基于ControlLogix的三轴伺服数控系统的研究

河北工业大学硕士学位论文基于ControlLogix的三轴伺服数控系统的研究姓名：王铮申请学位级别：硕士专业：控制理论与控制工程指导教师：孙鹤旭20070101河北工业大学硕士学位论文i基于ControlLogix的三轴伺服数控系统的研究摘要信息技术的飞速发展，引起了自动化领域传统控制系统结构的变革，逐步形成以网络集成自动化为基础的企业信息系统。因此，网络控制成为整个工业控制的发展趋势。本文利用罗克韦尔自动化的新一代实时控制网络平台ControlLogix具有联网通信的能力，提出网络分布式多轴同步控制的方法，通过网络在线修改相关的运动控制指令，使之在不同负载和不同速度的情况下都能实现各轴之间的位置、速度同步，从而达到高精度同步控制的目的。同时，以伺服电机控制的中药滴丸包装流水线传动系统为模型，在管理计算机上用组态软件RSView32及VBA建立操作员控制界面，对整个系统状态进行监控，初步构建一个网络控制系统，实现信息的集成。本论文的研究突破了传统的机械刚性连接以及使用PLC/运动控制卡集中控制的多轴同步运动控制方法，实现了对控制多部伺服电机的伺服驱动器进行网络化的分布式实时同步控制。对于利用集成化控制网络技术，改造传统制造业，提高机械设备的技术含量，提高生产的远程管理效能和生产效率，节省生产成本均有重大的现实意义和深远影响。关键词：ControlLogix，SERCOS，同步控制，模糊控制河北工业大学硕士学位论文iiiRESEARCHONTHREEAXESSERVODIGITALCONTROLSYSTEMBASEDONCONTROLLOGIXABSTRACTTherapiddevelopmentofinformationtechnologyresultsintheinnovationoftraditionalcontrolsystemstructureinthefieldofautomation.Theenterpriseinformationsystembasedonintegratedautomationnetworkhasbeenbuiltgradually.Asaresult,networkcontrolbecamethetrendsofwholeindustrialcontrol.Thispaperpresentsthemethodofnetworkdistributedmufti-axissynchronizationaccordingtothenewreal-timenetworksystemControlLogix.Bymodifyingrelevantmotioncontrolcommandonline,thesynchronizationofvelocityandpositioncanbeachievedduringtheloadandvelocitychangeofmotor,andthengainthehighaccuracysynchronizationcontrol.Meanwhile,basedonthemodelofChineseTraditionalDroppingPillsPackingConveyerBeltDrivingSystemcontrolledbyservomotor,friendlyMMI(Man-MachineInterface)onmanagercomputeriscreatedtomonitorthestatusoftotalsystemusingconfigurationsoftwareRSView32andVBAaswellasconstructanetworkcontrolsystemtorealizetheintegrationofinformation.TheresearchofthispaperbreakthroughthetraditionalsynchronizationmethodofmechanicalrigidityconnectionandPLC/MotionControlCardcentralcontrolrealizethenetworkdistributedmufti-axissynchronizationcontroloverthePackingConveyerBeltDrivingSystem.Thegreatpracticemeaningandlongtermeffectwillbeproducedfortheusingofintegratedcontrolnetworktechnologytorebuildtheoldmanufacture、improvehi-techcontentofmachinedevice,promotetheremotemanagermayandproductiveefficiency,saveproductcost.KEYWORDS:ControlLogix,SERCOS,synchronizationcontrol,fuzzycontrol河北工业大学硕士学位论文1第一章绪论§1-1嵌入式控制器网络化的背景和意义自动化包装流水线是一种用多条高速传送带同步传送产品和包装用纸板并将它们打包起来的流水线，该流水线用电子计算机控制管理，传送带由PLC进行同步控制。这有助于实现高效率包装作业，避免因同步误差大造成停产，以适应现代化大规模生产的需要。1-1-1自动化包装流水线在我国的应用状况自动化包装流水线是机械、电气、光电、传感器、强电控制和弱电控制相结合的产品。它主要由产品、包装材料传送系统、光电传感器、PLC同步控制系统、打包机构、检测机构等系统所组成，还有与之配套的供电系统、空调系统、消防报警系统、产品计数系统、网络通讯系统等。由于历史原因，我国的现代化包装流水线发展起步较晚，基础比较薄弱，通过引进、消化、吸收、国产化生产和自主开发，包装已成为国民经济中的重要产业。经过几十年的发展，国产包装机械产品品种比较齐全，有了半自动化和微机控制的全自动化的包装流水线。我国包装流水线虽然已经取得很大发展，但与世界先进水平还有很大差距，高级自动化和多功能自动包装流水线、大型精密高速的先进自动化包装流水线、先进的包装检测流水线还要依靠进口。我国研究自动化包装流水线的高速无轴同步传送带晚于国外工业发达国家，上世纪70年代中期才开始重视自动化包装流水线的研制工作，90年代我国进人自动化包装流水线发展时期，目前已拥有自动化包装流水线1000多条；但与发达国家相比，在自动化程度、生产规模、信息处理、可靠性等方面还有很大的差距，特别是一些大型、多功能自动化包装流水线工程竞争不过国外厂商。要建成具有世界先进水平的高效率的安全可靠的自动化包装流水线，我国必须投入大量的人力和资金。1-1-2基于ControlLogix的包装流水线传动控制系统伺服电机是包装流水线的主要传动设备。它驱动传送带使商品和包装材料高速同步运动，并由包装机在某一位置将商品放进包装材料里进行包装，传送带负责商品和包装盒的高速同步传送，是实现自动化包装流水线高效和安全可靠运行的关键设备。目前应用昀广的是水平同步传送带，它由运行机构、驱动机构、装有存取货机构的载货带、机架和电气设备五部分组成。自动化包装流水线的自动控制系统主要是对传送设备(传送带等)进行自动控制。一般的包装流水线传动控制系统采取PLC集中控制，同步精度较低，且控制困难，成本高。高级的自动化包装流水线传动系统则采用分布式网络同步控制，由中央控制计算机通讯网络和交流伺服系统等直接控制的PLC组成控制系统。网络控制已成为整个工业自动控制的发展趋势。采用网络控制技术有助于提高包装流水线的自动化程度。ControlLogix网络平台是Rockwell公司近年推出的一种集成运动控制功能的网络控制平台产品，配合相应的接口模块，ControlLogix为各种设备提供确定的、可靠的网络连接和通讯。采用ControlLogix平台，可减少设备通信的电缆硬件接线，降低组建系统的人力成本及线路成本。同时，可为用户提供完整的设备级诊断功能，方便网络的维护。通过ControlLogix配合1756-M08SE运动伺服模块可控制三个交流伺服驱动器，实现三部伺服电机的在线监控和同步控制。自动化包装流水线的传动带的驱动系统一般为交流伺服电机，采用交流伺服驱基于ControlLogix的三轴伺服数控系统的研究2动器进行伺服调速。过去，变频器的通信能力不强，只能对异步电动机按照一定的数学模型和昀优条件进行离线优化控制。当电动机参数及工况发生变化后，变频器的运动控制参数就无法达到理想优化状态。利用1756-M08SE接口将2098ULTRA交流伺服驱动器接入ControlLogix，则可以通过网络实现运动参数的在线修改，使电机在不同工况实现优化运行，达到高精度的三轴同步控制，提高包装流水线传送带的定位准确度，并能极大的提高生产效率。1-1-3同步控制发展的国内外现状随着同步控制技术在越来越多行业中的使用，该技术在现今的生产自动化中扮演着非常重要的角色。昀初为了在生产中实现同步控制，人们往往利用机械轴刚性连接的方法来实现同步控制。从而造成系统体积庞大、维护困难、无法实现无级调速，而且如果被控制对象相互之间的距离较远就无法实现。运动控制卡、PLC和变频器的出现使同步控制初步实现了无轴化，人们可以利用PLC编程来对电机进行同步控制，这时的同步控制需要两个控制器一一运动控制器和顺序控制器，相互之间需要通过硬接线、串行接口或其它的通信接口连接，运动控制器和PLC也需要不同的应用程序，每个程序中有一部分要留给两者同步使用，编程和维护难度都很大，同步性能也受到很大的限制。后来，随着驱动器通信能力的提高和现场总线技术的飞速发展，尤其是近年来信息技术的日新月异，通过网络对伺服系统/变频器进行在线同步控制成为可能(甚至可以通过Internet从全球任一位置对特定的工厂底层设备进行运动控制)。1995年，出现一种纯数字式的接口标准SERCOS。SERCOS是串行实时通信系统(SerialReal-timeCommunicationSystem)的缩写，它定义了一种开放的、数字式、控制器和驱动器以及传感器和执行元件相互通信的标准接口，它使用光纤作为传输介质，提供高速的数字信号通信能力。ControlLogix提供了对SERCOS的支持并已经开发出相应的接口模块。由于SERCOS接口是数字式的链路，用户可以通过该链路传送变频器的组态和故障/状态信息。该特性使用户可以通过RSLogix5000来对变频器或伺服系统上述信息进行实时监控。RSLogix5000给用户提供了完整的运动控制的编程、组态和试运行支持。运动控制指令和组态工具是RSLogix5000的一部分，用户不需要另外购买编程工具来实现运动控制。但由于SERCOS使用光纤作为通信载体，故该系统成本较高，一般用在对精度和可靠性要求较高的场合。综上所述，利用ControlLogix结构体系强大的功能对交流伺服系统进行在线同步控制，可实现分布式多轴同步控制系统。由于此方案基于具有DNA(分布式网络结构，DistributedNetworkArchitecture)网络结构的ControlLogix部件，并且与以太网较好的集成形成“透明工厂”，因而是一种高性价比、较有前途的解决方案。§1-2本课题研究内容和拟解决的关键问题本课题研究分四个阶段进行：首先建立网络通信平台，进行硬件部分的设计，包括控制系统网络ControlLogix的组建和硬件连线等；再对软件部分进行设计，用RSLinx和RSLogix编程软件对ControlLogix系统的通讯模块、运动控制模块进行组态以及运动控制梯形图的编制等；然后进行系统调试。其次，使伺服系统上网，实现伺服系统控制参数的网络共享。第三，研究影响电力拖动系统速度同步的参数及交流伺服系统的相关控制参数，针对不同负载，利用组建的网络平台进行实时控制和交流伺服系统同步控制参数的在