在工业通信领域中,无线通信开创了全新的应用远景 - 自工厂部分现代化改造,直至复杂物流或生产过程的优化设计。
基于工业无线远程控制、工业无线局域网和 WirelessHART,西门子公司利用工业无线通信技术针推出了高可靠性自动化解决方案。
采用 IWLAN 实现可靠的无线通信
无线远程网络为用户带来了难以计数的好处,例如,水/废水处理业彼此远离的工厂区段之间的连续通信、在地球的另一侧高速地远程访问需要维护的机器和设备。得益于远程控制系统或 HMI/SA 系统集成了该技术,通过移动无线设备可以随时访问传输过来的过程数据。
无线解决方案日益成为机器和设备中理所当然的组成部分。在对数据通信具备高要求的场合,工业无线 LAN(IWLAN)对例如确定性无线技术和工业以太网标准 PROFINET 等创新技术提供了有力的支撑。得益于使用了 PROFIsafe via IWLAN,PROFINET 开创了全新的应用远景 - 自高效工程设计、实时解决方案,直至与安全相关的任务。
此外,IWLAN 基础设施也可以用于例如视频等的其它应用。
WirelessHART 是一种开放的工业标准。该标准的开发旨于解决过程工业领域现场设备对无线通信的特殊要求。它完全满足了与可靠性、信息安全性、经济性和系统级用户操作友好性等相关的全部特定要求。目前,**已经安装了 3000 万台以上 HART 技术设备。对于现场级智能过程仪表来说,HART 技术是常用的通信协议。WirelessHART 后向兼容于有线 HART 技术,因此,该技术为硬件、软件和*知识提供了大的安全性。
基于控制器的 IWLAN 适用于有大量网络接入点的应用,例如,集装箱码头
较高的移动性带来较大的灵活性,因而提高竞争能力
维护工作得到简化,维护成本和停机时间降低,人员得到佳利用
旋转及移动设备或系统部件无磨损
公司所有部门范围内的声音和数据集成的无线网络
从一个中心位置对不同的生产机器进行远程诊断从而降低了维护成本
易于访问难于接触的装置,*复杂连线
1 概 述
在组合机床自动线中,一般根据不同的加工精度要求设置三种滑台(1)液压滑台,用于切削量大,加工精度要求较低的粗加工工序中;(2)机械滑台,用于切削量中等,具有一定加工精度要求的半精加工工序中;(3)数控滑台,用于切削量小,加工精度要求很高的精加工工序中。可编程控制器(简称PLC)以其通用性强、可靠性高、指令系统简单、编程简便易学、易于掌握、体积小、维修工作少、现场接口安装方便等一系列优点,被广泛应用于工业自动控制中。特别是在组合机床自动生产线的控制及CNC机床的S、T、M功能控制显示出其的性能。PLC控制的步进电机开环伺服机构应用于组合机床自动生产线上的数控滑台控制,可省去该单元的数控系统使该单元的控制系统成本降低70~,甚至只占用自动线控制单元PLC的3~5个I/O接口及<1KB的内存。特别是大型自动线中可以使控制系统的成本显著下降。
2 PLC控制的数控滑台结构
一般组合机床自动线中的数控滑台采用步进电机驱动的开环伺服机构。采用PLC控制的数控滑台由可编程控制器、环行脉冲分配器、步进电机驱动器、步进电机和伺服传动机构等部分组成,伺服传动机构中的齿轮Z1、Z2应该采取消隙措施,避免产生反向死区或使加工精度下降;而丝杠传动副则应该根据该单元的加工精度要求,确定是否选用滚珠丝杠副。采用滚珠丝杠副,具有传动效率高、系统刚度好、传动精度高、使用寿命长的优点,但成本较高且不能自锁。
3 数控滑台的PLC控制方法
数控滑台的控制因素主要有三个:
3.1 行程控制
一般液压滑台和机械滑台的行程控制是利用位置或压力传感器(行程开关/死挡铁)来实现;而数控滑台的行程则采用数字控制来实现。由数控滑台的结构可知,滑台的行程正比于步进电机的总转角,因此只要控制步进电机的总转角即可。由步进电机的工作原理和特性可知步进电机的总转角正比于所输入的控制脉冲个数;因此可以根据伺服机构的位移量确定PLC输出的脉冲个数:
n= DL/d (1)
式中 DL——伺服机构的位移量(mm)
d ——伺服机构的脉冲当量(mm/脉冲)
3.2 进给速度控制
伺服机构的进给速度取决于步进电机的转速,而步进电机的转速取决于输入的脉冲频率;因此可以根据该工序要求的进给速度,确定其PLC输出的脉冲频率:
f=Vf/60d (Hz) (2)
式中 Vf——伺服机构的进给速度(mm/min)
3.3 进给方向控制
进给方向控制即步进电机的转向控制。步进电机的转向可以通过改变步进电机各绕组的通电顺序来改变其转向;如三相步进电机通电顺序为A-AB-B-BC-C-CA-A…时步进电机正转;当绕组按A-AC-C-CB-B-BA-A…顺序通电时步进电机反转。因此可以通过PLC输出的方向控制信号改变硬件环行分配器的输出顺序来实现,或经编程改变输出脉冲的顺序来改变步进电机绕组的通电顺序实现。
4 PLC的软件控制逻辑
由滑台的PLC控制方法可知,应使步进电机的输入脉冲总数和脉冲频率受到相应的控制。因此在控制软件上设置一个脉冲总数和脉冲频率可控的脉冲信号发生器;对于频率较低的控制脉冲,可以利用PLC中的定时器构成,如图2所示。脉冲频率可以通过定时器的定时常数控制脉冲周期,脉冲总数控制则可以设置一脉冲计数器C10。当脉冲数达到设定值时,计数器C10动作切断脉冲发生器回路,使其停止工作。伺服机构的步进电机无脉冲输入时便停止运转,伺服执行机构定位。当伺服执行机构的位移速度要求较高时,可以用PLC中的高速脉冲发生器。不同的PLC其高速脉冲的频率可达4000~6000Hz。对于自动线上的一般伺服机构,其速度可以得到充分满足。
5 伺服控制、驱动及接口
5.1 步进电机控制系统的组成
步进电机的控制系统由可编程控制器、环行脉冲分配器和步进电机功率驱动器组成,控制系统中PLC用来产生控制脉冲;通过PLC编程输出一定数量的方波脉冲,控制步进电机的转角进而控制伺服机构的进给量;同时通过编程控制脉冲频率——既伺服机构的进给速度;环行脉冲分配器将可编程控制器输出的控制脉冲按步进电机的通电顺序分配到相应的绕组。PLC控制的步进电机可以采用软件环行分配器,也可以采用如图1所示的硬件环行分配器。采用软环占用的PLC资源较多,特别是步进电机绕组相数M>4时,对于大型生产线应该予以充分考虑。采用硬件环行分配器,虽然硬件结构稍微复杂些,但可以节省占用PLC的I/O口点数,目前市场有多种**芯片可以选用。步进电机功率驱动器将PLC输出的控制脉冲放大到几十~上百伏特、几安~十几安的驱动能力。一般PLC的输出接口具有一定的驱动能力,而通常的晶体管直流输出接口的负载能力仅为十几~几十伏特、几十~几百毫安。但对于功率步进电机则要求几十~上百伏特、几安~十几安的驱动能力,因此应该采用驱动器对输出脉冲进行放大。
5.2 可编程控制器的接口
如伺服机构采用硬件环行分配器,则占用PLC的I/O口点数少于5点,一般仅为3点。其中I口占用一点,作为启动控制信号;O口占用2点,一点作为PLC的脉冲输出接口,接至伺服系统硬环的时钟脉冲输入端,另一点作为步进电机转向控制信号,接至硬环的相序分配控制端,如图3所示;伺服系统采用软件环行分配器时,
6 应用实例与结论
将PLC控制的开环伺服机构用于某大型生产线的数控滑台,每个滑台仅占用4个I/O接口,节省了CNC控制系统,其脉冲当量为0.01~0.05mm,进给速度为Vf=3~15m/min,完全满足工艺要求和加工精度要求
本例无实际意义,但非常有利于分析程序执行过程。系统输入端只需接一个按钮,无输出,参考图1,只接X0。分析图2中,(a)、(b)、(c)三种情况下,观察计数器的当前值,分析程序执行过程。
程序中M8011为特殊辅助继电器,只要PLC处于运行状态,将不停发出10ms的脉冲信号(5ms通、5ms断)。程序中T0为1s定时,X0闭合后1s,T0导通。C0为增计数器,在X0闭合、T0没有闭合的前提下,记录M8011发出的脉冲个数。理论上,在T0导通,C0计数器停止计数时,计数器的当前值应为100个(1s/10ms=100个脉冲)。三段程序中,只是改变了执行的前后位置,但结果却不同。结合对应的时序图分析其原因。
6ES72111BE400XB0 | CPU 1211C AC/DC/Rly,6输入/4输出,集成2AI |
6ES72111AE400XB0 | CPU 1211C DC/DC/DC,6输入/4输出,集成2AI |
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6ES72121BE400XB0 | CPU 1212C AC/DC/Rly,8输入/6输出,集成2AI |
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