基于 PLC和触摸屏的电动缸自动测试系统设计

电动缸是一种提供直线推力的运动装置 , 是一种高响应、长寿命的执行机构 , 在诸多领域得到广泛应用 , 包括 : 六自由度并联运动平台、娱乐仿真设备、生物测试设备、造波机、疲劳测试、飞机结构强度测试、动态仿真等。

在电动缸作为执行机构的控制系统中 , 电动缸直接由伺服驱动器控制 , 不再需要油、气等中间媒介传递动力 , 而采用油、气等动力传递媒介正是产生运动仿真、测试系统控制误差的主要原因 , 从而导致不准确、使用不方便 , 所以电动控制系统比液压系统具有更优越的控制性能 , 速度更快、承载能力更高、寿命更长。系统的控制性能不会受环境温度、易污染的液压阀和流体介质等因素影响 , 无需随着使用环境条件变化而做相应调整 , 减少设施投入和设备维护 , 节省安装空间且安装拆卸、调试方便。同时系统也可使用220 V (单相或者三相 ) 交流电源 , 电机和伺服驱动器之间的连线也非常简单 , 不再需要液压系统中复杂的油泵、管路、冷却系统以及其他附属设施。

与气缸相比 , 电动缸可以应用在那些不太适合使用高压空气的场合。与气缸所产生的轴向运动相比 ,螺纹的使用使运动有了更高的速度和力矩。在最新的电动伺服系统中 , 在控制速度、位置和扭矩时 , 可以对每个动作进行设定。这个特点使一个简单的 圆柱体 成为一个真正的自动化系统 , 具有体积小、性能优、便于维护等优点。电动缸也可以采用滚柱丝杠技术使系统具有更高的机械刚性、更长的使用寿命、更高的抗冲击能力。高效坚硬的滚珠丝杆适合做精确定位和长距离往复运动 , 适合大轴向载荷的往复运动 , 并能够获得更高的可靠性和更长的使用寿命。

而厂家提供的电动缸出厂前需要进行严格的质检及功能测试。为使其功能能够满足客户的需求 , 出厂测试显得尤为重要。目前的测试手段基本上为人工手动测试 , 这样在测试上需要投入大量的时间和精力。

为提高检验环节效率 , 需要一种专门的测试系统来代替人工测试 , 使整个测试更高效、准确、全面。作者受某公司委托开发这个测试系统。

1 测试系统的介绍及特殊要求

电动缸的出厂测试项目主要包括行程测试、走合测试和速度测试 , 应能根据所测对象的不同而进行相关参数设置 , 所以该系统主要有 3个功能块 :

(1) 行程测试。

该项测试需要设置前进和后退两个按钮 , 按照设计要求对整套系统进行全行程测试; 电机的运行速度根据实际需要可方便调整 , 在最近端和最远端都停止 , 由外部测量机构得到该缸的真实最大有效行程 (根据操作人员的工作习惯 ), 检验其在最近端和最远端是否出现堵转现象或者转矩过大的现象 ; 同时检查最大行程是否满足出厂规格。

( 2) 走合测试。

在规定的走合时间内 (一般为数个小时 ) 整套系统运行的平稳性测试。走合测试受按钮控制 , 按下走合测试按钮 , 电机开始运行并计时 , 在所设置的范围内自动往复 ; 走合时间到 , 电机停止运行。

( 3) 速度测试。

根据测试相关规程 , 电机设置低、中、高 3种速度进行测试 , 分别设 3个按钮控制。电机在运行过程中 , 要求监控并采集相关数据 ,如电机速度、驱动扭矩等 , 将数据用图表显示 , 并且进行存储 , 方便检查和调用。

为提高工作效率和充分利用现有设备的性能 , 系统采取了双通道设计 , 即单台 PLC控制两台电动缸 ,提高效率、节约时间和成本。

对于整个系统而言 , 需要测量的主要对象有电动缸的最大有效行程、在较长时间的运行的平稳性、电机的转速和转矩。电机的转矩是测量对象中重要的一个参数 , 反映了电机动态性能是否达标 , 对实时性的要求很高。作者在设计时综合考虑了现场需求、操作习惯、测量精度、采样率、兼容性及价格等因素 , 对采用的元件进行了选型。

2 系统的硬件设计

系统选用松下 PLC和 W einview 触摸屏为控制核心单元。可编程逻辑控制器 (简称 PLC) 是专为在工业环境中应用而设计的一种工业控制用计算机 , 具有抗干扰能力强、可靠性高、体积小等优点 , 是实现机电一体化的理想装置。

选用松下 FPX PLC, 是一种适用于小规模设备控制的小型通用 PLC, 具有 32 k步的程序容量和 0 32 s的程序容量 , 能够利用 U SB通信端口与计算机直接连接 , 提供标准 RS232C接口与显示装置通信 , 脉冲输出频率最大可达 100 kH z , 可以使用模拟定时器 ,提供 32路 24 V DC输入和 28路晶体管输出。 PLC内部的可编程单元主要有输入继电器 X、输出继电器Y、定时器 T、数据寄存器 DT等等。

触摸屏 为 威 纶 M T6056iV, 5 6 英 寸, 分辨 率320 234, 65 536色, 外接电压为 24 V, 400MH z的处理器 , 有 64MBDDR2内存和 128M B 闪存 , 通过组态软件 EB8000 制作人机界面和操作软件。

模拟信号的采集、转换 , 出于需要采集负电压的要求而选用 FP0A21模块 , 且必须通过扩展 FP0适配器与 FPX 配合工作 , 具有 16位 2个输入通道和 1个输出通道 , 具有较高的精度和较强的抗干扰性。

试验用电动缸分别为松下公司 M INAS-A 4系列MSMA 152P1电机 配 套 MDDDT5540 驱 动 器 和韩 国M acapion公司 AnyPack 系列 APM-SB04ADK 2电机配套 APD-VS04N 驱动器。

在系统 中, 触摸 屏 (HM I) 和 PLC 之间 采用RS232串行通信 , PLC根据程序设定以及外部输入做出逻辑判断 , 并且输出 2路脉冲提供给 2个驱动器 ,分别控制对应电机的动作。而驱动器提供的模拟电信号 (电 机 转速 和 驱动 转矩 的 检测 信 息 ) 均通 过FP0A 21模 块进 行 A /D 转换, 转换后的数字信号从PLC编程处理后送入到工控触摸屏中 , 且触摸屏可以进行数据图表记录和图形显示 , 从而实现对电动缸的相关信息的在线监测。

电机驱动器的控制线均为 50芯接口 , 根据需要功能选取需要用到的针脚 , 制作控制线。 PLC端口分配与对应控制针脚如表 1所示。

从表 1可以看出 , 需要采用 4输入通道的 AD 模块 , 但价格昂贵。由于走合测试的时间往往较长 , 根据操作习惯 , 往往在一台走合的时候 , 可以对另一台进行行程和速度测试并且进行数据监测和存储等工作 , 所以在这里 , 使用 2个开关制作了双控电路 , 大大节约了成本 , 使原本需用 4个 AD 通道的情况仅仅使用 A21 就可以解决问题。当需用测量某台电动缸的时候 , 拨动其对应开关接通 , 另一路开关断开即可。电路图如图 2所示。

3 系统的软件设计 、工作原理 、 程序作者使用松下公司提供的 W indow s环境下的 PLC编程工具 FPW IN GR进行 PLC程序的编写、编译和下载 , 其具备 3种程序编辑模式 : 符号梯形图编辑模式、布尔梯形图模式和布尔非梯形图模式 , 支持数据、触点和时序图监控 , I /O分配 , 在线编辑。主程序流程如图 3所示。

由于出厂前的电动缸一般都为裸机 , 还没有根据客户方的要求安装限位开关 , 且由于在该系统中需要测量最大有效行程 , 所以在不能使用限位开关的情况下 , 如何保证电动缸在运行过程不发生撞缸堵转现象 , 从而保证电动缸的安全运行 ? 作者经过反复思考、实验论证 , 最终使用转矩限制信号来解决该问题。转矩限制信号一般由伺服电机驱动器的 I/O 接口中某个针脚提供 , 在电机转矩达到参数设定值时 , 该针脚输出有效 , 将 PLC 某输入端子与之相连 , 检测其变化 , 作为程序中保护动作的触发条件。程序示例如图 4所示 , 在这段控制某缸的行程测试的部分程序中, R60和 R61两个常开触头分别作为电动缸前进和后退的动作开关 , 而 X0 接受对应驱动器提供的转矩限制信号 , 来控制中间继电器 R60 和 R61的通断电。

当 X 0有效 (断开 ) 时, PLC停止发送脉冲 , 电机停止运转 , 从而起到类似限位开关的保护作用。经多次实验验证 , 在电动缸默认的参数设置下 , 符合绝大多数工作场合要求 , 即在电机转矩达到 300% 额定转矩才输出转矩限制信号 , 也能正常、安全地起停电机。

操作界面软件的设计主要基于 EB8000 组态软件。作者通过组态软件 , 实现触摸屏上的相应功能 ,通过对程序模块的集合 , 快速、直观地生成人机界面, 建立完整的解决方案 , 直观地显示在触摸屏上。该软件内容丰富 , 支持松下、西门子、三菱、欧姆龙等公司各系列 PLC设备。该软件与以往工控软件相比, 降低了开发难度 , 缩短了触摸屏系统的开发周期。

系统的软件主要由运行界面、参数设置、行程测试、走合测试、速度测试、数据存储显示 6个部分组成, 在每个功能块里面均可以进行缸 1和缸 2 的切换。

参数设置。在这个界面设置测试缸的编号 , 额定转矩和转速及其对应的输出模拟电压比例 , 减速比 , 电动缸的导程 , 每圈脉
冲数 , 希望测试的 3种速度具体值等参数。

行程测试。可以自由设定运行速度 , 提供前进、后退和停止 3个按钮进行控制 , 由于工作现场要求和设备性能限制 , 暂时只提供人工在最近及最远端手动测量 , 以后可以扩展功能 , 加装外部测量装置进行自动测量以及数据记录。

走合测试。提供时间设定、转速设定、走合起始位置和终点位置 4项功能设定 , 并且进行当前电动缸位置的实时检测及显示 , 需要注意的是这里的位置信息实际上是由脉冲数换算得来 , 并没有外部测量装置构成全闭环。

速度测试。同样提供两个缸的功能切换 , 在不同速度和方向的工作状况下 , 都有速度和转矩两个数值显示框 , 提供电机驱动转矩的即时趋势图 , 采集频率为 10H z, 可以检视图中任意时刻且在检视数据框中显示 , 数据的采集和停止由对应的功能按钮来控制。

在速度测试页面点击历史图按钮进入电机启动过程的数据图示 , 记录时间 1 s, 提供高达 100 H z的采样频率。点击数据按钮可以进入历史数据表格记录。该触摸屏可以存储 7天的数据 , 每天数据量最高可达80 000组, 已能满足工作需求 , 如图 6所示。

当需要保 存更多 数据时 , 可 以使用 U SB数据延长线 连接 一个 U盘 , 选择将数据保存至U 盘 即 可。 使 用EB8000 软件的转换功能可以很 方便将 数据导出为 Excel 表格类型。

如果在测试过程中 , 运行出现异常状况 , 则由触摸屏提供声光报警。事故处理完毕后 , 需回到运行首界面进行报警信号清除 , 且恢复使能 , 才能重新正常工作。

4 结束语

基于 PLC和触摸屏的电动缸自动测试系统 , 具有自动化程度高、界面直观、功能强大、灵活性高等优点 , 可以有效地提高测试的效率 , 具有很好的应用前景。目前 , 该系统已在该公司投入使用 , 较好地满足了该公司电动缸出厂时的检测需要 , 提高了工作效率。

4 结论

通过建模与仿真分析 , 文中所给出的 CNC压机系统选型方案 , 位置和速度控制性能比较理想 , 而在压力控制方面 , 响应时间较长 , 压力卸载时产生的峰值需要注意。