数控平台PLC控制系统的开发

0 前言

　　可编程控制器( PLC) 是上世纪60 年代发展起来的一种新型自动化控制器。最早是用于替代传统的继电器控制装置, 功能上只有逻辑控制、计时、计数以及顺序控制等, 而且只能进行开关量控制。随着技术的进步, PLC吸取了微电子技术和计算机技术的最新成果, 发展十分迅速, 其控制功能已远远超出逻辑控制的范畴, 从单机自动化、生产线的自动化, 到整个工厂的生产自动化, 从柔性制造、工业机器人到大型分散型控制系统, PLC均担当着重要角色。PLC、数控技术和工业机器人已成为机械工业自动化的三大支柱。

　　PLC与数控技术的结合产生了各种不同类型的数控设备, 如复杂的数控加工中心, 简单的激光淬火用X2Y数控平台, X2Y绘图仪。如两轴运动的X2Y数控装置, 不但有着广泛的工业应用, 而且在高校数控实践教学中也是典型的实验设备。它一般由两个步进电机驱动, 可以沿X轴方向和Y轴方向运动, 用单片机或PLC编程控制其走出不同的运动轨迹。本设计用西门子S72200PLC控制数控平台, 用PC机作上位机构成控制系统, 通过直线插补、圆弧插补运算实现数控平台按规定的轨迹运动。

1 数控平台控制系统

　　用西门子S72200PLC (CPU226模块) 作控制器,由于现有的PLC主机模块为继电器输出型, 24 点输入16点输出, 接交流220V电源工作, 继电器输出不适合步进电机控制的大量、快速脉冲输出, 故扩展一个晶体管输出型EM222 模块作输出口。EM222 模块有8个输出点, 一边4个点, 模块要外接电源才能工作, 一般只要直接接PLC主机模块的24V 直流输出就行, 也可以用+ 5V电源, 但要注意与驱动电源共地的问题。驱动数控平台的两个步进电机型号为45BF005Ⅱ, 是三相反应式步进电机, 步距角115°, 相电流215A, 驱动电压直流24 ～40V。X轴步进电机三相XA～XC接EM222输出点的Q217～Q215, Y轴步进电机三相YA～YC接EM222 输出点的Q214 ～Q212。输出点通过一大电阻接地M, 使其与EM222 内部晶体管输出电路L+(24V) 、M形成完整回路, 能保证输出信号的确定。

　　PC机作上位机, 设计人机接口界面, 数据输入,数控插补运算, 仿真动态显示插补运动轨迹, 并将插补运动轨迹控制信息传给PLC, 由PLC控制步进电机运动。驱动电路就是功率放大, 使步进电机获得所要求的相电流和驱动电压。

图1　数控平台控制系统

2 插补运算

　　PC机界面友好, 数据输入方便, 插补运算速度快, 插补轨迹显示直观生动, 利用PC机强大的软硬件功能完成这些任务弥补了PLC的不足。一般的零件轮廓大都可以分解为直线和圆弧, 用VB编程, 采用逐点比较法设计直线插补和圆弧插补运算程序。无论图形在哪个象限, 插补运算的结果就是产生步进电机的运动控制信息, 一是运动轴, 二是在该轴的正或负方向运动。PC机插补运算一步, 实时地将插步结果的运动控制信息传送给PLC, PLC根据PC机传来的控制信息驱动相应的步进电机运动。PC 机传给PLC的运动控制信息分下面几种情况:

　　MSComm1 1Ou tp u t = " 1 " + " 1 " + " 0 " +
　　Ch r ＄ ( &HA ) - - - - - - - - - - +X方向走一步
　　MSComm1 1Ou tp u t = " 1 " + " 2 " + " 0 " +
　　Ch r ＄ ( &HA ) - - - - - - - - - - - X方向走一步
　　MSComm1 1Ou tp u t = " 2 " + " 3 " + " 0 " +
　　Ch r ＄ ( &HA ) - - - - - - - - - - + Y方向走一步
　　MSComm1 1Ou tp u t = " 2 " + " 4 " + " 0 " +
　　Ch r ＄ ( &HA ) - - - - - - - - - - - Y方向走一步
　　MSComm1 1Ou tp u t = " 0 " + " 0 " + " 6 " +
　　Ch r ＄ ( &HA ) - - - - - - - - - - 停止信号

　　实际上就是PC机与PLC之间的通信数据协议问题, PC机实时传送的数据由4 个字节组成, 分别为轴、轴的运动方向、停止信号、最后是结束符0AH,数据格式如下:

图2　通信数据格式

　　第一个字节表示运动轴, 字符1 (传ASCII码31H) 为X轴, 字符2 (传ASCII码32H) 为Y轴。第二个字节表示运动方向, 字符1为+ X方向, 字符2为- X方向, 字符3为+ Y方向, 字符4为- Y方向。第三个字节表示停止信号, 字符6 表示插补结束, 关闭步进电机。第四个字节为结束符0AH, PLC以接收到0AH为标志, 认为本次数据接收完毕。