基于嵌入式PLC芯片組的運(yùn)動(dòng)控制器的設(shè)計(jì)
1 引言
圓網(wǎng)印花機(jī)是織物印染后續(xù)處理機(jī)電設(shè)備，對(duì)織物進(jìn)行上色印花并烘干，其關(guān)鍵部件是印花單元，主要完成多種花色的自動(dòng)套印功能。傳統(tǒng)印花單元采用機(jī)械傳動(dòng)控制，在工藝更改或織物發(fā)生變化時(shí)，機(jī)械調(diào)整工作量大，操作流程較復(fù)雜。設(shè)備經(jīng)過一段時(shí)間使用后，由于機(jī)械磨損，印花精度和速度都大為降低，并且升降速跑花。20世紀(jì)90年代末，國產(chǎn)圓網(wǎng)印花機(jī)開始采用分電機(jī)獨(dú)立傳動(dòng)控制模式，雖然印花精度和速度有明顯提高，但升降速有跑花現(xiàn)象，與之配套的控制系統(tǒng)構(gòu)成方式也比較復(fù)雜。其中有單片機(jī)總線擴(kuò)展方式、計(jì)算機(jī)分布式控制、plc控制等。因其控制方式復(fù)雜或成本較高，這些控制方式?jīng)]有得到大量推廣。
在深入分析各種控制方案的優(yōu)缺點(diǎn)后，2005年本文作者利用黃石市科威自控有限公司的嵌入式plc芯片組，設(shè)計(jì)出了kp3-05m06r型運(yùn)動(dòng)控制器。該控制器集plc、can總線、rs485/232等功能于一體，與步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器或伺服驅(qū)動(dòng)器配套使用，具有對(duì)步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)進(jìn)行點(diǎn)動(dòng)、定位、脈沖正反插補(bǔ)、脈沖分頻等功能。多個(gè)運(yùn)動(dòng)控制器通過can通信接口互連，其中一臺(tái)運(yùn)動(dòng)控制器作為主站，其余運(yùn)動(dòng)控制器均作從站。該系統(tǒng)可接人機(jī)界面，實(shí)現(xiàn)工藝集中顯示、控制和管理，如配備web服務(wù)器還可實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控和診斷。
2 運(yùn)動(dòng)控制器的功能
自2005年至今，kp3-05m06r型運(yùn)動(dòng)控制器在紡織、印染行業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用了數(shù)千臺(tái)。實(shí)踐證明該款控制器不但性能優(yōu)越，而且使用和維護(hù)非常簡便。其中主要參數(shù)如下：
輸入：5路光耦+1路最高100khz脈沖信號(hào)。
輸出：6路繼電器+5路晶體管+1路0～10vdc +1路級(jí)連脈沖+1路分頻脈沖。
通信功能：
can接口，波特率160kbit/s，可實(shí)現(xiàn)多個(gè)運(yùn)動(dòng)控制器互連；
串口0，可完成梯形圖下載、監(jiān)控、接字符屏或人機(jī)界面；
串口1，支持三菱fx2n計(jì)算機(jī)鏈接方式格式1的部分主從協(xié)議，按此協(xié)議可實(shí)現(xiàn)本運(yùn)動(dòng)控
制器與fx2n系列plc、操作終端或其他設(shè)備互連，完成信息交換、參數(shù)設(shè)置、異地操作等功能。
控制功能：
脈沖分頻，頻率=輸入脈沖頻率/k，其中4.000≤k＜∞，小數(shù)點(diǎn)后有效數(shù)字為3位；
脈沖點(diǎn)動(dòng)，自動(dòng)定位，直線插補(bǔ)；
編程語言：
梯型圖語言，與三菱fx2n指令兼容。
3 硬件設(shè)計(jì)方案
3.1 主控制器及外圍電路框圖
主控制器及外圍電路框圖如圖1所示。
圖1 主控制器及外圍電路框圖
3.2 從控制器及外圍電路框圖
從控制器及外圍電路框圖如圖2所示。
圖2 從控制器及外圍電路框圖
4 軟件設(shè)計(jì)方案
4.1 主控制器軟件設(shè)計(jì)
主控制器采用嵌入式plc芯片組，完成開關(guān)量輸入輸出、uart0、uart1、can、rs485/232互連和通信功能。基本軟件框架由以下七個(gè)子程序組成。
init-config：端口初始化程序，完成輸入輸出端口配置，中間變量初始化，啟動(dòng)spi。
init-start：上電初始化程序，復(fù)位所有輸出口。
init-set：設(shè)置初始化程序，復(fù)位所有輸出口。
init-run：運(yùn)行初始化程序。
step：指令周期掃描程序
tms：2.5ms周期掃描程序，采樣輸入口狀態(tài)、刷新輸出口狀態(tài)、spi通信報(bào)文的發(fā)送和接收。
scan：演算周期掃描程序，輸入口狀態(tài)濾波，spi通信報(bào)文的解讀。
4.2 從控制器軟件設(shè)計(jì)
從控制器采用c8051f330單片機(jī)，指令運(yùn)算速度高達(dá)25mips。從控制器對(duì)輸入脈沖采樣，接受主控制器發(fā)送的命令并進(jìn)行相應(yīng)的處理，輸入脈沖經(jīng)過分頻后，輸出相應(yīng)頻率的脈沖，并將有關(guān)信息發(fā)送給主站控制器。從控制器的作用相當(dāng)于一個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，它接受主控制器的命令執(zhí)行不同的動(dòng)作，并把執(zhí)行的狀態(tài)反饋給主控制器，主要由以下5個(gè)功能程序組成。
start：上電復(fù)位初始化程序，輸入輸出端口配置，復(fù)位中間變量單元，啟動(dòng)spi、int0中斷。
int-int0：外部中斷0服務(wù)程序，對(duì)輸入脈沖進(jìn)行分頻處理及脈沖插補(bǔ)。
int-spi：spi中斷服務(wù)程序，spi通信報(bào)文的接收和發(fā)送。
int-t3：定時(shí)器t3中斷服務(wù)程序，監(jiān)控spi通信狀態(tài)和主程序執(zhí)行狀態(tài)。
main：主程序，解讀spi通信報(bào)文，完成脈沖點(diǎn)動(dòng)、定位。
4.3主從控制器的組合設(shè)計(jì)
主、從控制器之間以spi接口連接，spi通訊速率為500kbit/s，因此有利于提高系統(tǒng)的快速性和實(shí)時(shí)性。
主站采用定時(shí)發(fā)送/接收模式，嵌入程序初始化時(shí)，啟動(dòng)spi發(fā)送，定時(shí)時(shí)間到，先接收一字節(jié)數(shù)據(jù)，然后發(fā)送下一字節(jié)數(shù)據(jù)。當(dāng)所有報(bào)文發(fā)送完成后，暫停發(fā)送等待主程序處理報(bào)文，報(bào)文處理完后才啟動(dòng)下一輪發(fā)送。
從站采用中斷接收/發(fā)送模式，進(jìn)入中斷服務(wù)程序后，先接收一字節(jié)數(shù)據(jù)，然后發(fā)送一字節(jié)數(shù)據(jù)，當(dāng)所有報(bào)文接收完成后，對(duì)應(yīng)的有相同字節(jié)的報(bào)文發(fā)送完成。此時(shí)從站停止接收?qǐng)?bào)文，等待主程序處理接收到的報(bào)文，報(bào)文處理完后，又啟動(dòng)下一輪報(bào)文接收過程。
報(bào)文結(jié)構(gòu)：stx+報(bào)文內(nèi)容+etx+crc。
stx：報(bào)文起始代碼，固定為02h。
報(bào)文內(nèi)容：起始2個(gè)字節(jié)為命令字對(duì)應(yīng)的ascii碼，以區(qū)別不同的報(bào)文，后面為報(bào)文實(shí)際 數(shù)據(jù)，全部采用ascii碼。
etx：報(bào)文結(jié)束代碼，固定為03h。
crc：校驗(yàn)和，報(bào)文內(nèi)容所有字節(jié)相加后再加etx的數(shù)值，然后轉(zhuǎn)換成ascii碼。
5 應(yīng)用舉例
5.1控制設(shè)備名稱
控制設(shè)備名稱：4套色圓網(wǎng)印花機(jī)控制系統(tǒng)。
5.2技術(shù)要求
同步傳動(dòng)包括兩部分：主傳動(dòng)同步主要是進(jìn)布電機(jī)與超喂電機(jī)、印花電機(jī)、烘房電機(jī)、立柱烘焙電機(jī)(含立柱烘焙電機(jī)與落布電機(jī)等單元之間的同步)之間的同步傳動(dòng)；分同步傳動(dòng)則是實(shí)現(xiàn)印花電機(jī)與網(wǎng)頭分電機(jī)之間的同步傳動(dòng)，要求同步精度高。
電控系統(tǒng)由主軸運(yùn)動(dòng)控制噐(即主站)、從軸控制噐(4合)、人機(jī)界面等組成, 方便用戶編輯工藝程序(程序可保密)。
5.3控制系統(tǒng)框圖
控制系統(tǒng)框圖如圖3所示。
圖3 控制系統(tǒng)框圖
5.4控制方案
5.4.1同步控制
kp3-05m06r型運(yùn)動(dòng)控制器接收到由編碼器檢測的主電機(jī)轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理后，輸出頻率可調(diào)的、用于控制網(wǎng)頭分電機(jī)的脈沖，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)帶與網(wǎng)頭同步。
主傳動(dòng)是由嵌入式plc與同步控制器共同完成同步調(diào)節(jié)功能的。
5.4.2自動(dòng)對(duì)花控制
自動(dòng)對(duì)花不需要安裝高故障率的接近開關(guān)，只要編寫梯形圖程序并用觸摸屏輸入的步數(shù)傳送到d5904和d5905寄存器，且將自動(dòng)回零控制字d5907置1即可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)對(duì)花。
5.4.3插步控制
因?yàn)橛』ň纫蟾撸a(chǎn)現(xiàn)場必須經(jīng)常修改插步數(shù)據(jù)，既耗時(shí)又達(dá)不到要求。使用該款運(yùn)動(dòng)控器后，只需對(duì)d5902和d5903寄存器賦值就能實(shí)現(xiàn)插步控制。
因篇幅所限，控制方案不能祥細(xì)介紹。
6 結(jié)論
該款運(yùn)動(dòng)控制器雖然是針對(duì)圓網(wǎng)印花機(jī)控制系統(tǒng)定型設(shè)計(jì)，但由于用戶可采用標(biāo)準(zhǔn)梯形圖進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)不同的功能，所以也可運(yùn)用于其它運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。運(yùn)用嵌入式plc芯片組進(jìn)行組合設(shè)計(jì)是一種全新的產(chǎn)品設(shè)計(jì)思路,設(shè)計(jì)者只專注于接口部件的軟硬件設(shè)計(jì)，使產(chǎn)品設(shè)計(jì)流程縮短2/3的時(shí)間，且可靠性高。嵌入式plc芯片組給廣大的產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員帶來一種快捷、高效、可靠的設(shè)計(jì)方案。
實(shí)踐證明，采用基于嵌入式plc芯片組設(shè)計(jì)的運(yùn)動(dòng)控制噐，印花精度高、傳動(dòng)速度快、生產(chǎn)效率高、產(chǎn)品質(zhì)量優(yōu)，社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益巨大，深受客戶好評(píng)。該設(shè)計(jì)方案具有推廣價(jià)值。
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