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内蒙古工业大学专业综合设计Ⅱ说明书第三章二维运动平台电气控制系统设计根据总体方案及机械结构的控制要求，确定硬件电路的总体方案，绘制系统电气控制的结构框图。PLC控制方案3.1确定控制方案二维运动平台电气控制系统有继电器控制、单片机控制和PLC（可编程控制器）控制三种方式。继电器控制方式存在可靠性差、可塑性差、接线复杂、自动化程度低等一系列缺点。单片机控制方式采用单片机作为控制单元，开发周期较长，抗干扰性差，可靠性低，灵活性差。PLC由CPU、存储器、输入/输出接口、内部电源和编程设备几部分构成，结构紧凑，集成度较高，开发方便，工作稳定可靠。因此，本设计方案选用小型PLC作为控制单元。可编程控制器是以计算机技术为核心的通用工业自动控制装置，是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的命令，并通过数字式模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关设备，都应按易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充功能的原则而设计。基于PLC的控制系统由小型可编程控制器、脉冲输出模块、交流伺服系统、键盘（多个开关组合而成）、显示器（LCD指示灯）等几部分组成。系统的加工程序和控制命令通过键盘操作实现，LCD指示灯可以实时显示系统的工作状态。设计内容包括PLC选用，交流伺服电机控制电路，键盘显示电路以及其他辅助电路的设计（例如越界报警电路，掉电保护电路等）。本方案选用的PLC控制系统由1台日本三菱公司的FX系列小型可编程控制器FX2N-32MR，2台FX2N-10PG脉冲输出模块，2套三菱MR-J2S系列及交流伺服系统（各包含1台HC-KFS73(B)交流伺服电机），其核心是可编程控制器，内蒙古工业大学专业综合设计Ⅱ说明书其输入部分主要接受行程开关、急停开关和手动开关等的动作信号，输出部分主要用于控制伺服驱动电机。3.2PLC控制系统硬件介绍3.2.1电气控制系统框图控制系统是由硬件和软件两部分组成，硬件是组成系统的基础，有了硬件软件才能有效地运行。本方案可采用的半闭环模式拥有较高的系统分辨率，可以实现较高的定位精度。控制系统硬件框图如图3-1所示。图3-1半闭环控制系统硬件框图3.2.2选择PLC的类型目前在经济型控制系统中，推荐采用小型可编程控制器。综合考虑接通和断开的频率、带负载能力和输入输出总点数等因素，选用日本三菱公司的FX系列小型可编程控制器FX2N-32MR。一般PLC的硬件结构如下图3-2所示。内蒙古工业大学专业综合设计Ⅱ说明书主机电源微处理器(CPU)运算器控制器输入单元存储器EPROM(系统程序)RAM(用户程序)外设I/O接口I/O扩展接口用户输入设备输出单元用户输出设备I/O扩展接口PLC或上位计算机图形监控系统EPROM写入器打印机盒式磁带机编程器外部设备图3-2PLC硬件结构图3.2.3脉冲输出模块的选择要驱动交流伺服电机并对其进行控制，需要配置一个专门的模块。在选择驱动模块时，要考虑其的最大输出脉冲频率、带负载能力和与交流伺服电机的匹配等。选择完脉冲输出模块后，按照说明书与相应的交流伺服系统连接。3.3PLC及模块简介3.3.1日本三菱公司的FX系列小型可编程控制器表3-1日本三菱公司FX系列小型可编程控制器项目规格概况电源规格AC电源型：AC100v-240vDC电源型：DC24v输入规格DC输入型：DC24V7mA/5mA（无电压接点，或者NPN集电极开路型晶体管输入）AC输入型：AC100V-240V输出规格继电器输出型：2A/1点，8A/4点公共端AC250V，DC30VMax晶体管输出型：0.5A/1点，（Y000，Y001为0.3A/1点）。0.8A/4点公共端DC5V/DC30V可控硅输出型：0.3A/1点，0.8A/4点公共端AC85-242V输入输出扩展可以连接FXUN、FX2N系列用的扩展模块以及FX2N系列用的扩展单元程序内存内置8000步RAM(备用电池)、注释输入、可以在RUN时写入内蒙古工业大学专业综合设计Ⅱ说明书安装存储盒是，最大可以扩展到16000步时钟功能内置实时时钟（有时间设定指令，时间比较指令）指令基本指令27个，步进梯形图指令2个，应用指令132个高速处理有输入输出刷新指令，输入滤波器调整指令，输入中断功能，定时器中断功能，计数器中断功能，脉冲捕捉功能最大输入输出计数256点辅助继电器/定时器辅助继电器：3072点定时器：256点计数器一般用16位增计数器：200点一般用16位增减计数器：35点高速用32位增减计数器：（1相）60KHz/2点，10KHz/4点（2相）30KHz/1点，5KHz/1点数据寄存器一般用8000点，变址用16点，文件用最大可以在程序区域中设定位7000点3.3.2FX2N-32MR概述FX2N-32MR为基本单元，共用32点，使用AC200-240V电源，其中DC输入16点，以继电器形式输出16点，横式端子排，标准输出。其外形尺寸宽×厚×高=150×87×90mm，外形如图3-3所示。图3-3FX2N-32MR-D外形图3.3.3FX2N-10PG脉冲输出模块FX2N-10PG脉冲输出模块是最大1MHz脉冲列并且驱动单轴的步进电机和伺服电机的特殊模块。每个FX2N-10PG单元对一台单轴步进电机或是伺服电机进行位置控制。通过使用FROM/TO指令对所连接FX2N的或是FX2NC系列PLC进行数据内蒙古工业大学专业综合设计Ⅱ说明书读写。最大可以输出1MHz的脉冲列（差分线驱动器输出）。FX2N-10PG脉冲输出模块使用电缆与PLC相连，连接如图3-4所示。图3-4FX2N-10PG脉冲输出模块与PLC相连图3.3.4三菱通用交流伺服MELSERVO-J2-Super系列三菱通用交流伺服MELSERVO-J2-Super系列是在MELSERVO-J2系列的基础上开发的具有更高性能、更多功能的伺服系统。控制模式有位置控制、速度控制和转矩控制三种模式，还有位置/速度控制、速度/转矩控制、转矩/位置控制这些切换方式可供选择。此类伺服放大器应用领域广泛，不但可用于工作机械和一般工业机械等需要高精度位置控制和平稳速度控制的应用场合，也可用于速度控制和张力控制的领域。此外，此类产品还有RS-232C和R-422串行通讯功能。通过安装有伺服设置软件和个人计算机，就能进行参数设定、试运行、状态显示和增益调整等操作。MELSERVO-J2-Super系列的伺服电机编码器采用了分辨率为131072脉冲/转的绝对位置编码器，具有很高的精度控制能力。只要在伺服放大器上另加电池，就能构成绝对位置系统，这样在原点经过设置后，当电源重新投入使用时或发生报警后，不需要再次原点复归也能继续工作。MR-JS2-A系列伺服放大器的符号说明如表3-2所示。内蒙古工业大学专业综合设计Ⅱ说明书表3-2MR-JS2-A系列伺服放大器符号3.4PLC控制系统硬件电路设计3.4.1设计目标完成通用运动两维平台的可编程控制，并实现半闭环检测。整个设计可分为以下几个部分：1）PLC及其扩展模块的供电；2）采用FX2N-32MR和FX2N-10PG完成检测，自动插补等动作；3）利用伺服系统对曲线插补实现半闭环控制；4）设置控制面板和工作指示灯，实现人机交互。内蒙古工业大学专业综合设计Ⅱ说明书3.4.2供电线路本设计共引入三相电，其中两相经AC/DC转换器，可转换为AV24V电源。FX2N-32MR使用AC200-240V电源，FX2N-10PG使用经转化后的DC24V电源。MR-J2S-70A伺服放大器可以使用三相AC380V，50/60Hz和单相AC200-230V，50/60Hz电源，在本电路中，选择使用单相AC200-230V，50Hz电源，有一相接地。交流伺服电机及其编码器有MR-J2S-70A伺服放大器直接驱动。对于整个系统闭合开关QF1，系统应通电，若EL1（绿色）亮，表示系统已确实上电。一般在PLC系统电路中，向扩展设备供应电源，如图3-5所示。图3-5PLC系统电路中向扩展设备供应电源3.4.3可编程逻辑控制器FX2N-32MR的连接设计1）电源由L、N接AC200-230V给电，并设接地。接交流电时，在高电势接入线上加装熔断器，以保护PLC；另外配备手动开关QF3。2）各种输入信号与相应的指示X000-X003接手动常开触点，当SB-5，SB-8，SB-9，SB-10闭合，SB-1—SB-4任意一触点闭合，则相应的X000-X003有输入，使Y000-Y003中相应的端口有输出，于是与之对应的发光二极管亮。与此同时，KA2、KA3和KA4动作，使对应的X轴或Y轴伺服电机正向/反向点动。无论何时SP-1—SP-4接合，对应的X004-X007有信号输入，对应的内蒙古工业大学专业综合设计Ⅱ说明书Y004-Y007有输出，对应的发光二极管亮起，表示某轴某方向已经越位。与此同时，Y016和Y017停止输出。驱动器断电，伺服停止；然后可以用点动功能调整越位。SB-6接合时，PLC处于自动状态，按下伺服开启，驱动器上电后它将按照已设定的数值，配合脉冲输出模块驱动伺服系统完成X-Y两坐标联动。急停：SB-7为紧急事故手动急停开关。当SB-7接合时，X012信号输入，Y013输出，红灯亮，Y014输出是KA1动作，启动MR-J2S-70A上的EMG端口，形成紧急停止。其它说明：SB-10接合是KA4动作时，电磁继电器KM1，吸合常开触点KM1给伺服放大器MR-J2S-70A加电。SB-9接合时KA3动作时，给脉冲输出模块FX2N-10PG的START端口输入信号使脉冲输入开始。3.4.4脉冲输出模块FX2N-10PG的接线一个脉冲输出模块FX2N-10PG只能驱动一台单轴伺服电机，本设计要实现X-Y两坐标联动，故选用两台FX2N-10PG分别驱动两台伺服电机。（1）给电通过VIN+和VIN-接DC24V电源的正负极。（2）输入信号START为开始输入端子，接KA3，用于接收FX2N-32MR发出的脉冲开始输入信号。DOG即近点DOG输入端子，用于返回原点指令的输入端子，外接一个手动触点，即成为一个复位开关。（3）输出信号PF+在本设计中为正向/反向模式，为正向脉冲输出端子；RP+在本设计中为正向/反向模式，为反向脉冲输出端子。PF-和RP-分别为PF+和RP+的公共端子。以上4个端子与MR-J2S-70A上的正向/反向脉冲串相连。从而使X-Y两坐标方向上的伺服电机可只有正反转，使平台能够实现4个象限的运动。（4）FX2N-10PG与MR-J2S伺服系统连接内蒙古工业大学专业综合设计Ⅱ说明书图3-6FX2N-10PG与MR-J2S伺服系统连接图3.4.5MELSERVO-J2-Super伺服系统的连接1）器件选择首先，根据机械部分要求，选择相应的伺服电机。本设计中选用了三菱公司的HC-KFS73(B)伺服电机，其规定功率是750W，额定转矩是2.4N·m，最大转矩是7.2N·m，额定转速是3000r/min，最大转速是4500r/m，转动惯量是1.51J×10-4kg·m2然后，根据所选电机选择与之匹配的伺服放大器。依据表3-3选择MR-J2S-70A。内蒙古工业大学专业综合设计Ⅱ说明书表3-3MELSERVO-J2-Super系列所列匹配关系（2）伺服系统供电通过KM1控制采用AC200-230V电源。交流伺服电机和编码器由MR-J2S-70A直接驱动。（3）连接说明CN1A接头：有SD（屏蔽端），LZ、LZR（编码器Z相脉冲）端子。其中LZ、LZR与FX2N-10PG的PG0+（零点信号输入端子）、PG0-（PG0+的公共端子）相连。PP、PG、NP、NG共同组成正向/反向脉冲串，接收FX2N-10PG所发生的脉冲。另外还有清除端口CR和控制公共端LG。CN1B接头：有内部电源输出VDD与CN1A中的COM相连（数字接口电源），ZSP、TLC和ALM端口能实现