通讯（主站1台，从站最大8台），每个PLC单元共享最大10通道的数据，主站占用通道3100-3109CH，其他8个从站占用3110-3189CH。本文中的1# PLC作主站，占用串口2单元；2#PLC作从站，占用串口1单元。1# PC Link设置如图4所示，2# PC Link设置如图5所示。

    （2） PC Link主从站数据映射

    在主站设置中，在“PC链接模式”选择“全部”时，就可实现主站和从站都反映对方的数据，如图6所示。主站3110-3119CH共10个通道可以反映从站3110-3119 CH的数据，而从站3100-3109CH共10个通道也可以反映主站3100-3109 CH的数据。

    （3） PC Link主从站通讯周期时间

    PLC间用到的参数设置和状态信息显示等数据都是通过PC Link通讯传递，所以对通讯速度要求不高。因此，该系统通讯周期完全满足系统需求。PC Link的周期时间计算如下：

    通讯周期时间（单位：ms）=从站周期时间×从站台数+10×脱离从站台数；

    从站通讯时间（单位：ms）=24.6+0.494×（（从站台数+1）×链接CH数×2+12）。

    在本系统中，脱离从站台数=0、从站台数=1、链接CH数=10，因此，通讯周期时间=从站通讯时间=24.6+0.494×（（1+1）×10×2+12）=50.288 ms。

    通过分析发现，50 ms左右通讯时间完全满足本系统需求。

    3.2.2 PLC间IO数据交互

    两台PLC组成一个系统，存在PLC与PLC之间信息传递，参数设置、状态信息等数据交换，用通讯方式传递就满足了；对于一些实时的信息（如：各个PLC控制的准备就绪信号完成信号、控制完成信号等）就不能用通讯方式传递。因此，要实现周期短、反应速度快的实时系统，这些信息就要用IO口进行传递，如图7所示。

    4 结论

    本系统控制方案具有控制成本低、稳定性强、实时性高等优点，在自动化流水线、半导体测试、包装等设备上被广泛应用。采用本系统方案，当PLC间数据量太大时，需要在通讯过程中实施分时传送，这样会造成数据相应有所延迟。再者，在调试和下载程序时比较麻烦，要分别下载程序。在样机调试阶段，可以采用以太网（PLC单元需配置CP1W-CIF41分选板）与电脑进行联机，需要下载程序或监控各个PLC运行情况，只需设置与之对应的IP地址即可，比用USB下载线联机方便。

    参考文献

    [1] 李全利. 可编程序控制器及其网络系统的综合应用技术[M].北

    京：机械工业出版社，2005.

    [2] 戴明宏，苏会林. 基于PC-LinK的自动生产线网络控制方案[J].

    自动化技术与应用，2009， 28（10）.

    [3] 付玉升.一种实现多轴控制的经济解决方案[J].制造技术与机

    床，2004：19-21.