西门子PLC模块6ES7212-1AE40-0XB0

西门子PLC模块6ES7212-1AE40-0XB0

2.3 光伏模块

     光伏模块采用三菱光伏智能功率模块pv-ipm(pm50b4la060)，其技术参数主要有峰值功率pmax＝85w，**工作电压17.5v，这些参数是在标准的试验条件下测试的(太阳光强度1000w/m3，太阳板温度25℃，空气质量1.5)。

2.4 电磁机械运动控制模块

      抗大风自动放帆功能，是保证跟踪发电装置，在风力达到一定强度时防风系统启动，自动调整受风面，避免设备被风吹坏。经实验研究，防风传感器采用德国进口产品，防风系统采用优先工作方式，一旦启动将切断跟踪太阳能系统，自动放帆。

      机械传动机构是跟踪控制的执行机构，它不但承受装置的重量、风力，还在室外工作，而且直接影响整机的精度。经研究，水平传动采用电机、谐波减速机和两级蜗轮蜗杆减速机。仰角传动采用电机、谐波减速机和滚珠丝杠，以保证机械精度和传动效率。

2.5 系统电源模块

      电源电路采用开关电源设计，具有高效率、低损耗的特点。采用开关控制芯片l4960，能提供5.1～40v的输出电压和2.5a的输出电流。电源电路如图5所示，通过调整两个电阻r3和r4，以产生12~24v直流电压，24v(dc)用于plc电源，44v(dc)直接取自整流桥侧供给直流电机。如果用于光伏逆变系统的跟踪系统，220v(ac)可以直接取自光伏逆变电源。

图5 开关电源设计

3 光伏系统软件设计

      并网光伏发电系统控制软件采用模块化设计，包括plc控制和监控程序、pc监控和数据处理程序两个主要部分。

3.1 plc控制和监控程序

      plc控制语句是整个太阳能电池板跟踪系统的重要组成部分，软件编程采用欧姆龙公司的cx-programmer 7.1，cx-p梯形图编程支持软件为使用者提供了从操作界面到程序注释的全中文操作环境，支持bbbbbbs的拖拉及粘贴操作，以及完备的检索功能和常用标准位简易输入功能，为使用者创造了一个高效的编程操作环境。通过计算机的rs-232c口与plc的rs-232c口连接，对plc进行数据实时监控、修改和在线编辑等，方便地把程序传递到plc中或从plc中读出数据。plc主要完成如下工作：

(1) 控制跟踪系统的运动，控制逻辑如图6所示。

图6 控制过程的逻辑顺序

(2) 此子程序是将plc输入与输出状态复制到内存的特定位置，称为标记区域，pc监控程序能随时直接从内存区域读取输入和输出状态。

(3) 采样数据存储。这是一个在线采集存储过程，通过ram数据存储内部的特殊矩阵，每一小时读取光敏电阻的值。数据采集白天进行，晚上停止，直到第二天日出。采集的时间(小时和分钟)存储在不同的矩阵，然后在pc机的屏幕上显示出来。当ram内存满时，将不再存储数据，直到复位操作将存储数据清除。这部分程序采用顺序功能图表(sequential functioning chart，sfc)进行编程，算法如图7所示。

图7 存储过程顺序功能图

3.2 pc监控和数据处理程序

采用面向对象的**编程语言visual basic 6.0实现以下功能：

(1) 自动检测pc机rs232串口和plc端口的连接状态。

(2) 系统监控。决定光伏模块的实际位置和运动方向，显示光敏电阻的读数，以及内存溢出标记。

(3) 模块的强制性前向和反向运动。通过程序界面，发出指令控制plc操作。如果出现系统位置异常，可强迫太阳板按照操作要求恢复初始位置。

(4) 显示系统设置。显示存储在plc内存中的太阳跟踪系统的设置，如前向和反向运动极限，光线暗度极限，前向和反向停止极限，以及对这些参数设置可直接进行修改。

4 结束语

      本研究基于欧姆龙plc，采用光敏电阻比较法，构建了自动跟踪系统模型，使太阳能电池板自动保持与太阳光垂直。太阳能电池板自动跟踪太阳光并网发电系统的研究，有效地提高了太阳能的利用率和光伏发电系统的效率，增加了全年的发电功率输出，从整体上降低了光伏并网发电的成本，符合构建环保型和节能型社会发展的要求，具有很高的经济效益，并能产生良好的社会影响，具有理论研究意义和应用推广前景。基于plc的太阳能电池板跟踪系统能用于独立的太阳能光伏发电，也能应用于串/并联的并网光伏发电系统的现场总线控制，具有良好的应用前景。

随着社会生产不断进步和人们生活节奏不断加快，人们对生产效率也不断提出新要求。由于微电子技术和计算软、硬件技术的迅猛发展和现代控制理论的不断完善，使机械手技术快速发展，其中气动机械手系统由于其介质来源简便以及不污染环境、组件价格低廉、维修方便和系统安全可靠等特点，已渗透到工业领域的各个部门，在工业发展中占有重要地位。本文讲述的气动机械手有气控机械手、XY轴丝杠组、转盘机构、旋转基座等机械部分组成。主要作用是完成机械部件的搬运工作，能放置在各种不同的生产线或物流流水线中，使零件搬运、货物运输更快捷、便利。

一. 四轴联动简易机械手的结构及动作过程

机械手结构如下图1所示，有气控机械手(1)、XY轴丝杠组(2)、转盘机构(3)、旋转基座(4)等组成。

机械手结构

其运动控制方式为：(1)由伺服电机驱动可旋转角度为360°的气控机械手(有光电传感器确定起始0点)；(2)由步进电机驱动丝杠组件使机械手沿X、Y轴移动(有x、y轴限位开关)；(3)可回旋360°的转盘机构能带动机械手及丝杠组自由旋转(其电气拖动部分由直流电动机、光电编码器、接近开关等组成)；(4)旋转基座主要支撑以上3部分；(5)气控机械手的张合由气压控制(充气时机械手抓紧，放气时机械手松开)。

其工作过程为：当货物到达时，机械手系统开始动作；步进电机控制开始向下运动，同时另一路步进电机控制横轴开始向前运动；伺服电机驱动机械手旋转到达正好抓取货物的方位处，然后充气，机械手夹住货物。

步进电机驱动纵轴上升，另一个步进电机驱动横轴开始向前走；转盘直流电机转动使机械手整体运动，转到货物接收处；步进电机再次驱动纵轴下降，到达指定位置后，气阀放气，机械手松开货物；系统回位准备下一次动作。

二 控制器件选型

为达到**控制的目的，根据市场情况，对各种关键器件选型如下：

1. 步进电机及其驱动器

机械手纵轴(Y轴)和横轴(X轴)选用的是北京四通电机技术有限公司的42BYG250C型两相混合式步进电机，步距角为0.9°/1.8°，电流1.5A。M1是横轴电机，带动机械手机构伸、缩；M2是纵轴电机，带动机械手机构上升、下降。所选用的步进电机驱动器是SH-20403型，该驱动器采用10～40V直流供电，H桥双极恒相电流驱动，*大3A的8种输出电流可选，*大64细分的7种细分模式可选，输入信号光电隔离，标准单脉冲接口，有脱机保持功能，半密闭式机壳可适应更恶劣的工况环境，提供节能的自动半电流方式。驱动器内部的开关电源设计，保证了驱动器可适应较宽的电压范围，用户可根据各自情况在10～40VDC之间选择。一般来说较高的额定电源电压有利于提高电机的高速力矩，但却会加大驱动器的损耗和温升。本驱动器*大输出电流值为3A/相(峰值)，通过驱动器面板上六位拨码开关的第5、6、7三位可组合出8种状态，对应8种输出电流，从0.9A到3A以配合不同的电机使用。本驱动器可提供整步、改善半步、4细分、8细分、16细分、32细分和64细分7种运行模式，利用驱动器面板上六位拨码开关的第1、2、3三位可组合出不同的状态。

2. 伺服电机及其驱动器

机械手的旋转动作采用松下伺服电机A系列小惯量MSMA5AZA1G，其额定输出50W、100/200V共用，旋转编码器规格为增量式(脉冲数2500p/r、分辨率10000p/r、引出线11线）；有油封，无制动器，轴采用键槽连接。该电机采用松下公司独特算法，使速度频率响应提高2倍，达到500Hz ；定位超调整定时间缩短为以往松下伺服电机产品V系列的1/4。具有共振抑制功能、控制功能、全闭环控制功能，可弥补机械的刚性不足，从而实现高速定位，也可通过外接高精度的光栅尺，构成全闭环控制，进一步提高系统精度。具有常规自动增益调整和实时自动增益调整两种自动增益调整方式，还配有RS-485、 RS-232C 通信口，使上位控制器可同时控制多达16个轴。伺服电机驱动器为A系列MSDA5A3A1A，适用于小惯量电动机。

3. 直流电机

可回旋360°的转盘机构有直流无刷电机带动，系统选用的是北京和时利公司生产的57BL1010H1无刷直流电机，其调速范围宽、低速力矩大、运行平稳、低噪音、效率高。无刷直流电机驱动器使用北京和时利公司生产的BL-0408驱动器，其采用24～48V直流供电，有起停及转向控制、过流、过压及堵转保护，且有故障报警输出、外部模拟量调速、制动快速停机等特点。

4. 旋转编码器

在可回旋360°的转盘机构上，安装有OMRON公司生产的E6A2增量型旋转编码器，编码器将信号传给PLC，实现转盘机构的**定位。

5. PLC的选型

根据系统的设计要求，选用OMRON公司生产的CPM2A小型机。CPM2A在一个小巧的单元内综合有各种性能，包括同步脉冲控制、中断输入、脉冲输出、模拟量设定和时钟功能等。CPM2A的CPU单元又是一个独立单元，能处理广泛的机械控制应用问题，所以它是在设备内用作内装控制单元的理想产品。完整的通信功能保证了与个人计算机、其它OMRON PC和OMRON可编程终端的通信。这些通信能力使四轴联动简易机械手能方便的融合到工业控制系统中。

三 软件编程

1. 软件流程图

流程图是PLC程序设计的基础。只有设计出流程图，才可能顺利而便捷地编写出梯形图并写出语句表，*终完成程序的设计。所以写出流程图非常关键也是程序设计首先要做的任务。依据四轴联动简易机械手的控制要求，绘制流程图如图2所示。

软件流程图

2. 程序部分

由于论文篇幅有限，这里只列出了开始两段程序，供读者参阅，见图3。

四 结束语

四轴联动简易机械手的各个动作和状态都由PLC控制，不仅能满足机械手的手动、半自动、自动等操作方式所需的大量按扭、开关、位置检测点的要求，更可通过接口元器件与计算机组成PLC工业局域网，实现网络通信与网络控制。使四轴联动简易机械手能方便地嵌入到工业生产流水线中。