西门子6ES7223-1PM22-0XA8功能介绍

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　0 前言

　　在所有的定位系统中, 都有两种值检测系统, 一种是值检测系统, 一种是相对值检测系统。从实用角度简单的来说, 值检测系统其伺服电机编码器在断电后(即使移动电机)能够记忆位置数据。再上电时能将当前值数据传送到控制器中, 系统不用回原点就已建立坐标系, 可以正常工作, 而相对值检测系统其伺服电机编码器在断电后不能够记忆位置数据, 再上电时必须执行回原点才能建立坐标系, 从而正常工作。

　　现在三菱的通用伺服电机和数控系统用伺服电机都配备有值编码器, 只要给伺服驱动器配备电池,就能建立值检测系统, 现就以FX PLC 和MR- J2伺服系统构成的工作机械中建立值检测系统的技术重点做一探讨。

　　1 FX PLC- MR- J2系统

　　做定位控制时应该选用三菱FX1N或FX3U系列的晶体管输出型PLC, 而不宜选用FX2N系列PLC, 这是因为FX2N系列的PLC不具备专用的定位指令。

　　MR- J2系列的伺服驱动系统包含伺服驱动器和伺服电机, 要建立值检测系统必须要将伺服电机的当前值传递给控制器。因此在PLC 和伺服系统内要编制程序和做相应设置。

　　1. 1 在PLC 一侧应该编制的程序

　　首先在PLC程序中必须使用?? ABS当前值读取指令 , 该指令如图1所示。这条指令启动PLC进行值检测并指定了PLC接受伺服驱动器传来信号的输入端地址, 以及传送给伺服驱动器信号的输出端地址。只有根据这条指令才能建立PLC和伺服驱动器的硬接线。

　　1. 2 在伺服系统一侧的设置

　　( 1)必须在伺服驱动器上加装电池, 由于值数据保存在值编码器的计数器内, 必须由电池支持工作。MR- J2系列和MR- J3系列所用的电池形状不一样;

　　( 2)参数设置:

　　MR- J2S-其参数N0. 1= 1000(选择值检测系统) ; MR - J3-设置参数PA03= 0001(选择值检测系统) 。以上参数设置完毕后, 断电再上电参数才有效。经以上设置, PLC一侧的各端口地址和伺服驱动器一侧的相关端子都被赋予了相关定义, 可以进行硬连接了。

　　2 在PLC和伺服驱动器之间的硬接线

　　编程和设置完成后, 必须在PLC 和伺服驱动器之间进行硬接线, 才能进行通信。接线图如图2所示。

　　3 值检测系统的通信过程

　　PLC 编程, 设置伺服系统参数, 硬接线这三项工作完成后, 再断电上电, 系统就自动进行值检测。下面介绍??建立值检测系统的通信过程 (见图3)。

( 1)在PLC内部的?? ABS读取指令 = ON 的上升沿, PLC将?? ABS传输模式信号(Y5- ABSM ) 和??伺服开启信号(Y4- SON) 置ON;

　　( 2)伺服驱动器收到?? ABS传输模式信号ABSM后, 检测并计算值数值, 然后将?? 传送数据准备完成信号- TLC 置ON ( X2= ON ), 通知PLC 可以进行数据传输;

　　( 3) PLC 收到?? 传输数据准备完毕信号( TLC =ON) 后, 将?? ABS请求信号( ABSR ) 置ON, ( Y5 =ON) ;

　　( 4)伺服驱动器收到?? ABS请求信号ABSR 后 ,输出ABS低2位数据, 并将??传送数据准备完成信号- TLC 置OFF ( X2= OFF);

　　( 5) PLC确认?? 传送数据准备完成信号- TLC 置OFF(X2= OFF) , 这表示伺服驱动器已经输出了低2位数据, PLC 读取2位ABS数据, 然后将?? ABS请求信号(ABSR ) 置OFF, ( Y5= OFF);

　　( 6)伺服驱动器将??传送数据准备完成信号-TLC 置ON( X2= ON )准备下一次传输。重复3- 6项操作, 直到完成32位数据和6位和校验数据的传输;

　　( 7) PLC收到和校验数据后, 将?? ABS传输模式信号ABSM 置OFF。整个通信过程完成, 如果通信过程中ABSM 信号被置OFF, 则会中断ABS传输。以上过程虽然复杂, 但是无须编制其他程序, 而是在PLC 和MR- J2伺服系统之间自动完成。

　　4 可能出现的问题

　　信号公共端的连接: 必须按图2的要求将PLC 一侧公共端与伺服驱动器的SG 端相连接, 如果该公共端信号不连接, 可能误动作。

　　5 对值检测系统的验证

　　经过以上在PLC一侧编写程序, 在伺服驱动器一侧设置参数, 再正确连线后, 断电- 上电, 在上电的瞬间, 可以观察到在PLC 和伺服驱动器之间信号闪烁,表明双方在交换信息, 如果伺服驱动器的数码显示屏上没有错误显示, 则表示值检测完成。怎样才能知道值检测系统所检测到的信息是正确的呢? 可按如下程序进行操作:

　　( 1)先进行回原点(值检测系统只需做一次回原点操作) ;

　　( 2)移动伺服电机到任意值, 在PLC 梯形图上监视D8140的数值。( D8140的数值是当前位置值) , 记录该数值;

　　( 3) 断电- 再上电, 观察D8140 的数值。如果D8140的数值与断电前相同, 则表示值检测系统已经正确建立, 如果D8140在断电上电前后数值不同,则表示值检测系统尚未正确建立, 必须检查编程,设置和连线等各方面因素。

　0　引　言

　　城市高楼建设快速发展,传统的定压供水方式弊病很多,诸如管理不便,对系统造成二次污染,设备使用寿命短,维修量大,效率低下,电能的浪费严重等。针对上述问题,本文设计以PLC为核心的变频恒压供水系统,提出转速和水压的双闭环控制,采用自整定模糊P ID控制算法,以水泵电动机的转速和管网水压为设定参数,由PLC控制投入运行水泵的数量,改变变频器的输出系统频率自动调整水泵电机的转速,实现恒压供水。

　　1　供水系统的组成

　　供水系统如图1所示,由三台泵组成,一台可编程控制器和一台变频器切换控制任一台电动机调速。水泵可变供电回路由工频回路和变频器提供的变频回路组成,通过PLC和变频器将各台水泵按照先启先停的原则,依照一定的规律顺序投入运行和顺序停止运行,使整个的供水回路处于佳的配置状态。变频器则具体的微调当前水泵的转速,使转速变化跟随管网压力变化(实际上是跟随用户用水量的变化) 。触摸屏是可编程控制部分,它负责对整个系统进行监控,操作员如果有什么控制要求,比如参数设置、手启泵、手停泵等,也可以通过触摸屏传递给PLC。

　　2　双闭环PID控制器设计

　　双闭环模糊自整定P ID控制器如图2所示,在常规的水压闭环P ID基础上,以被控水泵电机的转速和管网压力的反馈值与目标值的误差E和误差变化率EC作为输入,用模糊推理的方法对P ID的参数Kp、Ki、Kd进行在线自整定,以满足不同E和EC对控制器参数的不同要求,从而使被控对象具有良好的动态性能和静态性能。

　　2. 1 控制策略选择原则

　　根据系统在受控过程中的原则对应不同的E和EC,以误差E的大小作为自调整修正因子模糊控制与P ID控制的切换条件, ︱E︱ = Eb 为切换点。控制策略选择原则归纳如下:

　　(1)当︱E︱较大时( ︱E︱ > Eb ) ,说明误差的值较大,采用水压外环自调整模糊P ID控制,以提高系统的动态响应速度。Kp 取较大值,以提高相应的快速性;为防止︱EC︱瞬时值过大, Kd 应取较小的值;为了避免出现较大的超调,应对积分加以限制,通常取Ki = 0。

　　(2)在当︱E︱误差切换点时( ︱E︱ = Eb ) ,以及系统允许的误差范围内( ︱E︱≤Ea ) ,系统不调整,保持上一次的动作。

　　(3)当︱E︱较小时( Eb > ︱E︱ > Ea ) ,为了使系统具有很好的稳定性,采用转速内环P ID控制,以消除静态误差,提高控制精度。

　　2. 2 软件设计

　　2. 2. 1 水压闭环软件设计

　　为了提高控制精度,加快系统的响应能力,水压闭环采用自整定模糊控制PID控制策略,根据模糊推理和模糊逻辑运算规则去修改各种控制参数。本文取M= 25,N =5,把速度误差分为9个等级,即25, 24, 23, 22, 21, 0, +1, +2, +3, +4, +5。将偏差e、偏差变化率ec、输出量u的变化范围设定为[ 25, + 5 ]区间连续变化量,使之离散化,构成含7个整数元素的离散集合,即{负大,负中,负小,零,正小,正中,正大},用英文字母表示为{NB,NM,NS, ZO, PS, PM, PB}。这里假设误差e、误差变化率ec和输出控制变化量u的论域为:

　　{e}{ec}{u} = {25, 24, 23, 22, 21, 0, +1, +2, +3, +4, +5}

　　其解析表达式为:

　　式中int表示取整数。

　　在实际工作中,**输入量的变化一般不会在[ 25, 5 ]之间,如果其范围是在[ a, b ]之间的话,可以通过下式变换,将在[ a, b ]之间变换的变量△e转换为[ 25, 5 ]之间变化的变量e。

　　2. 2. 2 转速闭环软件设计

　　当偏差较小时,为了使系统具有很好的稳定性,采用转速内环P ID控制,由于计算机控制系统为离散系统,采用增量式P ID离散表达式表示为:

　　式中: △u ( k) ———k时刻的输出控制量; T———采样周期; e ( k) ———第k次采样时水压实际测量值与设定值的误差的误差值; Kp、Ki、Kd ———比例、积分、微分系数。

　　采用转速内环P ID控制具有很短的过渡过程,转速只有较小的偏差,控制算法简单、快速和高精度。

　　2. 3 模糊P ID控制器输出Kp、Ki、Kd 的模糊规则

　　输出Kp、Ki、Kd 用以确定控制量,并规定论域为:Kp、Ki、Kd = { 25, 24, 23, 22, 21, 0, + 1, + 2, + 3, + 4, +5} ,输出量的语言变量模糊集为: Kp、Ki、Kd = {NB,NM,NS, ZO, PS, PM, PB} ,各个语言值的定义分别由给出的三角隶属函数曲线来描述,采用加权平均法通过计算机计算出Kp、Ki、Kd ,建立相关的模糊规则表。

　　根据控制对象的实际情况以及实际操作经验,确定控制过程的控制规则。本供水系统有49条控制规则。控制规则可以用下面的形式表示:

　　R1:如果e是PB,并且ec是PB,那么Kp 是0, Ki是PB, Kd 是PB。

　　R2:如果e是PB,并且ec是PM,那么Kp 是NB,Ki 是PB, Kd 是PS。

　　?

　　R49:如果e是NB,并且ec是NB,那么Kp是PB,Ki 是NB, Kd 是NS。

　　3　仿真结果研究

由于实际供水系统很难建立**的数学模型,因此采用供水系统的近似模型在某仿真软件中进行仿真研究,模糊控制、P ID控制、自整定模糊P ID控制这三种控制算法对供水系统的控制效果。

　　3. 1 供水系统的近似模型

　　由供水系统的特性可知,供水系统的数学模型可等效为带纯滞后、死区的两个惯性环节串联,用式(3)表示。

　　式中: K———系统的总增益; T1 ———系统的惯性时间常数; T2 ———变频器和电机时间常数; ———系统纯滞后时间常数。

　　3. 2 仿真结果分析

　　当水泵选定后,交流电机的机电时间常数则可以确定。选择T1 为10 s。由于给水系统的规模以及用户用水的不规律性确定的,造成模型中供水系统的参数难于**确定和参数易变的特点。在工程实践中,按照工程经验,初步确定在供水设定压力为4个大气压时,供水系统的模型参照式( 3) ,当用户规模发生变化时,模型参数也会发生改变。对所设计的供水系统进行仿真,系统近似模型选取为:

　　其中,死区时间T3 = 0. 8,仿真补偿。在P ID 控制中, Kp = 0. 08, Ki = 0. 025, Kd = 0. 04;在模糊控制中, Ke = 70, Kec = 2. 5, Ku = 0. 45;在模糊P ID控制中,Kp = 0. 1, Ki = 0. 022, Kd = 0. 022, Ke = 60, Kec = 2. 45,Ku = 0. 6。输出曲线如图3所示。采用双闭环自整定模糊P ID控制率更能抑制死区特性对系统的影响。仿真结果表明双闭环自整定模糊P ID控制的各种控制指标优于经典控制,同时模糊控制对于消除供水系统的滞后有明显的效果,并且双闭环自整定模糊P ID控制有比较强的鲁棒性和快速性。

　　4　结束语

　　转速水压双闭环模糊自调整P ID控制恒压供水系统投入工作以后,经过一年多的运行,其效果是明显的。该供水系统的超调量小、上升时间短、稳态精度高,控制效果较单一的P ID控制和模糊控制明显提高。该控制方式不仅具有快速的动态响应速度和良好的控制精度,而且当对象参数和结构发生变化时,具有良好的鲁棒性和适应能力。与原阀门控制水压相比,平均节电达到25%以上。了解更多PLC技术、资讯、分析报告文章，请点击查看http://plc.jlck.cn/ 2011年PLC企业“爆”团，新鲜技术全接触。

0 前言

　　X-Y 工作台运动控制设备的硬件部分是比较成熟的产品，当中很多零部件都是标准件。目前市场上流行的产品绝大多数是使用单片机作为控制核心的，使用PLC 作为控制核心的还很少。但在一些老工厂的普通机床数控改造时，以PLC 作为控制核心相对来说更简单。本文提出的X-Y 数控工作台控制系统， 采用三菱公司的FX2n-48MR 主机以及扩展模块FX2n-32ET 作控制核心，PLC 主机通过RS422 口与计算机通讯。设计目标为该系统控制下的工作台工作稳定可靠，系统的分辨率为* mm，工作台的大移动速度为3m/s，而且工作台具有手动和自动功能。

　　1 总体方案的确定

　　PLC 输出低电压、低电流的信号不能实现对步进电机的驱动，需要进行功率放大，再者，PLC 生成的脉冲要完成驱动步进电机必须要有环形脉冲分配，而这些功能可以用步进驱动器来实现。因此确定总体方案如图1 所示。

　　2 控制系统硬件设计

　　编写好的控制程序可以通过计算机或编程器经通信电缆写入到PLC 主机， PLC 主机产生高频脉冲信号经过步进电机驱动器输入到电机。本系统的控制电路如图2 所示。

　　考虑到本控制系统要求多输入点的特点，采用三菱公司的FX2n-48MR 可编程序控制器， 通过连接一个FX2n-32ET 扩展模块一起使用，可以很好地满足系统的要求。本文所选用的步进电机是57HS13，步进驱动器是M535，并且选择30 V 的直流电源对驱动器供电，具体接线如图3 所示。

　　因为本系统所使用的步进驱动器M535 只有A+、A-、B+和B-共4 个输出端，但步进电机57HS13是8 线的步进电机，必须进行串联或并联接线以扩充输出端。具体接线方法如下：

　　串联：A+接(A+); C+接(A-); B+接(B+);D+接(B-);A-、C-相接并悬空; B-、D-相接并悬空;

　　并联：A+、C-接(A+); A-、C+接(A-); B+、D-接(B+); B-、D+接(B-)。

　　说明：“( )”里代表的是步进驱动器M535 的接口。具体接线如图4 所示。

　　3 控制系统软件的设计

模块化编程方法是根据控制要求把PLC 编程需要完成的控制任务划分为几个较小功能块，然后对每个功能块分别进行编程，这样各模块之间相对独立、功能单一，具有清晰的结构，大大降低了难度，避免重复劳动，同时获得较高的程序质量。

　　本控制系统的软件模块主要分为：键盘指令的输入模块、点动模块(连续点动和距离点动)、点定位模块、直线插补模块、圆弧插补模块、系统停止模块、系统提示模块。

　　(1)这个模块主要是使用“TKY”十键键盘输入功能，使用“输入”键调用“ZRST”功能对各辅助继电器复位，以实现这个模块的循环扫描。

　　(2)点动模块使用“PLSY”指令完成整批脉冲的输出，当寄存脉冲总数的寄存器数值为“0”时，就实现连续点动，当寄存脉冲总数的寄存器数值为正数时，工作台走完指定的步数就会自动停下，实现距离点动。

　　(3)点定位模块使用“PLSY”指令完成整批脉冲的输出， 寄存脉冲总数的寄存器数值分别为“X”、“Y”的坐标值，而点定位的方向由“+X”、“-X”、“+Y”、“-Y”按钮决定方向信号的输出。

　　(4)直线插补程序是本系统设计的重点和难点，PLC 的功能强项是开关的动作控制， 对轨迹控制功能相对较弱。与点定位模块不一样的是，点定位只要求走到规定的点就可以了， 但直线插补要求中间过程一定要走直线，所以这2 种算法有区别。直线插补程序不可以使用“PLSY”指令完成。因此本系统采用了逐点比较进行编程。程序每运算1 次，输出1 个脉冲，直到走到规定点才停止。程序总使用“CMP”指令完成走“X”、“Y”方向的判断，通过“PLS”指令输出一个脉冲， 然后还要对一些过程量进行运算。

　　再使用“CMP”对终点的判断。本系统较创新的地方是使用1ms 的定时器完成速度控制，这样输出的速度可以上到1 000 Hz。还有用2 个辅助继电器，完成程序的工作和停止， 使程序可以输出连续的脉冲。

　　(5)圆弧插补程序编程原理和直线插补基本一样，但圆弧插补算法所使用的坐标系和使用的G 代码坐标系是不同的。这样，本系统就要设计一个坐标转换程序，然后才进入正式的圆弧插补程序。

　　(6)系统硬件部分设有几个限位开关，当某方向限位开关按下，该方向的运动停止工作，但其他方向不受影响。系统设有总停止开关，该开关按下，整个系统停止工作。

　　(7)系统设有7 个LED，当限位开关按下，该方向的提示灯就会提示。还有自动功能提示，正常运行提示和停止提示。

　　本系统使用数据线SC-09 将计算机或者编程器连接，把PLC 主机打到RUN 状态，然后就可以使用编程软件MELSEC-FFX 进行写入。其步骤是：PLC(菜单栏)-传送-写出-范围设定(输入程序所占的范围)-确认。

　　4 结语

　　本文描述了一种利用PLC 作为控制核心，PLC生成的脉冲通过环形脉冲分配以及步进驱动器驱动步进电机，带动滚珠丝杠转动，从而控制工作台按照预定的线路移动。实验验证，本系统控制下的工作台能够实现手动连续点动、手动距离点动、手动停止以及自动点定位、直线插补、圆弧插补和自动停止等功能。工作台的定位精度达到*2 mm,大速度能达到2.96 m/s。

　　本文成功地设计出以PLC 作为控制核心的数控工作台控制系统，并且在实验室里通过实验验证了其可行性和正确性，为许多老企业传统机床的数控改造提供了参考，同时，也可利用本系统开发出的有创新性和综合性的计算机运动控制的教学实验，使学生能够更加深入地了解PLC 的性能以及使用方法。