基于嵌入式PLC芯片组的运动控制器的设计

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

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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。

                                        
图3 控制系统框图
　　

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噐，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。