摘 要：本文簡(jiǎn)述臺(tái)達(dá)DVP20PM運(yùn)動(dòng)控制型PLC的硬件及軟件結(jié)構(gòu)，并介紹在應(yīng)用中的方法及特點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：PLC 運(yùn)動(dòng)控制 邏輯控制 數(shù)控系統(tǒng) CAM 插補(bǔ)運(yùn)算
1 引言
隨著自動(dòng)化設(shè)備對(duì)控制的高精度、高響應(yīng)性需求的不斷增加，自動(dòng)化控制技術(shù)不斷提高，精確的高速定位控制得到廣泛應(yīng)用，PLC這一工業(yè)控制產(chǎn)品也從早期的邏輯控制領(lǐng)域不斷擴(kuò)展到運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)了以往PLC無法完成的運(yùn)動(dòng)控制功能。
在運(yùn)動(dòng)控制中大多數(shù)采用我們熟悉的數(shù)控系統(tǒng)或者是計(jì)算機(jī)運(yùn)動(dòng)板卡來完成，雖然作為專門的產(chǎn)品能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)軌跡控制，但同時(shí)要完成一些邏輯動(dòng)作的控制就不如PLC靈活方便。臺(tái)達(dá)DVP20PM系列PLC高速定位、雙軸線性及圓弧插補(bǔ)多功能可編程控制器，結(jié)合了PLC邏輯動(dòng)作控制和數(shù)控系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制的各自優(yōu)點(diǎn)，在功能上滿足雙軸插補(bǔ)的高速定位需求。
2 臺(tái)達(dá)運(yùn)動(dòng)控制型PLC硬件結(jié)構(gòu)
DVP20PM是臺(tái)達(dá)運(yùn)動(dòng)控制型PLC。DVP20PM通過前后兩個(gè)擴(kuò)展口既可作為PLC主機(jī)執(zhí)行也可作為EH2型主機(jī)的擴(kuò)展模塊使用，具有X0-X7、Y0-Y7數(shù)字量輸入輸出各八點(diǎn)，并配置了手搖輪、零點(diǎn)信號(hào)、原點(diǎn)信號(hào)、極限信號(hào)、啟動(dòng)、停止等各種信號(hào)接口滿足應(yīng)用需求。
DVP20PM主機(jī)包含64K超大程序容量?jī)?nèi)存（Flash），可支持100段運(yùn)動(dòng)程序，脈沖輸出最高可達(dá)500KHz，并具備電子原點(diǎn)返回模式，支持PLC順序語言及定位語言(G 碼與M碼），下面先由硬件部分簡(jiǎn)單介紹20PM 組成。
2.1 電源
DVP20PM電源規(guī)格參見表1。
表1 電源規(guī)格
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項(xiàng)目 |
內(nèi)容 |
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電源電壓 |
100~240VAC（-15%~10%）, 50/60Hz ± 5% |
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電源保險(xiǎn)絲容量 |
2A/250VAC |
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消耗電力 |
60 VA |
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DC24V供應(yīng)電流 |
500 mA |
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電源保護(hù) |
DC24V輸出具短路保護(hù) |
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突波電壓耐受量 |
1500VAC（Primary-secondary），1500VAC（Primary-PE），500VAC（Secondary-PE） |
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絕緣阻抗 |
5 MΩ以上（所有輸出/入點(diǎn)對(duì)地之間 500VDC） |
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噪聲免疫力 |
ESD: 8KV Air Discharge，EFT: Power Line: 2KV, Digital I/O: 1KV, Analog & Communication I/O: 250V |
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接地 |
接地配線之線徑不得小于電源端L, N之線徑（多臺(tái)20PM同時(shí)使用時(shí)，請(qǐng)務(wù)必單點(diǎn)接地） |
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操作/儲(chǔ)存環(huán)境 |
操作：0°C~55°C（溫度)，50~95%（濕度），污染等級(jí) 2；儲(chǔ)存：-25°C ~70°C（溫度），5~95%（濕度） |
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耐振動(dòng)/沖擊 |
國際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范 IEC61131-2, IEC 68-2-6（TEST Fc）/IEC61131-2 & IEC 68-2-27（TEST Ea） |
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重量（約g） |
478/688 |
2.2 I/O點(diǎn)規(guī)格
參見圖1，DVP20PM提供的數(shù)字量輸入輸出點(diǎn)規(guī)格與臺(tái)達(dá)通用PLC規(guī)格基本相同，輸入點(diǎn)支持SINK（漏極）和SOURCE（源極）兩種方式，輸出點(diǎn)也有繼電器輸出和晶體管輸出可選。
圖1
需要提到的是其在運(yùn)動(dòng)控制中的特殊輸入輸出點(diǎn)，簡(jiǎn)述如下：
START0、START1：?jiǎn)?dòng)輸入
STOP0、STOP1：停止輸入
LSP0/LSN0、LSP1/LSN1：右極限輸入/左極限輸入
A0+、A0-、A1+、A1-：手搖輪A相脈波輸入+,-（差動(dòng)信號(hào)輸入）
B0+、B0-、B1+、B1-：手搖輪B相脈波輸入+,-（差動(dòng)信號(hào)輸入）
PG0+、PG0-、PG1+、PG1-：零點(diǎn)訊號(hào)輸入+,- (差動(dòng)信號(hào)輸入)
DOG0、DOG1：原點(diǎn)回歸的近點(diǎn)信號(hào)輸入或多段運(yùn)動(dòng)的啟動(dòng)信號(hào)
CLR0+、CLR0-、CLR1+、CLR1-：清除信號(hào)（Servo驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部偏差計(jì)數(shù)器清除信號(hào)）
FP0+、FP0-、FP1+、FP1-：脈沖輸出端口
RP0+、RP0-、RP1+、RP1-：脈沖輸出端口
（注：0表示第一軸，1表示第二軸，如START0表示啟動(dòng)第一軸，START1表示啟動(dòng)第二軸，其他信號(hào)依次類推）
從端子分布可以看到，除了常用的極限和啟動(dòng)停止信號(hào)外，配置了過零脈沖PG和手搖輪功能輸入端，手搖輪是機(jī)床應(yīng)用中常用而必備功能，而利用過零信號(hào)在精確控制場(chǎng)合往往會(huì)用到，當(dāng)然更不用說定位控制中都會(huì)用到的DOG原點(diǎn)信號(hào)。
2.3 配線規(guī)格
一般I/O點(diǎn)配線就不再贅言了，可以關(guān)注一下PLC比較少用到的差分輸入輸出方式，在信號(hào)中有一部分是這樣的，一定要注意否則將不能正確完成，參見圖2、圖3。
圖2差分輸入配線示意圖
圖3差分輸出配線示意圖
3 臺(tái)達(dá)運(yùn)動(dòng)控制型PLC軟件結(jié)構(gòu)
3.1 DVP20PM程序結(jié)構(gòu)
由于20PM主機(jī)結(jié)合了PLC順序邏輯控制及雙軸插補(bǔ)定位控制的功能，因此在程序架構(gòu)上主要分為O100主程序、Ox運(yùn)動(dòng)子程序及Pn子程序等三大類，結(jié)合了基本指令、應(yīng)用指令、運(yùn)動(dòng)指令及G Code指令，使程序設(shè)計(jì)更多元化，結(jié)構(gòu)更清晰；程序采用PMSOFT軟件進(jìn)行編輯，參見圖4。
圖4 程序設(shè)計(jì)界面
（1）主程序。主程序以O(shè)100作為起始標(biāo)記，M102作為結(jié)束標(biāo)記，是PLC順序控制程序，主要為控制主機(jī)動(dòng)作執(zhí)行，在O100主程序區(qū)域中，可以使用基本指令及應(yīng)用指令，或在程序中啟動(dòng)Ox0~Ox99運(yùn)動(dòng)子程序及調(diào)用Pn子程序。主要提供主控制程序的建立，以及運(yùn)動(dòng)子程序的設(shè)定及啟動(dòng)控制。
（3）運(yùn)動(dòng)子程序。Ox0～Ox99運(yùn)動(dòng)子程序?yàn)檫\(yùn)動(dòng)控制程序，主要為控制20PM系列主機(jī)進(jìn)行X-Y軸雙軸運(yùn)動(dòng)之子程序，于Ox0～Ox99運(yùn)動(dòng)子程序區(qū)段中，有支持基本指令、應(yīng)用指令、運(yùn)動(dòng)指令及G碼指令，并在程序中可規(guī)劃呼叫Pn指針子程序，通過PLC提供的內(nèi)部特D特M進(jìn)行子程序的控制。主要提供運(yùn)動(dòng)子程序的建立，以及運(yùn)動(dòng)子程序的運(yùn)動(dòng)控制，在架構(gòu)上可算是20PM的運(yùn)動(dòng)指令及G碼指令規(guī)劃區(qū)域。
（4）子程序。這里所說的子程序是指以Pn開頭的一般用子程序，主要是被O100主程序及Ox運(yùn)動(dòng)子程序調(diào)用的子程序。如在O100主程序調(diào)用Pn指針，則Pn指針子程序支持基本指令及應(yīng)用指令；若在Ox0 ~ Ox99運(yùn)動(dòng)子程序中調(diào)用Pn指針時(shí)，則Pn指針子程序區(qū)段可支持基本指令、應(yīng)用指令、運(yùn)動(dòng)指令及G碼指令。
3.2 PMSOFT軟件介紹
與臺(tái)達(dá)PLC的WPLSoft軟件相似，DVP20PM的編程軟件PMSOFT按照IEC61131標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，具有梯形圖和語句表兩種編程方式，且具有G碼匯入、錯(cuò)誤提示、區(qū)段注釋、裝置注釋、標(biāo)尺、完善的監(jiān)控窗口、運(yùn)動(dòng)指令追蹤等便利工具提供給用戶，特別值得一提的是該軟件具有運(yùn)動(dòng)軌跡仿真功能，當(dāng)您編輯好程序后可利用此功能對(duì)加工軌跡進(jìn)行模擬演示，參見圖5。
為方便切換階梯窗口，只要點(diǎn)選系統(tǒng)信息列中的樹枝狀對(duì)應(yīng)的程序編號(hào)，自動(dòng)切換對(duì)應(yīng)的程序編輯窗口，在PMSoft編輯環(huán)境中同時(shí)只能有一個(gè)階梯圖窗口，這是為了在龐大復(fù)雜程序中找尋程序方便，同時(shí)將主程序、運(yùn)動(dòng)子程序、一般子程序這三種程序模塊化處理，O100主程序只有一個(gè)編輯窗口，Oxn運(yùn)動(dòng)程序有100個(gè)編輯窗口，Pm子程序有256個(gè)編輯窗口，總共有357個(gè)窗口，每個(gè)窗口未編輯都有10 network。程序編輯由網(wǎng)絡(luò)區(qū)段組成，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)區(qū)段是由輸入與輸出編輯區(qū)域所組成，在編輯過程中，自動(dòng)產(chǎn)生邏輯結(jié)構(gòu)正確的階梯圖，使用者無須再做額外補(bǔ)線的動(dòng)作，網(wǎng)絡(luò)區(qū)段編輯并具有錯(cuò)誤提示功能。
圖5 梯形圖編程界面
4 運(yùn)動(dòng)控制編程
4.1 相關(guān)概念
在談到DVP20PM產(chǎn)品的應(yīng)用之前，我們對(duì)以下概念進(jìn)行一個(gè)簡(jiǎn)要介紹。
（1）插補(bǔ)。插補(bǔ)是在組成軌跡的直線段或曲線段的起點(diǎn)和終點(diǎn)之間，按一定的算法進(jìn)行數(shù)據(jù)點(diǎn)的密化工作，以確定一些中間點(diǎn)。從而為軌跡控制的每一步提供逼近目標(biāo)。
逐點(diǎn)比較法是以四個(gè)象限區(qū)域判別為特征，每走一步都要將加工點(diǎn)的瞬時(shí)坐標(biāo)與相應(yīng)給定的圖形上的點(diǎn)相比較，判別一下偏差，然后決定下一步的走向。如果加工點(diǎn)走到圖形外面去了，那么下一步就要向圖形里面走；如果加工點(diǎn)已在圖形里面，則下一步就要向圖形外面走，以縮小偏差，這樣就能得到一個(gè)接近給定圖形的軌跡，其最大偏差不超過一個(gè)脈沖當(dāng)量（一個(gè)進(jìn)給脈沖驅(qū)動(dòng)下工作臺(tái)所走過的距離）。
（2）直線插補(bǔ)。這個(gè)概念一般是用在計(jì)算機(jī)圖形顯示,或者數(shù)控加工的近似走刀等情況下，以數(shù)控加工為例子：
一個(gè)零件的輪廓往往是多種多樣的，有直線，有圓弧，也有可能是任意曲線，樣條線等。數(shù)控機(jī)床的刀具往往是不能以曲線的實(shí)際輪廓去走刀的，而是近似地以若干條很小的直線去走刀，走刀的方向一般是x和y方向。
插補(bǔ)方式有:直線插補(bǔ),圓弧插補(bǔ),拋物線插補(bǔ),樣條線插補(bǔ)等等。
所謂直線插補(bǔ)就是只能用于實(shí)際輪廓是直線的插補(bǔ)方式(如果不是直線,也可以用逼近的方式把曲線用一段段線段去逼近,從而每一段線段就可以用直線插補(bǔ)了).首先假設(shè)在實(shí)際輪廓起始點(diǎn)處沿x方向走一小段(一個(gè)脈沖當(dāng)量),發(fā)現(xiàn)終點(diǎn)在實(shí)際輪廓的下方,則下一條線段沿y方向走一小段,此時(shí)如果線段終點(diǎn)還在實(shí)際輪廓下方,則繼續(xù)沿y方向走一小段,直到在實(shí)際輪廓上方以后,再向x方向走一小段,依次循環(huán)類推.直到到達(dá)輪廓終點(diǎn)為止.這樣,實(shí)際輪廓就由一段段的折線拼接而成,雖然是折線,但是如果我們每一段走刀線段都非常小(在精度允許范圍內(nèi)),那么此段折線和實(shí)際輪廓還是可以近似地看成相同的曲線的--這即是直線插補(bǔ)。
（3）聯(lián)動(dòng)與插補(bǔ)。一個(gè)點(diǎn)的空間位置需要三個(gè)坐標(biāo)，決定空間位置需要六個(gè)坐標(biāo)。
一個(gè)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)可以控制的坐標(biāo)的個(gè)數(shù)稱做該運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的軸數(shù)。而可以同時(shí)控制運(yùn)動(dòng)的坐標(biāo)的個(gè)數(shù)稱做該運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)可聯(lián)動(dòng)的軸數(shù)。聯(lián)動(dòng)各軸的運(yùn)動(dòng)軌跡具有一定的函數(shù)關(guān)系，例如直線，園弧，拋物線，正弦曲線。直接計(jì)算得出運(yùn)動(dòng)軌跡的坐標(biāo)值往往要用到乘除法，高次方，無理函數(shù)，超越函數(shù)，會(huì)占用很多的CPU時(shí)間。為了實(shí)時(shí)快速控制運(yùn)動(dòng)軌跡，往往預(yù)先對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行直線和圓弧擬合，擬合后的運(yùn)動(dòng)軌跡僅由直線段和圓弧段所組成，而計(jì)算運(yùn)動(dòng)軌跡時(shí)，每一點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡跟據(jù)前一個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)的數(shù)據(jù)通過插補(bǔ)運(yùn)算得到，這樣就把計(jì)算簡(jiǎn)化為增量減量移位和加減法。
實(shí)現(xiàn)多軸聯(lián)動(dòng)的直線插補(bǔ)并不困難，圓弧插補(bǔ)一般為兩軸聯(lián)動(dòng)。插補(bǔ)運(yùn)算可以有多種算法，例如 "DDA 算法"，"逐點(diǎn)比較法"，"正負(fù)法"，"最小偏差法（Bresenham 算法）"等，其中最小偏差法具有最小的偏差和較快的運(yùn)行速度。
DVP20PM運(yùn)動(dòng)控制型PLC可實(shí)現(xiàn)2軸聯(lián)動(dòng)，支持直線和圓弧插補(bǔ)，以及相應(yīng)的第三軸處理。
（4）數(shù)控軟件。DVP20DPM支持復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)軌跡控制，那是如何實(shí)現(xiàn)的呢？簡(jiǎn)單的說，將復(fù)雜軌跡通過AUTOCAD等軟件生成圖形，再經(jīng)過CAM軟件轉(zhuǎn)換為G代碼，而PMSOFT可以直接導(dǎo)入文本格式的G代碼，這樣就可以完成運(yùn)動(dòng)程序下載到20PM中執(zhí)行。那么怎樣完成圖形到G代碼的轉(zhuǎn)換呢，這就需要CAM軟件了，以下簡(jiǎn)單介紹一些常用的CAM軟件：
目前CAD/CAM行業(yè)中普遍使用的是 MASTERCAM 、 CIMATRON 、 PRO-E 、 UG 、 CATIA...
? MASTERCAM 是最常用的一種軟件，大多數(shù)數(shù)控操作員都使用 MASTERCAM ，它集畫圖和編程于一身，繪制線架構(gòu)最快，縮放功能最好。
?CIMATRON 是遲一些進(jìn)入中國的軟件，在刀路軌跡上的功能優(yōu)越于 MASTERCAM，現(xiàn)已被廣泛地應(yīng)用。
? Pro/E 是美國 PTC 開發(fā)的軟件，現(xiàn)已成為全世界最普及的三維 CAD/CAM 系統(tǒng)。集多種功能于一體，用于模具設(shè)計(jì)、產(chǎn)品畫圖、廣告設(shè)計(jì)、圖像處理、燈飾造型設(shè)計(jì)，是最好的畫圖軟件，一般來說用 PRO-E 畫圖，用 MASTERCAM 或 CIMATRON 加工。
當(dāng)然還有其他同類軟件也同樣可以使用，通過這些軟件將我們想要加工的軌跡曲線數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為PLC或數(shù)控系統(tǒng)可以識(shí)別執(zhí)行的代碼，從而控制我們的設(shè)備運(yùn)動(dòng)。
4.2 運(yùn)動(dòng)控制特點(diǎn)
（1）DVP20PM特色。多段速執(zhí)行及中斷定位，利用此項(xiàng)功能實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)的平滑性及準(zhǔn)確定位。64K步程序容量,100段運(yùn)動(dòng)程序，滿足不同加工需求；在20PM中最大可設(shè)置100種運(yùn)動(dòng)軌跡，同時(shí)利用64K的程序容量，預(yù)先將需要執(zhí)行的各種不同運(yùn)行曲線的G碼存儲(chǔ)在PLC中，當(dāng)需要加工某種規(guī)格時(shí)，可以采用文本顯示器、觸摸屏等來調(diào)用。支持G碼的直接匯入，當(dāng)采用CAM軟件生成文本格式的G碼后，可利用PMSOFT的匯入菜單直接匯入到PLC運(yùn)動(dòng)程序中。脈沖輸入輸出采用差動(dòng)方式，最高達(dá)500KHz，滿足了絕大多數(shù)應(yīng)用中速度的要求。支持手搖輪應(yīng)用，這是運(yùn)動(dòng)控制中的一個(gè)基本功能，可做一些手動(dòng)的調(diào)整。具備電子原點(diǎn)返回模式，在20PM內(nèi)存中加入了原點(diǎn)記憶功能，只要設(shè)定了電子原點(diǎn)，即使設(shè)備斷電，在下次上電后也可以輕松找到原點(diǎn)位置。可連結(jié)EH2主機(jī)與所有擴(kuò)充模塊，20PM可以靈活配置，即可以接在EH2主機(jī)后作為專門定位擴(kuò)展模塊，也可以做為主機(jī)連接其他的模擬量等特殊功能模塊。支持PLC順序語言及定位語言(G 碼與M碼），實(shí)現(xiàn)了通用PLC與數(shù)控技術(shù)的一個(gè)完美結(jié)合。配置運(yùn)動(dòng)軌跡的離線仿真功能，在實(shí)際加工前利用該項(xiàng)功能可以檢查運(yùn)動(dòng)程序是否存在問題，可及時(shí)解決減少錯(cuò)誤發(fā)生，參見圖6。
圖6離線仿真器
（2）軸控方式。準(zhǔn)確的說，DVP 20PM是實(shí)現(xiàn)兩軸（X、Y軸）聯(lián)動(dòng)插補(bǔ)的產(chǎn)品，支持?jǐn)?shù)控程序中的G碼功能指令，同時(shí)可以處理第三軸的動(dòng)作。
20PM支持的G 代碼功能如下：G0 高速定位；G1 雙軸聯(lián)動(dòng)直線插補(bǔ)；G2 順時(shí)針圓弧插補(bǔ)（設(shè)定圓心位置）；G3 逆時(shí)針圓弧插補(bǔ)（設(shè)定圓心位置）；G2 順時(shí)針圓弧插補(bǔ)（設(shè)定半徑長(zhǎng)度）；G3 逆時(shí)針圓弧插補(bǔ)（設(shè)定半徑長(zhǎng)度）；G4 停頓時(shí)間；G90 設(shè)定絕對(duì)坐標(biāo)系統(tǒng)；G91 設(shè)定相對(duì)坐標(biāo)系統(tǒng)。
對(duì)于第三軸（Z軸）處理方式如下：20PM目前只規(guī)劃2軸，當(dāng)G0中指定了Z軸時(shí)，此G0指令中Z軸將被拆解獨(dú)立出來。
例: G0XP1YP2ZP3 G0ZP3
G0XP1YP2
G0ZP3執(zhí)行時(shí)20PM將自動(dòng)呼叫P255并以D0傳遞P3，使用者可于P255中處理Z軸動(dòng)作。
4.3 一個(gè)案例
液晶切片機(jī)的硬件案例。在該設(shè)備中配置了DVP32EH2+DVP20PM+DVP01PU*4來控制六軸運(yùn)動(dòng)，其中兩軸采用圓弧插補(bǔ)完成倒角運(yùn)動(dòng)，另外四軸為獨(dú)立運(yùn)動(dòng)。實(shí)現(xiàn)了設(shè)備的點(diǎn)動(dòng)、原點(diǎn)回歸、半自動(dòng)及自動(dòng)運(yùn)行，達(dá)到精確位置控制。
5 結(jié)束語
DVP20PM00D產(chǎn)品是一款同時(shí)具有邏輯控制和位置控制的功能強(qiáng)大的PLC，可以靈活、高速、精確的完成平面兩軸運(yùn)動(dòng)控制，可以廣泛應(yīng)用于木工機(jī)械、焊接機(jī)械、切割設(shè)備以及半導(dǎo)體加工設(shè)備等等，特別適合有固定加工軌跡的平面兩軸控制場(chǎng)合。我們有理由相信其出色的控制功能具有良好的發(fā)展前景。
