項目五灌裝機電氣控制系統安裝與調試2022年5月鄧景新1、了解灌裝機電氣控制系統工作原理和組成；2、能步進驅動器及電機的連接和高數脈沖編程；

3、能光電編碼器的原理和基本應用；觀察與思考

液體灌裝機這是一套液體灌裝設備，通過傳送帶將灌裝瓶送入自動灌裝機的限位機構，然后打開液門，進行灌液，灌液后關閉液門，送去進行上蓋，這樣就完成了整個灌裝工作的一個工作循環過程。液體灌裝設備的灌裝瓶是如何來進行定位呢？一般來說，可分為機械限位和電氣控制兩種方法，本項目中將介紹運用步進電機和光電編碼器的控制進行位置控制的方法。一、項目要求現要設計一臺小型飲料灌裝機（圖3-45），實現飲料的灌裝作業。當按下啟動按鈕后，傳送帶啟動運行，帶動飲料瓶向前運動，當檢測飲料瓶到達灌裝口時傳送帶停止運行，料倉口打開，飲料在重力作用下自然流出開始灌裝作業，灌裝完成后，料倉口關閉，傳送帶帶動飲料瓶繼續運行。當按下停止按鈕完成此次灌裝后停止。當遇到緊急狀況，按下急停按鈕系統立即停止。系統啟動和停止使用觸摸屏控制，急停按鈕使用物理開關，在觸摸屏上顯示傳送帶當前運行的速度。小型飲料灌裝機二、項目準備1、認識步進電機（1）步進電機工作原理步進電機是一種將電脈沖轉化為角位移的執行機構。當步進驅動器接收到一個脈沖信號，它就驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度（稱為“步距角”），它的旋轉是以固定的角度一步一步運行的。可以通過控制脈沖個數來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉動的速度和加速度，從而達到調速的目的。步進電機可以作為一種控制用的特種電機，利用其沒有累積誤差的特點，廣泛應用于各種開環控制。下面以一臺最簡單的三相反應式步進電動機為例，簡介步進電機的工作原理。圖3-46是一臺三相反應式步進電動機的原理圖。定子鐵心為凸極式，共有三對（六個）磁極，每兩個空間相對的磁極上繞有一相控制繞組。轉子用軟磁性材料中制成，也是凸極結構，只有四個齒，齒寬等于定子的極寬。圖3-46三相反應式步進電動機的原理圖當A相控制繞組通電，其余兩相均不通電，電機內建立以定子A相極為軸線的磁場。由于磁通具有力圖走磁阻最小路徑的特點，使轉子齒1、3的軸線與定子A相極軸線對齊，如圖3-46（a）所示。若A相控制繞組斷電、B相控制繞組通電時，轉子在反應轉矩的作用下，逆時針轉過30°，使轉子齒2、4的軸線與定子B相極軸線對齊，即轉子走了一步，如圖3-46（b）所示。若在斷開B相，使C相控制繞組通電，轉子逆時針方向又轉過30°，使轉子齒1、3的軸線與定子C相極軸線對齊，如圖3-46（c）所示。如此按A-B-C-A的順序輪流通電，轉子就會一步一步地按逆時針方向轉動。其轉速取決于各相控制繞組通電與斷電的頻率，旋轉方向取決于控制繞組輪流通電的順序。若按A-C-B-A的順序通電，則電動機按順時針方向轉動。上述通電方式稱為三相單三拍。“三相”是指三相步進電動機，“單三拍”是指每次只有一相控制繞組通電，控制繞組每改變一次通電狀態稱為一拍，“三拍”是指改變三次通電狀態為一個循環。把每一拍轉子轉過的角度稱為步距角。三相單三拍運行時，步距角為30°。顯然，這個角度太大，不能付諸實用。如果把控制繞組的通電方式改為A→AB→B→BC→C→CA→A，即一相通電接著二相通電間隔地輪流進行，完成一個循環需要經過六次改變通電狀態，稱為三相單、雙六拍通電方式。當A、B兩相繞組同時通電時，轉子齒的位置應同時考慮到兩對定子極的作用，只有A相極和B相極對轉子齒所產生的磁拉力相平衡的中間位置，才是轉子的平衡位置。這樣，單、雙六拍通電方式下轉子平衡位置增加了一倍，步距角為15°。目前打印機、繪圖儀、機械手等設備都以步進電機為動力核心。進一步減少步距角的措施是采用定子磁極帶有小齒，轉子齒數很多的結構，分析表明，這樣結構的步進電動機，其步距角可以做得很小。一般地說，步進電機產品都采用這種方法實現步距角的細分。2、認識步進驅動器步進電機不能直接接到工頻交流或直流電源上工作，而必須使用專用的步進電動機驅動器，它由脈沖發生控制單元、功率驅動單元、保護單元等組成。驅動單元與步進電動機直接耦合，也可理解成步進電動機微機控制器的功率接口。驅動器和步進電動機是一個有機的整體，步進電動機的運行性能是電動機及其驅動器二者配合所反映的綜合效果。圖3-47步進電機控制系統驅動要求：①能夠提供較快的電流上升和下降速度，使電流波形盡量接近矩形。具有供截止期間釋放電流流通的回路，以降低繞組兩端的反電動勢，加快電流衰減。②具有較高韻功率及效率。圖3-48步進驅動器實物步進電機的相數是指電機內部的線圈組數，目前常用的有二相、三相、四相、五相步進電機。電機相數不同，其步距角也不同，一般二相電機的步距角為1.8度、三相為1.5度、五相的為0.72度。在沒有細分驅動器時，用戶主要靠選擇不同相數的步進電機來滿足步距角的要求。如果使用細分驅動器，則相數將變得沒有意義，用戶只需在驅動器上改變細分數，就可以改變步距角。3、認識編碼器旋轉編碼器是用來測量轉速的裝置。它分為單路輸出和雙路輸出兩種。技術參數主要有每轉脈沖數（幾十個到幾千個都有）、輸出方式和供電電壓等。單路輸出是指旋轉編碼器的輸出是一組脈沖，而雙路輸出的旋轉編碼器輸出兩組相位差90度的脈沖，通過這兩組脈沖不僅可以測量轉速，還可以判斷旋轉的方向。編碼器如以信號原理來分，有增量型編碼器，絕對型編碼器。圖3-49編碼器實物編碼器以信號原理來分，有增量型編碼器，絕對型編碼器。增量型編碼器（旋轉型）工作原理：由一個中心有軸的光電碼盤，其上有環形通、暗的刻線，有光電發射和接收器件讀取,獲得四組正弦波信號組合成A、B、C、D，每個正弦波相差90°相位差（相對于一個周波為360°），將C、D信號反向，疊加在A、B兩相上，可增強穩定信號；另每轉輸出一個Z相脈沖以代表零位參考位。由于A、B兩相相差90°，可通過比較A相在前還是B相在前，以判別編碼器的正轉與反轉，通過零位脈沖，可獲得編碼器的零位參考位。分辨率就是編碼器以每旋轉360°提供多少的通或暗刻線稱為分辨率，也稱解析分度、或直接稱多少線，一般在每轉分度100~10000線。如單相聯接，用于單方向計數，單方向測速。A.B兩相聯接，用于正反向計數、判斷正反向和測速。A、B、Z三相聯接，用于帶參考位修正的位置測量。A、A-，B、B-，Z、Z-連接，由于帶有對稱負信號的連接，電流對于電纜貢獻的電磁場為0，衰減最小，抗干擾最佳，可傳輸較遠的距離。絕對編碼器由機械位置決定的每個位置是唯一的，它無需記憶，無需找參考點，而且不用一直計數，什么時候需要知道位置，什么時候就去讀取它的位置。這樣，編碼器的抗干擾特性、數據的可靠性大大提高了。旋轉單圈絕對值編碼器，以轉動中測量光電碼盤各道刻線，以獲取唯一的編碼，當轉動超過360°時，編碼又回到原點，這樣就不符合絕對編碼唯一的原則，這樣的編碼只能用于旋轉范圍360°以內的測量，稱為單圈絕對值編碼器。高速計數器是PLC的編程軟元件，相對于普通計數器，高速計數器用于頻率高于機內掃描頻率的機外脈沖計數，由于計數信號頻率高，計數以中斷方式進行，計數器的當前值等于設定值時，計數器的輸出接點立即工作。FX3UPLC內置有21點高速計數器C235～C255，每一個高速計數器都規定了其功能和占用的輸入點。（1）高速計數器的功能分配如下：?C235～C245共11個高速計數器用作一相一計數輸入的高速計數，即每一計數器占用1點高速計數輸入點，計數方向可以是增序或者減序計數，取決于對應的特殊輔助繼電器M8□□□的狀態。例如C245占用X002作為高速計數輸入點，當對應的特殊輔助繼電器M8245被置位時，作增序計數。C245還占用X003和X007分別作為該計數器的外部復位和置位輸入端。?C246～C250共5個高速計數器用作一相二計數輸入的高速計數，即每一計數器占用2點高速計數輸入，其中1點為增計數輸入，另一點為減計數輸入。例如C250占用X003作為增計數輸入，占用X004作為減計數輸入，另外占用X005作為外部復位輸入端，占用X007作為外部置位輸入端。同樣，計數器的計數方向也可以通過編程對應的特殊輔助繼電器M8□□□狀態指定。?C251～C255共5個高速計數器用作二相二計數輸入的高速計數，即每一計數器占用2點高速計數輸入，其中1點為A相計數輸入，另1點為與A相相位差90o的B相計數輸入。C251～C255的功能和占用的輸入點如表3-18所示。表3-18高速計數器占用的輸入點如前所述，分揀單元所使用的是具有A、B兩相90o相位差的通用型旋轉編碼器，且Z相脈沖信號沒有使用。由表4-14，可選用高速計數器C251。這時編碼器的A、B兩相脈沖輸出應連接到X000和X001點。（2）每一個高速計數器都規定了不同的輸入點，但所有的高速計數器的輸入點都在X000～X007范圍內，并且這些輸入點不能重復使用。例如使用了C251，因為X000、X001被占用，所以規定為占用這兩個輸入點的其他高速計數器，例如C252、C254等都不能使用。如果外部高速計數源（旋轉編碼器輸出）已經連接到PLC的輸入端，那末在程序中就可直接使用相對應的高速計數器進行計數。例如在圖3-50中，設定C255的設置值為100，當C255的當前值等于100時，計數器的輸出接點立即工作。從而控制相應的輸出Y010為ON。由于是中斷方式計數，且當前值等于預置值時，計數器會及時動作，但實際輸出信號卻依賴于掃描周期。圖3-50高速計數器的編程示例5、認識高速脈沖指令PLSY本項目中使用晶體管型輸出的PLC控制步進電機進而對傳送帶的運行速度、距離及方向進行控制，使用FX3U的脈沖輸出指令PLSY對步進電機進行簡單控制。PLSY指令的功能是以指定的頻率產生定量脈沖，指令格式如圖3-51所示：圖3-51PLSY指令格式其中：[S1?]：指定頻率。[S2?]：指定產生脈沖的數目。允許設定的脈沖數的范圍為：16位指令可設1～32767個脈沖，32位指令可設1～2147483647個脈沖。若指定脈沖數為“0”，則產生的脈沖個數不限定，即不斷發脈沖。[D?]：指定脈沖輸出的Y地址號。傳送帶運動距離、速度與方向的控制。運動距離與產生的脈沖數和步進電機驅動器細分數有關，本項目中設置的細分為1000PPR，即每轉1000脈沖。根據傳動特點可計算1000個脈沖傳送帶運行的距離x（mm），即可得到傳送帶運行的脈沖當量x/1000（mm），進而可以根據需要運行的距離計算得到需要發送的脈沖數量。運行速度與指定頻率和脈沖當量有關，若設定的脈沖頻率為y，則根據前面計算的脈沖當量即可得到速度xy/1000(mm/s)，方向的控制根據y1的電平來確定，若高電平正轉，低電平則反轉。三、項目實施系統方案設計（1）系統分析根據任務的描述，我們選用PLC作為控制器來控制飲料灌裝機的整體工作，傳動帶的運行使用精確度比較高的步進電機，料倉口的開關使用兩位兩通液體電磁閥控制，通過位置傳感器進行檢測飲料瓶是否到達灌裝位置，通過時間原則判斷是否灌滿飲料，使用光電編碼器測量傳送帶的運行速度。根據上面的分析我們可以把任務用下面語言描述，并畫出系統框圖，如圖3-52所示。按下觸摸屏上的啟動按鈕，PLC控制步進電機運行并帶動傳送帶上的飲料瓶運行；當到達灌裝位置后，傳感器檢測到飲料瓶并把信號傳給PLC，PLC控制步進電機停止運行，同時控制電磁閥得電，料倉口打開，啟動灌裝作業；延時5s鐘灌裝結束，PLC控制電磁閥失電，料倉口關閉，并控制步進電機運行。運行過程中按下觸摸屏上的停止按鈕，本次灌裝作業完成之后系統停止運行，即步進電機停止運行，料倉口關閉。當運行過程中遇到緊急情況，按下急停按鈕系統立刻停止工作，即步進電機停止運行，料倉口關閉，急停按鈕接入PLC，通過PLC進行控制。因為要控制步進電機，PLC選用了晶體管輸出，如果要控制接觸器需要用中間繼電器進行中間轉換。圖3-52系統框圖（2）硬件配置選型本系統在YL-158GA1電氣控制技術實訓考核裝置上主要使用的硬件包括PLC、標準恒壓源、中間繼電器、電磁閥、光電編碼器、步進電機、步進驅動器位置傳感器等器件。為了配合設備使用我們用接觸器代替電磁閥，具體的選型如表3-19所示。表3-19硬件配置表①步科三相步進電機3S57Q-04079選用的Kinco（步科）三相步進電機3S57Q-04079，它的步距角是在整步方式下為1.8°，半步方式下為0.9°，3S57Q-04079部分技術參數如表3-20所示。表3-203S57Q-04079部分技術參數不同的步進電機的接線有所不同，3S57Q-04079接線圖如圖，3-53所示，三個相繞組的六根引出線，必須按頭尾相連的原則連接成三角形。改變繞組的通電順序就能改變步進電機的轉動方向。圖3-533S57Q-04079的接線②步科驅動器3M458在3M458驅動器的側面連接端子中間有一個紅色的八位DIP功能設定開關，可以用來設定驅動器的工作方式和工作參數，包括細分設置、靜態電流設置和運行電流設置。圖3-54是該DIP開關功能劃分說明，表3-21和表3-22分別為細分設置表和電流設定表。圖3-543M458DIP開關功能劃分說明表3-21細分設置表表3-22輸出電流設置表本裝置中步進電機傳動組件的基本技術數據是：3S57Q-04079步進電機步距角為1.8度，即在無細分的條件下200個脈沖電機轉一圈（通過驅動器設置細分精度最高可以達到10000個脈沖電機轉一圈）。驅動器細分設置為10000步/轉，則直線運動組件的同步輪齒距為5mm，共12個齒，旋轉一周搬運機械手位移60mm。即每步機械手位移0.006mm；電機驅動電流設為5.2A，靜態鎖定方式為靜態半流，控制信號為24V電源時需接2K歐姆限流電阻，接線如圖3-55所示。圖3-553M458的接線③光電編碼器HTB4808該編碼器安裝在絲杠導軌的左側（圖3-56），它具有A、B兩相90o相位差的通用型旋轉編碼器，用于計算小車在絲桿上的位置。該旋轉編碼器的三相脈沖采用互補輸出，輸出脈沖為1000P/R，工作電源DC12～24V。本項目中可以不使用Z相脈沖，A、B兩相輸出端直接連接到FX3UPLC的高速計數器輸入端。圖3-56編碼器安裝2、圖3-56編碼器安裝電氣設計與安裝（1）I/O地址分配表表3-23I/O地址分配表（2）電氣原理圖系統使用了2個傳感器（一個光電編碼器連接到PLC的X0、X1和X2，一個位置開關連接到X6）以及一個接觸器（連接到Y2），步進電機的脈沖和方向控制連接到Y0和Y1，三個按鈕（啟動按鈕和停止按鈕和急停按鈕）。主電路由一個電動機（用接觸器控制電機模擬灌裝電磁閥的關閉，此部分省略原理圖）和步進電機的接線圖構成，PLC控制電路圖如圖3-57所示。圖3-57PLC控制電路安裝步進電機，必須嚴格按照產品說明的要求進行。步進電機是一精密裝置，安裝時注意不要敲打它的軸端，更千萬不要拆卸電機。本項目用絲杠導軌小車模擬傳輸帶，金屬塊模擬飲料瓶，中間電感傳感器模擬灌裝位置，如圖3-58所示。圖3-58模擬灌裝傳輸帶3、軟件組態設計當按下啟動按鈕后，傳送帶啟動運行，帶動飲料瓶向前運動，當檢測飲料瓶到達灌裝口時傳送帶停止運行，料倉口打開，飲料在重力作用下自然流出開始灌裝作業，灌裝完成后，料倉口關閉，傳送帶帶動飲料瓶繼續運行。當按下停止按鈕完成此次灌裝后停止。當遇到緊急狀況，按下急停按鈕系統立即停止。系統啟動和停止使用觸摸屏控制，急停按鈕使用物理開關，在觸摸屏上顯示傳送帶當前運行的速度。程序框圖如圖3-59所示。圖3-59程序流程圖本項目中，程序編寫主要重點是步進電機的控制，包括步進電機的啟動、停止及位置、速度、方向的控制。需要控制步進電機在指定位置停止并進行灌裝。（1）PLC測試程序設計利用編碼器的反饋測量傳送帶運行的位置及速度，需知道編碼器的脈沖當量，脈沖當量測量的方法可通過現場測試，測試方法如圖3-60所示。圖3-60脈沖當量測試方法運行PLC程序，并置于監控方式。在傳送帶初始位置處放入工件，按啟動按鈕啟動運行。工件被傳送到一段較長的距離后，按下停止按鈕停止運行。觀察監控界面上C251的讀數，將此值填寫到表3-24的“高速計數脈沖數”一欄中。然后在傳送帶上測量工件移動的距離，把測量值填寫到表中“工件移動距離”一欄中；把監控界面上觀察到的高速計數脈沖值，填寫到“高速計數脈沖數”一欄中，則脈沖當量μ計算值=工件移動距離/高速計數脈沖數，填寫到相應欄目中。表3-24脈沖當量現場測試數據重新把工件放到進料口中心處，按下啟動按鈕即進行第二次測試。進行三次測試后，求出脈沖當量μ平均值為：μ=（μ1+μ2+μ3）/3。通過編碼器反饋的脈沖數x，可測得傳送帶位置為μx，同時可根據脈沖數增量獲得傳送帶速度。（2）觸摸屏組態設計觸摸屏主要由啟動和停止按鈕、當前運行速度顯示、預設速度輸入框、當前灌裝個數，預灌裝個數組成。組態運行界面如圖3-61所示。圖3-61觸摸屏組態界面觸摸屏變量與PLC變量的關系如表3-25所示。表3-25觸摸屏與PLC連接地址分配表

（3）PLC程序設計要點啟動與停止：按下啟動按鈕SB1或觸摸屏上的啟動按鈕，系統啟動；按下停止按鈕SB2或觸摸屏上的啟停止按鈕，系統在完成本次循環后停止工作。程序中M100為啟動信號，M101為停止信號，如圖3-62所示。當前位置的計算如圖3-63所示，其中D10中存放的是編碼器的脈沖當量，C251為當前編碼器的脈沖數，D100存放當前位置。圖3-63當前位置的計算當前速度的計算如圖3-64所示，利用M8012這個100毫秒脈沖發生器，進行速度計算，最后結果存放于D102中，可供觸摸屏讀取。圖3-64當前速度的計算在本項目中，飲料瓶的定位利用了傳感器信號，該定位方法具有簡單的特點，但是定位精度比較差，讀者可以嘗試利用編碼器返回的脈沖數實現對飲料瓶的精確定位。傳送帶當前速度計算時，使用了100ms脈沖發生器，但是這樣會產生誤差，我們也可以使用定時中斷實現。讀者可自行練習。4、整體調試在完成項目電氣系統安裝和軟件設計后，開始調試，分為通電前調試和通電后調試，通電調試時可只連接輸入設備、再連接輸出設備、再接上實際負載等逐步進行調試。具體要求見表3-26所示。通電時，必須征得指導老師同意，在指導老師的監護下進行通電測試。表3-26系統調試要求四、項目拓展高速計數器由于中斷方式計數，且當前值=預置值時，計數器會及時動作，但實際輸出信號卻依賴于掃描周期。可以用比較的方式，解決高速計數器的各個不同數值時的執行結果。如果希望計數器動作時就立即輸出信號，就要