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基于嵌入式PLC芯片组的运动控制器的设计方案

我爱方案网| 嵌入式,PLC芯片组,运动控制器| 2012-03-21
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中心议题:
    *  运动控制器的功能
    *  硬件设计方案
    *  软件设计方案
    *  应用举例
解决方案:
    *  采用嵌入式plc芯片组
    *  采用c8051f330单片机
    *  主、从控制器之间以spi接口连接
 
1 引言

圆网印花机是织物印染后续处理机电设备,对织物进行上色印花并烘干,其关键部件是印花单元,主要完成多种花色的自动套印功能。传统印花单元采用机械传动控制,在工艺更改或织物发生变化时,机械调整工作量大,操作流程较复杂。设备经过一段时间使用后,由于机械磨损,印花精度和速度都大为降低,并且升降速跑花。20世纪90年代末,国产圆网印花机开始采用分电机独立传动控制模式,虽然印花精度和速度有明显提高,但升降速有跑花现象,与之配套的控制系统构成方式也比较复杂。其中有单片机总线扩展方式、计算机分布式控制、plc控制等。因其控制方式复杂或成本较高,这些控制方式没有得到大量推广。

在深入分析各种控制方案的优缺点后,2005年本文作者利用黄石市科威自控有限公司的嵌入式plc芯片组,设计出了kp3-05m06r型运动控制器。该控制器集plc、can总线、rs485/232等功能于一体,与步进驱动器或伺服驱动器配套使用,具有对步进电机或伺服电机进行点动、定位、脉冲正反插补、脉冲分频等功能。多个运动控制器通过can通信接口互连,其中一台运动控制器作为主站,其余运动控制器均作从站。该系统可接人机界面,实现工艺集中显示、控制和管理,如配备web服务器还可实现控制系统的远程监控和诊断。

2 运动控制器的功能


自2005年至今,kp3-05m06r型运动控制器在纺织、印染行业现场应用了数千台。实践证明该款控制器不但性能优越,而且使用和维护非常简便。其中主要参数如下:

输入:5路光耦+1路最高100khz脉冲信号。

输出:6路继电器+5路晶体管+1路0~10vdc +1路级连脉冲+1路分频脉冲。

通信功能:

can接口,波特率160kbit/s,可实现多个运动控制器互连;

串口0,可完成梯形图下载、监控、接字符屏或人机界面;

串口1,支持三菱fx2n计算机链接方式格式1的部分主从协议,按此协议可实现本运动控

制器与fx2n系列plc、操作终端或其他设备互连,完成信息交换、参数设置、异地操作等功能。

控制功能:

脉冲分频,频率=输入脉冲频率/k,其中4.000≤k<∞,小数点后有效数字为3位;

脉冲点动,自动定位,直线插补;

编程语言:

梯型图语言,与三菱fx2n指令兼容。

3 硬件设计方案

3.1 主控制器及外围电路框图

主控制器及外围电路框图如图1所示。

图1 主控制器及外围电路框图
 

3.2 从控制器及外围电路框图

从控制器及外围电路框图如图2所示。

图2 从控制器及外围电路框图

4 软件设计方案


4.1 主控制器软件设计

主控制器采用嵌入式plc芯片组,完成开关量输入输出、uart0、uart1、can、rs485/232互连和通信功能。基本软件框架由以下七个子程序组成。

init-config:端口初始化程序,完成输入输出端口配置,中间变量初始化,启动spi。
init-start:上电初始化程序,复位所有输出口。
init-set:设置初始化程序,复位所有输出口。
init-run:运行初始化程序。
step:指令周期扫描程序
tms:2.5ms周期扫描程序,采样输入口状态、刷新输出口状态、spi通信报文的发送和接收。
scan:演算周期扫描程序,输入口状态滤波,spi通信报文的解读。

4.2 从控制器软件设计

从控制器采用c8051f330单片机,指令运算速度高达25mips。从控制器对输入脉冲采样,接受主控制器发送的命令并进行相应的处理,输入脉冲经过分频后,输出相应频率的脉冲,并将有关信息发送给主站控制器。从控制器的作用相当于一个执行机构,它接受主控制器的命令执行不同的动作,并把执行的状态反馈给主控制器,主要由以下5个功能程序组成。

start:上电复位初始化程序,输入输出端口配置,复位中间变量单元,启动spi、int0中断。
int-int0:外部中断0服务程序,对输入脉冲进行分频处理及脉冲插补。
int-spi:spi中断服务程序,spi通信报文的接收和发送。
int-t3:定时器t3中断服务程序,监控spi通信状态和主程序执行状态。
main:主程序,解读spi通信报文,完成脉冲点动、定位。

4.3主从控制器的组合设计


主、从控制器之间以spi接口连接,spi通讯速率为500kbit/s,因此有利于提高系统的快速性和实时性。

主站采用定时发送/接收模式,嵌入程序初始化时,启动spi发送,定时时间到,先接收一字节数据,然后发送下一字节数据。当所有报文发送完成后,暂停发送等待主程序处理报文,报文处理完后才启动下一轮发送。

从站采用中断接收/发送模式,进入中断服务程序后,先接收一字节数据,然后发送一字节数据,当所有报文接收完成后,对应的有相同字节的报文发送完成。此时从站停止接收报文,等待主程序处理接收到的报文,报文处理完后,又启动下一轮报文接收过程。

报文结构:stx+报文内容+etx+crc。

stx:报文起始代码,固定为02h。

报文内容:起始2个字节为命令字对应的ascii码,以区别不同的报文,后面为报文实际 数据,全部采用ascii码。

etx:报文结束代码,固定为03h。

crc:校验和,报文内容所有字节相加后再加etx的数值,然后转换成ascii码。
 

5 应用举例


5.1控制设备名称

控制设备名称:4套色圆网印花机控制系统。

5.2技术要求

同步传动包括两部分:主传动同步主要是进布电机与超喂电机、印花电机、烘房电机、立柱烘焙电机(含立柱烘焙电机与落布电机等单元之间的同步)之间的同步传动;分同步传动则是实现印花电机与网头分电机之间的同步传动,要求同步精度高。

电控系统由主轴运动控制噐(即主站)、从轴控制噐(4合)、人机界面等组成, 方便用户编辑工艺程序(程序可保密)。

5.3控制系统框图

控制系统框图如图3所示。


5.4控制方案

5.4.1同步控制

kp3-05m06r型运动控制器接收到由编码器检测的主电机转速数据并进行处理后,输出频率可调的、用于控制网头分电机的脉冲,实现导带与网头同步。

主传动是由嵌入式plc与同步控制器共同完成同步调节功能的。

5.4.2自动对花控制

自动对花不需要安装高故障率的接近开关,只要编写梯形图程序并用触摸屏输入的步数传送到d5904和d5905寄存器,且将自动回零控制字 d5907置1即可实现自动对花。

5.4.3插步控制

因为印花精度要求高,生产现场必须经常修改插步数据,既耗時又达不到要求。使用该款运动控器后,只需对d5902和d5903寄存器赋值就能实现插步控制。

因篇幅所限,控制方案不能祥细介绍。

6 结论

该款运动控制器虽然是针对圆网印花机控制系统定型设计,但由于用户可采用标准梯形图进行编程实现不同的功能,所以也可运用于其它运动控制系统。运用嵌入式plc芯片组进行组合设计是一种全新的产品设计思路,设计者只专注于接口部件的软硬件设计,使产品设计流程缩短2/3的时间,且可靠性高。嵌入式 plc芯片组给广大的产品设计人员带来一种快捷、高效、可靠的设计方案。

实践证明,采用基于嵌入式plc芯片组设计的运动控制器,印花精度高、传动速度快、生产效率高、产品质量优,社会效益和经济效益巨大,深受客户好评。该设计方案具有推广价值。

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