西门子模块6ES7211-0BA23-0XB0厂家供应

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1 引 言

随着现代科学技术的发展，PLC己广泛地应用于工业控制微型计算机中。

目前，工业机器人关节主要是采用交流伺服系统进行控制，本研究将技术成熟、编程方便、性高、体积小的SIEMENS S-200可编程控制器，应用于可控环流可逆调系统，研制出机器人关节直流伺服系统，用以对工业机器人关节进行伺服控制。

2 工业机器人关节直流伺服系统

工业机器人关节是由直流伺服电机驱动，通过环流可逆调速系统控制电机的正反转来达到对工业机器人关节的伺服控制的目的。

2.1 控制系统结构

系统采用SIEMEN S7-200型PLC， 外加D／A数模转换模块，将PLC数字信号变成模拟信号，通过BT—I变流调速系统(主要由转速调节器ASR、电流调节器ACR、环流调节器ARR，正组触发器GTD、反组触发器GTS、电流反馈器TCV组成)驱动直流电机运转，驱动机器人关节按控制要求进行动作。系统结构如图1所示。

图1 机器人关节直流伺服系统结构示意图

2.2 系统工作原理

系统原理如图2所示，可控环流可逆调速系统的主电路采用交叉联接方式，整流变压器的一个副边绕组接成Y型，另一个接成△ 型，2个交流电源的相位错开30°，其环流电压的频率为l2倍工频。为了抑交流环流，在2组可控整流桥之间接放了2只均衡电抗器，电枢回路中仍保留一只平波电抗器。

控制电路主要由转速调节器ASR、电流调节器ACR、环流调节器ARR， 正组触发器GTD、反组触发器GTS、电流反馈器TCV组成(见图2)，其中2组触发器的同步信号分别取自与整流变压器相对应的同步变压器。

图2 工业机器人关节直流伺服系统原理图

系统给定为零时，转速调节器ASR、电流调节器ACR被零速信号锁零。此时，系统主要由环流调节器ARR组成交叉反馈的恒流系统。由于环流给定的影响，2组可控硅均处于整流状态，输出的电压大小相等、性相反，直流电机电枢电压为零，电机停转，输出的电流流经2组可控硅形成环流。环流不宜过大，一般限制在电机额定电流的5％左右。正向启动时，随着转速信号Ugn的增大，封锁信号解除，转速调节器ASR输正， 电机正向运行。此时，正组电流反馈电压+Ufi2反映电机电枢电流与环流电流之和；反组电流反馈电压-Uril反映了电枢电流， 因此可以对主电流进行调节。而正组环流调节器输入端所加的环流给定信号-Ugih和交叉电流反馈信号-Ufil对这个调节过程影响小。反组环流调节器的输入电压为(+Uk)+(-Ugih)+(Ufi2)，随着电枢电流的不断增大，当达到一定程度时，环流自动消失，反组可控硅进入待逆变状态。反向启动时情况相反。另外，可控环流可逆调速系统制动时仍然具有本桥逆变，反接制动和反馈制动等过程。由于启动过程也是环流逐渐减小的过程， 因此， 电机停转时，系统的环流达大值。环流有助于系统越过切换死区，改善过渡特性。

3 系统程序设计

程序设计方案为手动输入一个角度值，让电机转动，通过与电动机相联的光电码盘来电动机转的角度，将转动角度变成脉冲信号。由于电动机的转速非常快，所以只能把脉冲信号送往PLC的高速计数器。然后将计数器的脉冲记录与手输入的进行比较，如果两者相等说明电动机已经到达角度位置，否则继续进行修正。值得注意的是，由于电动机从转动突变到停止会有一定的惯性， 因此在进行信号比较时应允许有一定的误差，不然电动机就会始终处在修正位置状态。系统程序框图如图3所示。

图3 系统程序框图

4 结 论

基于PLC研制的直流伺服系统，利用PLC扩展能力强的特点，添装手动输放装置，实现工业机器人关节直流伺服系统的可视操作。其优点是：(1)改变电路结构，即可通过程序实现电机正反转的控制；(2)能够使电机不等待停止转动即可立刻反方向转动；(3)可令电机急停，避免电机惯性转动；(4)编程、维护方便。

引言
随着汽车的急增致使城市停车难问题不断恶化,而作为解决城市静态交通的有效措施——向空间、向高层发展的自动化立体停车设备,以其占地面积少、停车、布置灵活、低耗、、等优点,越来越受到人们的青睐。目前市面上常见的机械式立体停车库有：升降横移类、垂直循环类、多层循环类、水平循环类、平面移动类、巷道堆垛类、垂降类和简易升降类等8种,其中升降横移类以其结构简单、操作方便、、造价低等优点,在国内车库市场占有优势的市场份额。

升降横移立体车库运行原理
升降横移类机械停车库利用托盘移位产生垂直通道,实现高层车位升降存取车辆。其车位结构为2维矩阵形式,可设计为多层和多列。由于受收链装置及进出车时间的限制,一般为2~4层(国家规定为4层),2层、3层者居多,现以典型的地上3×3升降横移式为例,说明停车库的运行原理。
立体车库结构特点是：底层只能平移,层只能升降,中间层既可平移又可升降。除层外,中间层和底层都预留一个空车位,供进出车升降之用。当底层车位进出车时,移动其他托盘就可直接进出车;中间层、层进出车时,先要判断其对应的下方位置是否为空,不为空时要进行相应的平移处理,直到下方为空才可进行下降动作,进出车完成后再上升回到原位置。其运动的总原则是：升降复位,平移不复位。

图1  控制系统结构图

图2  上层控制程序流程图

控制系统方案的确定
升降横移立体停车库以停放轿车为主,其代价较昂贵,而且立体停车库使用时涉及到人身和车辆的,所以对设备的性和性要求非常高。PLC采用了以计算机为的通用自动控制装置,集微机技术、自动化技术、通讯技术为一体,性强、、设计紧凑、扩展性好、操作方便,适用于频繁启动和恶劣的环境,因此在立体停车库控制系统中通常采用PLC作为电控系统的。
作为网络底层的现场总线技术以其简单的结构,在控制系统的设计、安装、运行、维护上体现出大的优越性,因此本文采用Profibus-FMS和Profibus-DP构成两层控制网络。Profibus-FMS主要完成中等传输速度的循环和非循环通信任务,通常用于PLC与PC、PLC与PLC之间的互相通信。而底层网络则选择了Profibus-DP,这主要因为Profibus-DP是经过优化的高速通信联接,用于设备级分散I/O之间的通信,构成获得短总体循环时间的单主站系统。本系统运用现场总线技术实现了现场智能设备和自动化控制设备之间的开放式、数字化、多节点通信,并提高了系统工作的性和灵活性。
同时,本系统以上位机作为监控机,利用上位机的数据通信手段,数据处理能力和图形显示、多媒体技术,通过现场总线,实时接收和处理下位机PLC从现场采集的各种状态、控制、报警信号,并利用这些信号驱动制界面中的各种图形,实时显示现场的各种状况,在操作员和停车库之间构造出形象、直观的界面,对操作运行和故障给出提示、报警等。

立体车库控制系统设计
控制系统的组成
立体车库控制系统由上位机监控系统和下位机PLC控制系统组成,图1为该系统结构框图。其中,监控系统由“上位机+Profibus现场总线+PLC+现场操作机构”构成,以PC机为,配备有打印机、音效设备、收款机、显示器等。如果车库是由多个3×3单元的组合,可以用一个PLC控制一个车库单元,多个PLC共同构成多点结构的局域网。如果车库的规模足够大,还可以考虑配备操作器、触摸屏和IC卡磁卡机等来实现智能化自动控制。
车库控制方式分为3级——手动、半自动和全自动。手动是在现场用手操作器对每个托板进行点动控制,应用于车库检修、突然停电、紧急停机和车库故障4种情况;半自动为操作PLC控制面板上的按钮由PLC实现自动逻辑控制;全自动是由计算机给出存取命令由PLC来执行任务(要求配备“操作器”)。其中,手动方式为级,而半自动或全自动方式用于正常进出车处理,其中半自动方式级全自动。在计算机脱机情况下,PLC控制面板可以完成所有存取车操作,而且本设计要求手动、半自动、全自动之间能够互锁。
PLC控制系统设计
PLC是车库控制系统的,其操作大致分为三类：以故障诊断和处理为主的操作;联系现场状况的数据I/O操作;执行用户程序以及响应与PLC相连的外部设备的命令操作。当有存取操作时,PLC会接收和分析操作人员在控制面板按钮或上位机输入的指令,做出合理的工控安排：判断检测元件的状态,读取车库机械驱动部分的信息;然后,将信息反馈到执行元件,拖动车位板,实现其位置移动,完成车辆的存取操作和信号的显示(指示灯)。整个动作区域配有光电检测及多重系统,以防异常情况发生。
该系统中PLC主要完成对托盘、托板位置及运行状态的检测和存取车的操作。用各种光电开关、行程开关检测位置状态,用接触器、继电器执行对拖动电机的起停控制。
对车位的操作就是控制横移小电机和升降大电机,使它们在不同时间实现正反转。而且上层升降动作和以下各层的横移动作是互锁的,即当上层泊位在升降时,下面各层泊位不能移动,反之亦然。并且上层泊位每次只能有一个泊位进行上下升降运动。
为了保证存取车,系统要定位。行程开关的设置保证了托板能平移到预定位置以及托盘能上升或下降到准确位置,但同时,行程开关逻辑要严格互锁。例如1、2水平限位开关在静态情况下只能有一个是断开的,如果2个以上开关闭合即表示托板不到位。在车库静止时, 2、3层所有挂钩信号均应断开(负逻辑),2层上限位开关断开,3层上限位开关闭合。
此外,为了保证载车板运行过程的性,采取传动系统自锁保险设计和挂钩保险设计：如链传动采用制动电机,无论发生什么情况,都处于自我保护状态;控制挂钩运动的电磁铁上有一反馈信号,以指示挂钩是否已把托盘挂好等。
光电开关布置在不同的位置有不同的功能：分别安装在托盘底层左右两边的光电开关,可以检测托盘上汽车停放是否到位;在托盘对角线上安放的光电开关可以检测托盘上有无车;装设于停车库车辆入口处左右两侧的光电开关还可以用于检测外界的错误动作和车位移动时出现的异常情况等,如车辆未停妥、动作区域有人或物、运行过程中有车想开进等意外情况,光电开关光线被遮,会给PLC一个电平变化信号,从而改变PLC的输入,蜂鸣器发音报警,设备不作运行或停止运行。
同时在车库中还运用了一些传感器,如烟温传感器、检测断绳松绳或断链报警的位移传感器,以及警示装置、紧急停车开关、手动按钮、复位开关等。
PLC控制系统程序设计
控制程序流程图
该系统存取车控制只针对上层(二、三、四层)车位,而对于下层车位,存取车只需直接开进开出即可。控制软件采用梯形图语言编写。程序流程图如图2所示。
软件在设计不同层进出车程序时运用了“并行分支与汇合”的技巧,所谓并行分支指的是各分支流程可同时执行,待各流程动作全部结束后,根据相应执行条件,汇合状态动作。即如果选择三层托盘进出车,可以使一层二层同时平移(左移或右移),这样,设备动作顺序之间联锁或双重输出时,控制系统均能自动处理,而且控制系统的试运行及故障检查非常方便,可节约大量时间,提高工作效率。
控制程序优化
由于上层的托盘升降都使其下层车位为空车位之后才能进行,以地上三层车位运动为例,一层空车位位置有N种,二层托盘升降涉及的运动方式有N2种,三层托盘可能的运动方式有N3种,随着车位和层数的增加,程序会出现剧烈膨胀,因此,如何寻求简便方法,使程序得到优化将是该系统程序设计的难点。以二层为例,在变量Dm中存放二层需要存取的车位号,该车位号为1~N,如进行上层X(1≤X≤N)号车位存取,则Dm＝X;在Dn中存放下层空车位号,设空车位为Y号车位,则Dn＝Y;在进行存取车时,把Dm和Dn中的数值进行比较,其结果为零,则上层车位的托盘可以直接下移;如果结果大于零,则表示空车位在左边,这样先把空车位右边个托盘左移到空位上,之后重复上述过程,直到空车位在上层需要存取的车位正下方时,上层车位的托盘才能进行升降运动。三层和四层存取车的处理方法和二层类似。
模块化程序设计
PLC控制程序采用模块化编程形式,车位运行过程中只需调用子程序模块,这样大大降低了程序的复杂程度,方便了程序的修改,而且为车位的拓展提供了便利的条件。整个程序包括主程序模块、手动按键子程序模块、紧急停车按键子程序模块、初始化程序模块、存取车位号赋值程序模块、空车位号与移动车位号赋值程序模块、托盘平移运动程序模块、光电开关子程序模块、托盘升降运动程序模块和故障报警子程序模块。
软件设计中关键问题的处理
程序所用状态元件、定时器及数据存储器均选用具有掉电保护功能的元件,当系统掉电时元件保持掉电前的状态,以保存现场信息,待上电后继续完成被中断的动作;当发生意外情况时,按下急停按钮中止系统的运行并保存现场断点信息;当出现如电机过载、过热电气或机械故障时,自动中止系统的运行,并发出声光报警,同时系统转入手动方式进行故障处理。

结语
升降横移类立体车库的控制系统通过采用PLC和Profibus现场总线控制,使整个控制系统的性大大提高,满足了车库的控制功能与使用性能的要求,实现了进出车的智能控制。系统还在硬件设计上采用了手动、半自动和全自动多级冗余控制方式,配合软件/硬件连锁保护,大大提高了系统的性;同时,由于PLC软件设计上的优化处理,使得本系统对于车位的扩展实现较为简便;此外,软件设计还采用了“并行分支与汇合”的技巧,从而大大缩短了进出车时间,提高了工作效率。

前言

在实际生产中如果以收卷方式来收卷的话，收卷轴的直径是不断变化的。不断变化的收卷直径引起角速度的变化，从而引起材料上张力也随之出现的波动：张力过小，材料收卷时会松弛起皱、横向走偏;张力过大则导致材料拉伸过度，在纵向上会出观张力纹甚至出现纵向隆起。

因此在收卷的过程中为保证生产效率和收卷的质量，张力控制系统就显得尤为关键。张力控制模式一般有开环、闭环控制两种模式，其中开环控制模式没有张力检测和反馈环节。设计、结构上相对简单但控制精度和稳定性较差。闭环控制模式则一般有卷径检测装置和张力反馈环节，控制的随机性很强，具有较高的控制精度和响应速度，但系统的控制设计比较复杂而且元器件较多，在小型设备上的应用受到一定的限制。

本文介绍一种基于伺服系统及plc系统的开环张力控制系统，经过试验，能够应用在0.1mm级材料的收卷上，而且收卷质量可以闭环控制的质量，其系统构成如图1所示。

图1 系统构成框图

选用伺服控制系统是基于它的转矩控制模式在收卷方面具有控制简单、精度高的特点。在转矩模式下，不需要对收卷的速度进行控制，只需给出一个速度限制值即可使收卷轴的角速度根据转矩的大小而自动浮动，并实现恒线速度收卷。同时伺服控制器的内部转矩功能可以的输出电流，从而实现转矩的控制。

系统的转矩、速度指令及收卷的半径等参数通过plc系统内部计算得出，使系统得到进一步的简化。

系统控制原理

系统的控制模型如2所示，整个收卷系统主要由三菱mr-j2s伺服系统、三菱a系列plc系统、proface触摸屏构成。

图2 系统的控制模型图

其中速度、转矩指令在触摸屏上设定，然后传送到plc中，经过plc的计算后通过a1s68dav形成0～10v的模拟信号，传送给伺服系统。伺服系统接受信号后再经过内部单元转换成电机的速度、转矩控制信号，从而控制电机运转。在伺服电机运转过程，伺服电机的旋转编码器(pg)将瞬时转速经a1s64ad模块转换成数字信号输入plc中，然后计算出瞬时卷径，再根据计算卷径的大小变化输出转矩，从而实现张力稳定有规律的控制。

伺服系统设计

三菱mr-j2s伺服系统有位置控制模式、速度控制模式、转矩控制模式三种控制方式，本系统选用的是转矩控制模式。

(1)转矩控制模式的接线图如图3所示

图3 转矩控制模式的接线图

(2)转矩控制指令

模拟量转矩指令输入电压和伺服电机输出转矩间的关系如图4所示。

图4 模拟量转矩指令的输入电压和伺服电机输出转矩间的特性

±8v对应大转矩，±8v输入时所对应的输出转矩可用在伺服系统no.26#参数改变，例如：no.26=50%,表示当输入电压为±8v时，对应的输出转矩=大转矩×50%。

由于受系统精度限制，在输入电压0.05v时，系统将会无法准确地设定输出转矩。

在使用时，可以通过设定输出电压的性来控制电机的正反转。

(3)速度限制指令

当伺服电机处在转矩模式时，其大角速度将会受到模拟量速度输入电压的限制，并且伺服系统将会根据的转矩电流大小(负载)而自动调节速度。模拟量速度限制电压与伺服电机速度的关系如图5所示。

图5 模拟量速度限制电压与伺服电机速度特性

(4)伺服参数设定

转矩模式下的主要伺服参数设定如表1所示。

表1 转矩模式下的主要伺服参数设定

plc系统设计

plc系统采用三菱a系列模块构建，其中a1s68dav及a1s64ad作为plc系统与伺服系统之间的信息接口，触摸屏通过rs232与plc相连。如图6所示。由于a系列中每16点为一个模块位置号，因此a1s68dav在程序中的位置编号为4#、5#、a1s68ad在系统中的位置号为6#、7#。

图6 plc系统采用三菱a系列模块构建图

(1)a1s68dav数模转换模块

转矩、速度模拟信号都是通过plc系统中的8通道a1s68dav模数转换模块向伺服控制器输出的，a1s68dav的性能规格如表2所示，

表2 a1s68dav的性能规格

表3 a1s64ad的性能规格

其中模拟输出值(v)=大分辨率(v)×数字输入值，其中模拟输出值为模块向伺服控制器输出的扭矩、转速等控制电压，而对应的数字输入值则通过plc程序内部计算后得出。

在plc程序中的初始化模块的语句如图7所示。

图7 plc程序中的初始化模块的语句

其中h4为a1s68dav模块在plc系统中的位置号，1条指令是将16进制数“00000000”放到模块缓冲储存期0#地址上，表示允许模拟输出;2条指令的是将16进制数值“11111111”以组传送的方式送到模块的内部y软元件上(50为开始的y输出编号)，表示1#～8#通道均允许d/a转换数值输出。

(2)a1s64ad模数转换模块

伺服电机的转速信号是通过plc系统中4通道a1s64ad模块来转换的，a1s64ad的性能规格如表3所示。其中数字输出值(v)=大分辨率(mv)×模拟输入值，而模拟输入值为伺服控制器将旋转编码器脉冲转换后的电压值，上表中当电机速度为额定速度时，输入到plc系统中的数字值为4000。

在plc程序中的初始化语句如图8所示。

图8 plc程序中的初始化的语句

其中h6为a1s64ad模块在plc系统中的位置号，1条指令是将16进制数值“0011”放到模块缓冲储存区0#地址上，表示允许1#、2#通道a/d变换允许;2条指令与3条指令是将通道1#、2#的数值按20次进行平均处理，周期时2×20×20ms=800(ms)。4条指令是设定分辨率为1/12000，后一条指令是将模块1#、2#通道的值分别送到plc的d128、d129数据寄存器上，这里实际上返回的是放卷、收卷的转速信号。

plc控制程序

由于系统采用无张力反馈的开环控制模式，plc系统要对收卷轴的速度、张力进行实时的计算及输出。

速度限制指令

伺服转矩模式下只需plc系统给出一个0～10v的速度指令(也就是收卷的大线速度)，伺服控制器在运转过程中将会根据实际负载电流的检测情况而自动调节角速度使线速度达到速度指令值，在此过程当中并不需要计算收卷轴上产品的卷径大小，伺服控制器实际上控制的是收卷轴的角速度。

plc内部数字信号、电机角速度、线速度的关系图如图9所示：其中参数i是传动比与小卷径的乘积，为一常数。

图9 plc内部数字信号、电机角速度、线速度的关系图

比例系数k的确定：设收卷轴小直径为92mm，伺服电机额定转速为2000rpm，传动比为0.168，可以得到收卷轴空卷在额定转速下的速度ve=3.14×0.092×2000×0.168=97米/分钟。

设我们速度限制值vu=30米/分钟，可以计算出电机此时的转速为619rpm，由于电机额定转速2000rpm对应10v电压，则有plc系统中的内部数字值2000-10v，因此可以得到在大限制速度下向a1s68dav模块输出的数字信号为619。

此时将触摸屏上的30米/分钟数度设置值乘以100，得到大速度时的输入要求值为3000，根据以上关系可以得出当输入要求值为3000时，速度内部输出数值为619，这样就得到一个比例k=3000/619。有程序如图10所示。

图10 速度处理程序

其中段是做速度限制，二段是计算plc向a1s68dav输出的数字信号值。

转矩指令

伺服转矩模式下，伺服控制器只控制输出转矩，张力属于间接张力控制。一般张力曲线模型有递减、递增、恒定等三种，但实际上无论那一种模型，要符合是很困难的，因此根据不同材料、不同厚度等情况选取不同的收卷曲线，这就要求张力曲线是可调的。

由于本系统中张力是由转矩间接控制的，因此实际控制对象就变为控制转矩了。一般认为收卷电机输出实时转矩由下公式表示：

m=mo+mj+mz (1)

式中：m—实时转矩;m0—空载时的负载转矩mj—系统阻尼转矩;mz—增加的负载惯量转矩。

一般mj，m0均为常数，因此实际上变化的是收卷过程中逐渐增加的负载惯量转矩。因此在转矩算法中要使收卷输出转矩随着卷径的增加而自动变化。

(1)卷径的自动计算

设v为线速度(米/分钟)，d为收卷轴直径(mm)，n为收卷轴转速(转/分钟)，nd为伺服电机转速(转/分钟)，i为传动比，有

v=π×d×n=π×d×nd×i (2)

d=v/(π×nd×i)=kv/nd=k×(∫vdt/∫nddt)

=k×(线速度/角速度) (3)

由于线速度是恒定的，故只需求出收卷轴的角速度即可计算出收卷轴的实时卷径。有以下程序图11所示

图11 转矩、卷经处理程序

其中k50为内部转速信号的补偿值，k10为内部数字转速信号与实际电机的比例系数，k5为传动比。注意，当系统运行速度较低时，材料线速度和伺服控制器的输出转速都较低，较小的检测误差就会使卷径计算产生较大的误差，所以要在程序中设定一个线速度，当材料线速度此值时卷径计算停止，卷径当前值保持不变。

(2)转矩的计算

根据m=(mo+mj)+mz=mo+mj，需要补偿的是mz值，因此设定一个递增(递减)系数k，选择设定的曲线函数使m能够随半径的变化而变化。

经过试验，设定以下转矩控制曲线，如图12所示。

图12 转矩控制曲线

根据三角等比关系得到m-d的关系函数为：

m=mo[1+k(d-do)/(dmax-do)] (4)

其中m为实时转矩，mo为空载转矩与阻尼转矩之和，k为递增(减)系数，do为空轴直径，dmax为大直径。

将求出的直径数值d代入上式即可求出不同递增(减)系数k下的实时转矩，再根据m=f*d/2从而得到如下类似双曲线的张力-直径曲线，如图13所示。

有以下程序如图14所示。

图13 张力-直径曲线

图14 张力处理程序

结论

在实际收卷生产中，这种基于伺服及plc的开环控制系统由于在应用上不需要很准确的精度数学模型，只需按负荷分配、按实际效果设定递增系统的特性，能够应用在多种不同厚度、不同品种的材料收卷上，而且效果很好。