基于PLC的伺服電機控制系統(tǒng)開發(fā)

基于PLC的伺服電機控制系統(tǒng)開發(fā),基于,plc,伺服,電機,機電,控制系統(tǒng),開發(fā) 1基 于 PLC 的 伺 服 電 機 控 制 系 統(tǒng) 開 發(fā)1、 課 題 背 景PLC （Programmable Logic Controller）名為可編輯邏輯控制器，誕生于 上個世紀， 其功能強大、 使用方便、 性價比高、 可靠性抗干擾能力強的優(yōu)異特點 使它成為了現(xiàn)代化工業(yè)改革中控制系統(tǒng)方面的一面旗幟。 而伺服電機是工廠自動 化、 數(shù)控機床 、 機器人等機電一體化中的重要驅動部件。 兩者都廣泛運用在工業(yè) 領域，而它們的結合更是給整個現(xiàn)代工業(yè)帶來了翻天覆地的變化。伺服系統(tǒng) （servomechanism） 又稱隨動系統(tǒng)， 是用來精確地跟隨或復現(xiàn)某個 過程的反饋控制系統(tǒng)。 伺服系統(tǒng)使物體的位置、 方位、 狀態(tài)等輸出被控量能夠跟 隨輸入目標 （或給定值） 的任意變化的自動控制系統(tǒng)。 它的主要任務是按控制命 令的要求、 對功率進行放大、 變換與調(diào)控等處理， 使驅動裝置輸出的力矩 、 速度 和位置控制非常靈活方便。 在很多情況下， 伺服系統(tǒng)專指被控制量 （系統(tǒng)的輸出 量） 是機械位移或位移速度 、 加速度的反饋控制系統(tǒng) ， 其作用是使輸出的機械位 移 （ 或 轉 角 ） 準 確 地 跟 蹤 輸 入 的 位 移 （ 或 轉 角 ） ， 其 結 構 組 成 和 其 他 形 式 的 反 饋 控 制 系 統(tǒng) 沒 有 原 則 上 的 區(qū) 別 。 伺 服 系 統(tǒng) 最 初 用 于 國 防 軍 工 , 如 火 炮 的 控 制 , 船 艦、飛機的自動駕駛,導彈發(fā)射等,后來逐漸推廣到國民經(jīng)濟的許多部門,如自動 機床、無線跟蹤控制等縱觀我國的工業(yè)自動化水平還依舊處于發(fā)展階段， 無論是控制系統(tǒng)還是網(wǎng)絡 化程度都和發(fā)達國家之間存在明顯的差距。 其中有大多數(shù)工廠依舊使用傳統(tǒng)機床 和生產(chǎn)加工線 ， 這些工廠和企業(yè)急需爆發(fā)出新的生命力來響應國家的政策 。 并且 近年來我國強調(diào)經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)現(xiàn)和現(xiàn)代工業(yè)化的轉變， PLC 伺服控制應用將是 其中必不可少的一份子 。 因此從它的發(fā)展趨勢來看 ， 它在我國工業(yè)應用領域的拓 展和深入將是必然實現(xiàn)的。而 本 課 題 基 于 PLC 的 伺 服 電 機 的 控 制 系 統(tǒng) ， 便 是 順 應 時 代 的 潮 流 。 在 plc 深入改革工業(yè)世界的同時， 運用自己所學的基礎知識和專業(yè)知識來設計并解決問 題。22、文獻調(diào)研2.1 PLC 伺服系統(tǒng)在國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀2012 年 沈 陽 理 工 大 學 機 械 電 子 工 程 的 王 瑜 碩 士 在 導 師 陳 白 寧 的 輔 導 下 研 究 以鋼管切割生產(chǎn)線中的自動定長切割設備為對象， 提出了鋸片在高速旋轉的過程 中變速進給切削的新理念， 研究開發(fā)了可以變速、 定長切割， 具有設備可靠性高、 結構簡單、 易于調(diào)試等特點的冷切割設備控制系統(tǒng) 。 該系統(tǒng)自動化程度高， 可靠 性高，鋼管的切削質(zhì)量高，鋸片的使用壽命長。2013 年 南 京 師 范 大 學 電 氣 工 程 的 劉 佳 佳 碩 士 在 導 師 鞠 勇 的 指 導 下 ， 根 據(jù) 江 蘇某集團有限公司根據(jù)市場需求開發(fā)的軸承壓入機項目。 針對軸承壓入機的機械 結 構 與 工 作 特 點 ,采 用 基 于 PLC 的 伺 服 運 動 系 統(tǒng) 實 現(xiàn) 軸 承 壓 入 控 制 。 實 現(xiàn) 了 PLC 伺 服 控 制系 統(tǒng)精 確定 位的 設計 與研 發(fā), 采 用手 動和 自動 兩種 操作 方式 對系 統(tǒng)進 行 精 確 定 位。并 且 實 際使 用效 果良 好, 達 到了 設計 的 要 求。 實驗 表明 該精 確定 位系 統(tǒng)具有較高的精確性。2010 年 廣 西 師 范 大 學 碩 士 喻 偉 闖 在 導 師 羅 曉 曙 的 指 導 下 ， 研 究 從 光 纖 連 接 器 插 針 的 高 精 度 研 磨 需 求 出 發(fā) ,與 某 臺 資 光 纖 插 針 生 產(chǎn) 企 業(yè) 合 作 研 發(fā) 出 一 套 光 纖 連接器研磨機伺服控制系統(tǒng)。 主要研究了伺服系統(tǒng)的組成結構和工作原理、 光纖 連 接 器 研 磨 機 操 作 臺 X 軸 、 Y 軸 、 A 軸 的 運 動 控 制 方 式 、 設 計 了 研 磨 機 送 料 系 統(tǒng)、氣動控制系統(tǒng)以及觸摸屏人機界面,采用三菱 FX2N 系列 PLC 對整機進行編 程控制,實現(xiàn)光纖連接器插針研磨的全自動控制。實際應用證明,所研發(fā)的樣機運 行 穩(wěn) 定 、 操 作 簡 單 ,能 滿 足 產(chǎn) 品 各 項 技 術 指 標 要 求 。 [17]目 前 ,我 國 鋼 軌 焊 接 通 常 采 用 閃 光 焊 ,其 焊 接 后 必 定 會 在 焊 接 處 留 下 一 段 焊 瘤 。 為 了 滿 足 對 鋼 軌 平 直 度 的 要 求 ， 2013 年 西 南 交 通 大 學 碩 士 唐 茂 盛 在 導 師 龔 邦命的指導下，對機床整機重新設計并采用 Q02H 高性能 PLC、 MR-J3-350A 伺 服 放 大 器 和 QD75M4 定 位 模 塊 組 成 實 現(xiàn) 對 機 床 垂 直 升 降 機 構 的 控 制 從 而 使 鋼 軌 打 磨 機 床 高 效 穩(wěn) 定 。 [16]2014 年 大 連 理 工 大 學 碩 士 婁 宇 翔 在 導 師 韓 敏 的 指 導 下 對 電 子 凸 輪 進 行 分 析 與研究,總結出電子凸輪設計的一般方法。研究了機械凸輪的定義和應用,進而提 出 了 電 子凸 輪的 定義 和應 用方 面的 舉例 ,總 結出 電 子 凸輪 設計 的方 法。 并通 過可3編 程 控 制 器 PLC 結 合 伺 服 系 統(tǒng) 實 現(xiàn) 電 子 凸 輪 功 能 的 目 標 ， 為 后 續(xù) 的 需 要 運 用 到 電 子 凸 輪 的 應 用 起 到 投 石 問 路 的 作 用 。 [15]2008 年 蘭 州 理 工 大 學 碩 士 劉 麗 榮 在 導 師 羅 生 梅 、 趙 學 的 指 導 下 研 究 和 開 發(fā) 基于 PLC 的 全 自 動 紙 紗 復 合 制 袋 機 生 產(chǎn) 線 。 設 計 改 進 了 剪 切 刀 的 結 構 和 傳 動 路 線 ,由 伺 服 電 機 單 獨 驅 動 ;在 硬 件 電 路 方 面 ,以 PLC 為 控 制 核 心 ,并 帶 一 個 位 置 控 制 模 塊 ,實 現(xiàn)了 剪 切 刀速 度與 走袋 速度 的協(xié) 調(diào)控 制。 整 個硬 件電 路圖 的設 綜合 運用 了可編程控制器( PLC)、 變頻器、 編碼器、 伺服驅動等現(xiàn)代控制部件 ,實現(xiàn)了以 PLC 為 控 制 核 心 的 紙 紗 復 合 制 袋 工 藝 的 自 動 化 生 產(chǎn) ,解 決 了 原 制 袋 機 使 用 中 存 在 的 問 題 和 不 足 。 [14]2008 年 《 設 計 與 應 用 》 第 四 期 吳 晨 曦 、 蔣 嶸 提 出 了 PLC-伺服系統(tǒng)進行位置 控 制 的 結 構 原 理 ,分 析 了 各 環(huán) 節(jié) 的 作 用 ;并 以 兩 軸 聯(lián) 動 控 制 為 例 .給 出 了 軟 硬 件 設 計、實現(xiàn)方法及部分應用程序;調(diào)試結果表明,該系統(tǒng)具有結構簡單、控制靈活、 響 應 快 速 、 定 位 精 準 等 特 點 ,滿 足 位 置 控 制 的 性 能 要 求 ,有 推 廣 應 用 價 值 。 [13]2010 年 青 島 大 學 碩 士 王 世 紅 在 導 師 徐 世 宏 的 指 導 下 設 計 了 自 動 剪 切 生 產(chǎn) 線 的 PLC 控制系統(tǒng), 主要 研究了自動剪切生產(chǎn)線的組成及工 作原理 、根據(jù)生產(chǎn)線的 工藝流程, 設計其控制系統(tǒng) 、 根據(jù)生產(chǎn)工藝要求, 設計控制程序, 包括觸摸屏畫面和 PLC 程 序 。 [12]2011 年華中科技大學黃燦燦在導師彭濤的指導下設計并實現(xiàn)了基于 PLC 的 脈沖磁體繞線機伺服電機控制系統(tǒng) 。 主要對繞線機技術實現(xiàn)方案進行了研究綜述 ; 分析脈沖磁體繞線過程,結合實驗室原有脈沖磁體繞線機的性能,分析原有設備在 繞線過程中存在的不足;提出了新繞線機系統(tǒng)需要實現(xiàn)的功能和解決的問題 ;分析 了 步 進 電機 和交 流伺 服電 機的 原理 和特 點, 對 它們 應用 于繞 線機 系統(tǒng) 的優(yōu) 勢及 劣 勢 進 行 分 析 ;分 析 了 PLC 的 原 理 及 特 點 ,對 PLC 應 用 于 繞 線 機 控 制 系 統(tǒng) 的 可 行 性 和 可 靠 性 進 行 了 研 究 。 [11]《試驗與研究》2014 年 01 期，張貴、黃靜華、夏永勝三人囿于傳統(tǒng)的 PID 控制器用于比例伺服液壓缸位置控制時出現(xiàn)超調(diào)大、 穩(wěn)態(tài)精度低、 響應時間較長 等缺點,提出參數(shù)在線自整定模糊 PID 控制方法,并對模糊 PID 控制器的 PLC 實現(xiàn)進 行 分 析 。 針 對 汽 車 板 簧 試 驗 臺 的 比 例 伺 服 缸 實 際 控 制 進 行 試 驗 ,結 果 表 明 :用4PLC 實 現(xiàn) 的 模 糊 PID 控 制 器 簡 單 實 用 ,控 制 精 度 高 ,適 應 性 好 ,抗 干 擾 能 力 強 ,從 而 提 高 了 控 制 品 質(zhì) ,滿 足 了 控 制 要 求 .[10]2.2 PLC 伺服系統(tǒng)在國外發(fā)展現(xiàn)狀2013 年 Gurney, Michael 在 《 InTech》 上 發(fā) 表 了 一 偏 通 過 PLC 伺 服 控 制 系 統(tǒng) 改造原有控制系統(tǒng)延長了舊貼標機的壽命， 并且提高了吞吐量 25%。 新的系統(tǒng)包 括的組件從一個供應商， 包括可編程邏輯控制器 （P LC） ， 一個伺服運動控制器， 五 伺 服 驅 動 器 和 電 機 （ 對 于 運 動 的 五 種 不 同 的 軸 ） ， 和 與 人 - 機 接 口 的 觸 摸 屏 的 PC（ HMI）軟 件和診 斷工具。 因為舊 的系統(tǒng) 沒有 顯 示有意 義的工藝 參數(shù)， 操 作者有時不知道哪個方向移動的參數(shù)校正過程。 而新的系統(tǒng)則清晰明了， 大大提 高了產(chǎn)量。2011 年 Aasness, Lance 在 《 Snack Food 如 果 上 位 控 制 器 有 比 較 好 的 閉 環(huán) 控 制 功 能 ， 則 可 選 用 速 度控制。根據(jù)電動機的 類型，調(diào)速控制系統(tǒng)也分不同類型，如異步電動機的變 頻 調(diào) 速 和 同 步 電 動 機 的 變 頻 調(diào) 速 ’異 步 電 動 機 的 變 頻 調(diào) 速 分 為 籠 型 異 步 電 動 機 的變頻調(diào)速和 PWM 型變頻調(diào)速。（2）位置控制在 有 上 位 控 制 裝 置 的 外 環(huán) PID 控 制 時 速 度 模 式 也 可 以 進 行 定 位 ， 但 必 須 把 電動機的位置 信號或直接負載的位置信號給上位反饋以做運算用。位置模式也 支持直接負載外環(huán)檢測位置 信號，電動機軸端的編碼器只檢測電動機轉速。由 于位置模式對速度和位置都有很嚴格的控 制，因而其主要應用于定位裝置，如 數(shù)控機床、印刷機械等。6（3）轉矩控制 轉 矩 控 制 方 式 實 際 上 就 是 通 過 外 部 模 擬 量 的 輸 入 或 直 接 的地 址 賦 值 來 設 定電動機軸 輸出轉矩。例如 10V 對應 5N ? m 的話，當外部模擬量設定為 5V 時， 電動機軸輸出為 2.5N ? m.如果電動機軸負載低于 2.5N.m 時電動機正轉， 外部負 載等于 2.5N ? m 時電 動 機 不 轉 ， 大 于 2.5N*m 時電動機反轉(通常在有重力負載 情況下產(chǎn)生) 。 可以通過即 時改變模擬量的設定來改變設定力矩大小， 也可通過 通信方式改變對應的地址的數(shù)值來 實現(xiàn)。轉矩控制主要應用在對材質(zhì)的受力有 嚴格要求的纏繞和放卷的裝置中，例如繞線 裝置或拉光纖設備。4.3 人機界面的開發(fā) 使用組態(tài)王進行人機界面的設計。4.4 PC 與 PLC 之間的通訊（1）PC 與 PLC 實現(xiàn)通信的意義（2）PC 與 PLC 實現(xiàn)通信的方法（3）PC 與 PLC 實現(xiàn)通信的條件（4）PC 與 PLC 互聯(lián)的結構形式（5）PC 與 PLC 互聯(lián)通信方式5、 進 度 安 排序 號 設 計 （ 論 文 ） 各 階 段 名 稱 日 期 備 注1 課題調(diào)研 2015 年 12 月 5 日 ~2015 年 12 月 30 日2 專業(yè)外文翻譯 2015 年 12 月 20 日 ~2016 年 1 月 5 日3 學習 PLC 原理與應用，伺服電機控制等基本知識，完成控制系統(tǒng)數(shù)學模型分析 2016 年 12 月 25 日 ~2016 年 3 月 16 日4 設計 PLC 程序，完成速度和定位等控制功 能 2016 年 3 月 11 日 ~2016 年 4 月 10 日5 實現(xiàn)上位機組態(tài)監(jiān)控功能 2016 年 4 月 10 日 ~2016 年 4 月 30 日6 實驗聯(lián)調(diào)、撰寫相關文檔 2016 年 5 月 1 日 ~2016 年 5 月 8 日7 撰寫論文、答辯 2016 年 5 月 8 日 ~2016 年 5 月 24 日77、 參 考 文 獻[1] 張 東 明 ， 文 友 先 ， PLC 的 發(fā) 展 歷 程 及 其 在 生 產(chǎn) 中 的 應 用 ， 華 中 農(nóng) 業(yè) 大 學 工 程技術學院，430070, 60,62,63 頁[2] 國內(nèi) plc 廠商的發(fā)展之路，市場研究專欄 （2011 年 02 期）[3] 劉銳， 米欣 ， 基于專利文獻檢索的我國伺服電機發(fā)展淺析， 科技成果縱橫2012.01 。[4] 王瑜.PLC 及伺服系統(tǒng)在冷切切割設備中的應用[D]. 沈陽理工大學 2012[5] 胡文莉,周亞軍.運動平滑處理技術在伺服控制系統(tǒng)中的應用[J]. 機電工程.2009(10)[6] 黃 建 新 ,劉 建 群 ,曠 輝 ,吳 石 林 .觸 摸 屏 與 PLC 組 成 的 伺 服 電 機 控 制 系 統(tǒng) [J]. 儀表技術與傳感器. 2005(02)[7] 侴俊欣，PLC 發(fā)展及未來趨勢探析[J]. 現(xiàn)代商貿(mào)工業(yè). 2013(11)，172 頁 [8] 葉云岳， 國內(nèi)外直線電機技術的發(fā)展、 近況與趨勢[J]. 電氣時代. 2012(04) [9] 曹金華，分析 PLC 在電氣自動化中的應用現(xiàn)狀及未來發(fā)展趨勢[J]. 科技與企業(yè). 2012(15)[10]張貴,黃靜華,夏永勝.基于 PLC 的電液比例伺服系統(tǒng)模糊 PID 控制研究[J]. 機床與液壓. 2014(01)[11]黃燦燦.基于 PLC 的脈沖磁體繞線機伺服電機控制系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[D]. 華中科技大學 2011[12]王世紅.自動剪切生產(chǎn)線的 PLC 控制系統(tǒng)設計[D]. 青島大學 2010． [ 13]吳晨 曦 ,蔣 嶸 .基 于 PLC—伺 服 驅 動 的 位 置 控 制 系 統(tǒng) 設 計 [J]. 制 造 業(yè) 自 動 化 .2008(04)[14]劉麗榮.基于 PLC 的全自動紙紗復合制袋機生產(chǎn)線的研究與開發(fā)[D]. 蘭州 理工大學 2008[15]婁宇翔.基于 PLC 與伺服系統(tǒng)控制的電子凸輪應用研究[D]. 大連理工大學 2014[16]唐茂盛.基于 Q 系列 PLC 的鋼軌精磨機垂直伺服控制系統(tǒng)設計[D]. 西南交通 大學 2013.8[17]喻偉闖.基于 PLC 的光纖連接器研磨機伺服控制系統(tǒng)研究[D]. 廣西師范大 學 2010.[18] 祝永華,郁煒,葉文通.PLC 的網(wǎng)絡化發(fā)展趨勢[J].電氣時代,2003(6). 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