POLITECHNIKA ŁÓDZKA

Wydział Elektrotechniki, Elektroniki, Informatyki i Automatyki

Instytut Mechatroniki i Systemów Informatycznych

Laboratorium Podstaw Mechatroniki

Zastosowanie sterownika PLC do sterowania silnikiem

krokowym

Łódź, marzec 2015

1

Spis treści 1. Oprogramowanie WinProLadder.....................................................................4

2. Walizka treningowa Fbs-TBOX........................................................................6

2.1 Budowa walizki FBs-TBOX..............................................................................................6

3. Język drabinkowy LAD....................................................................................9

4. Sterowanie silników krokowych.....................................................................12

4.1 Sposoby sterowania silnikami krokowymi.....................................................................12

4.2 Układ sterowania...........................................................................................................14

4.3 Sterowanie silnikiem krokowym przy pomocy sterownika PLC Fatek Fbs-24MCT......14

4.4 Metody sterowania pracą silnika krokowego w sterowniku Fatek FBs-24MCT............17

4.4.1 Metoda PWM............................................................................................................................................17

4.4.2 Zastosowanie szybkich wyjść – metoda HSPSO.....................................................................................19

4.5 Pomiar prędkości z wykorzystaniem enkodera.............................................................26

5. Przebieg ćwiczenia........................................................................................30

6. Tematy na kolokwium.....................................................................................31

2

3

1. Oprogramowanie WinProLadderGłównym oprogramowaniem dla sterowników firmy Fatek jest program

o nazwie WinProLadder. Za jego pomocą można skonfigurować wszystkie parametry

sterownika, odczytać aktualne stany rejestrów, napisać program w języku drabinkowym

oraz w języku mnemonicznym, a następnie wgrać go do sterownika. Program ten daje

również możliwość konfiguracji podłączonych do sterownika urządzeń, takich jak:

silniki krokowe, enkodery. Za pomocą WinProLaddera można także tworzyć tabele

rejestrów w celu odczytu ich aktualnego stanu. W końcowej fazie programowania

przydatnym narzędziem będzie również wbudowany symulator.

Rys. 1: Okno główne programu WinProLadder

Rys. 1 przedstawia robocze programu WinProLadder. Składa się z następujących

elementów:

Menu Główne – za pomocą tego menu można wykonać większość operacji

w programie oraz sterowniku.

Narzędzia zapisu – pozwala na szybki zapis programu oraz otworzenie programu,

a także na stworzenie nowego projektu.

4

Menu operacji – pozwala na ustawienie parametrów silników, szybkie otworzenie

konfiguracji wejść/wyjść.

Narzędzia edycji programu – pozwalają na szybkie pisanie i edycje programu.

Drzewo projektu – w tej sekcji znajdują się wszystkie potrzebne informacje

i możliwości konfiguracji, dotyczące danego projektu.

Okno programu – w tej sekcji okna programuje się sterownik i pisze program za

pomocą narzędzi z menu edycja programu.

5

2. Walizka treningowa Fbs-TBOX

2.1 Budowa walizki FBs-TBOX

Walizka Fatek FBs-TBOX to aluminiowa walizka, w której umieszczono

stalową płytę nośną. Na niej zamocowano szynę DIN 35 mm, do której można montować

sterownik PLC oraz dodatkowe moduły rozszerzeń. Oczywiście reszta zamontowanych

na płycie układów mogłaby pracować osobno w oddali od sterownika PLC i tak właśnie

przeważnie jest w aplikacjach przemysłowych. Jednak, dzięki umieszczeniu wszystkich

układów obok siebie skrzynka tworzy zwartą konstrukcję, która jest łatwo przenośna

i daje możliwości poznania oraz programowania sterowników dla osób początkujących.

Walizka treningowa zawiera takie elementy jak:

sterownik PLC Fatek FBs-24MCT,

moduł komunikacyjny FBs-CM25E,

moduł AC/CA FBs-4A2D,

moduł temperaturowy FBs-RTD6,

moduł klawiatury 4x4 HKEY,

wyświetlacz 7 segmentowy 4 cyfrowy 7SGDL,

zadajnik sygnału cyfrowego DSW,

zestaw diod wyjściowych LED DISPLAY,

zestaw 10 przekaźników podzielonych na 3 sekcje,

złącza bananowe wejść X0~X13,

przełączniki X0~X13 wejść,

złącze Ethernet,

silnik krokowy,

enkoder,

„gniazda bananowe” RY0~RY9 przekaźników,

„gniazda bananowe” Y0~Y9 wyjść tranzystorowych.

6

Tabela 1 Specyfikacja walizki FBs TBOX

OpisObudowa: Walizka aluminiowa o wymiarach 43 x 30,5 x 15,5 cm Zasilanie: 100-240VAC/2A bezpiecznik/włącznik zasilaniaSterownik: FBs-24MCT + FBs-CM25E + puste moduły w seryjnej wersjiProgramowanie WinProLadder

Komunikacja:

Wbudowana Port 0 USB

Wpinana opcjonalnie tablica

Port 1RS232 lub RS485, założone na jednostce głównejFBs-24MCTPort 2

FBs-CM25EPort 3 RS232, standardowe złącze DB-9FPort 4 RS485, 3-pinowe złącze europejskie(Port 4) Ethernet 10BaseT.

Wejścia: Końcówki „bananowe” i przyciski do ustawiania stanu wejśćWyjścia: Końcówki „bananowe”, 10 punktów. Wyjścia tranzystorowe.

Moduły rozszerzeń:Szyna DIN, zainstalowane 2 moduły temperaturowy i przetwornikowy, 1 miejsce wolne.

Układyzewn.

Wyświetlacz LED 4 cyfrowy, 7 segmentowy, połączony z dekoderem kodu BCDZadajnik 4 cyfrowyKlawiaturaNumeryczna

Matryca 4x4

EnkoderZasilanie 24V DC, 200 imp./Obr., wyjścia typu otwarty kolektor, A/B fazowy

Silnik krokowy Sterowanie krok/kierunek, zasilacz wbudowany w płytę.Diody LED 10 sztuk, 10 mm LED, podłączone do wyjść sterownika

Liczba stanowisk możliwych do podłączenia:

254 (1 stacja master dla instruktora, i 253 stacje slave dla uczniów)

Walizka może być zasilana napięciem przemiennym o wartości od 100 do

240 V AC prądu przemiennego. Do załączania zasilania służy czerwony przycisk

główny. Na przewodzie fazowym L zastosowano bezpiecznik główny o wartości 2A

i 250 V. Zasilanie doprowadzone do skrzynki treningowej jest to zasilanie tylko

i wyłącznie sterownika PLC FBs-24 MCT, natomiast reszta układów zasilana jest już

napięciem o niższych wartościach odpowiednio +24V DC i +12V DC. Możliwe jest to

dzięki wbudowanemu w sterownik zasilaczowi. Układy takie jak: enkoder, przekaźniki,

klawiatura matrycowa, zadajnik cyfrowy wymagają zasilania napięciem o stałej

wartości 24V i są podłączone bezpośrednio pod zaciski zasilacza wbudowanego

w sterownik PLC. Na płycie trenażera umieszczono również stabilizator napięcia typu

LM7812, który ma za zadanie dostarczać napięcie o wartości 12V DC, przy

odpowiednio wyższym napięciu wejściowym. Dla tego stabilizatora, napięcie

wejściowe powinno wynosić od 14 do 27 V DC. Stabilizator zasilany jest napięciem

24V DC, z którego następuje konwersja na 12 V DC. Układ stabilizujący zastosowano

ponieważ silnik krokowy, wyświetlacz segmentowy, a także diody od Y0~Y9 wymagają

zasilania 12V DC.

7

Rys. 2: Widok frontu walizki treningowej FBs-TBOX

8

3. Język drabinkowy LAD

Język Ladder Diagram jest najbardziej przejrzystym językiem programowania.

Opiera się na schemacie drabinkowym. Każda logiczna część programu umieszczona

jest jedna pod drugą w tak zwanych szczeblach programowych. Jest on bardzo podobny

do typowego schematu elektrycznego (Rys. 3).

a) b)

c) d)

Rys. 3: Obwody elektryczne (a), (c) i odpowiadające im schematy drabinkowe (b), (d)

W schemacie drabinkowym można przedstawić symboliczne źródło zasilania. Przepływ

sygnału odbywa się od szyny umieszczonej z lewej strony schematu do funkcji lub

elementów wykonawczych znajdujących się po prawej stronie danego szczebla.

Szczeble drabiny są odczytywane kolejno jeden po drugim od góry do dołu. Gdy

sterownik odczyta ostatni szczebel w danym cyklu, proces śledzenia zaczyna

rozpoczyna się od początku. W każdym cyklu pracy programu poszczególne szczeble są

odczytywane jednorazowo, w ramach pętli programu. Budowę przykładowego

schematu drabinkowego przedstawiono na Rys. 4.

Pojedynczy szczebel drabinki składa się z:

• elementu wejściowego (styk logiczny) – element, którego zadanie polega na

przekazaniu sygnału z lewej strony styku na prawą. Wartość stanu styku zależy

od wartości logicznej we wskazanym przez programującego adresie styku.

Adres może dotyczyć obszarów pamięci wejścia, wyjścia i pamięci pomocniczej

9

(markera). Styk przekazuje na prawą stronę stan, który jest iloczynem

logicznym stanu linii po lewej stronie styku i wartości logicznej znajdującej się

w adresie styku;

• złożonego bloku funkcji - w jego skład mogą wchodzić różne operacje w tym

operacje matematyczne i logiczne, takie jak np. liczniki, bloki opóźnienia

czasowego (tzw. timery), suma, różnica, moduł liczby oraz specjalne bloki do

obsługi wyświetlaczy, komunikacji, regulacji PID, sterowania silników, itp.;

• elementu wykonawczego (cewka) – element, którego zadaniem jest nadanie

wartości logicznej zmiennym o konkretnym adresie. Jeżeli np. sygnał, który

dopływa do cewki ma wartość logiczną „1”, zmienna cewki przyjmie wartość

logiczną „1”. Adres cewki może dotyczyć wejścia, wyjścia oraz markera.

Rys. 4: Budowa przykładowego schematu drabinkowego

Symbole styków i cewek zamieszczonych w kodzie programu przedstawionym na Rys.

4 opisano w Tabeli 2 i Tabeli 3.

Tabela 2 Dostępne w programie styki

Ikona: Opis:

Styk normalnie otwarty, umożliwia przekazanie sygnału z szyny zasilającej (lewej strony styku), na prawą stronę jeżeli, pojawiła się logiczna „1” na styku. Przykłady użycia to: X0, M0, C0, T0.

Styk normalnie zamknięty, umożliwia przekazanie sygnału z lewej strony styku na prawą, jeżeli nastąpiło pojawienie się sygnału o wartości logicznej „0” na styku o danym adresie.

Styk wyzwolony zmianą stanu z niskiego na wysoki czyli z logicznego „0” na logiczną „1”.

Styk wyzwolony zmianą stanu z wysokiego na niski czyli z logicznej „1” na logiczne „0”.

10

Tabela 3 Dostępne w programie cewki

Ikona: Opis:

Cewka wyjściowa nie zanegowana. Działanie jej polega na tym, iż nadaje ona zmiennej o podanym adresie np.: Y1, wartość logicznej „1”, podczas, gdy co cewki dopływa sygnał o wartości logicznej „1”. Cewka utrzymuje tak długo stan „1”, aż sygnał dopływa do cewki.

Cewka wyjściowa zanegowana. Działanie jej polega na tym, iż nadaje ona zmiennej o podanym adresie np.: Y1, wartość logicznej „1”, podczas, gdy co cewki dopływa sygnał o wartości logicznej „0”. Cewka utrzymuje tak długo stan „1”, aż sygnał nie dopływa do cewki.Cewka ustawienia. Działanie jej polega na nadaniu zmiennej o adresie np.: Y1 wartości logicznej „1”, z podtrzymaniem w momencie, gdy chociaż przez minimum jeden cykl wykonywania programu, po lewej stronie cewki wystąpi logiczna „1”. Stan może zmienić np.: cewka zerowania.

Cewka zerowania. Działanie jej polega na nadaniu zmiennej o adresie np.: Y1 wartości logicznej „0” z podtrzymaniem w momencie, gdy chociaż przez minimum jeden cykl wykonywania programu, po lewej stronie cewki wystąpi logiczna „1”. Służy np.: do nadawania logicznego „0”, zmiennej ustawionej przez cewkę ustawienia.

Uwagi:

• symbole styków, cewek oraz bloków funkcyjnych mogą różnić się w zależności

od producenta sterownika;

• funkcjonalności bloków funkcyjnych mogą różnić się w zależności od

producenta sterownika;

• oznaczenia styków, cewek i markerów przedstawione powyżej dotyczą

sterownika Fatek. Oznaczenia stosowane przez innych producentów różnią się

od przedstawionych powyżej.

11

4. Sterowanie silników krokowych

4.1 Sposoby sterowania silnikami krokowymiWyróżnić można dwa typy silników krokowych: unipolarne i bipolarne. Schematy

wyprowadzeń cewek silników obydwu typów przedstawiono na Rys. 5.

a) b)

Rys. 5: Schemat wyprowadzeń cewek silnika krokowego: a) unipolarnego, b) bipolarnego

Dla każdego typu silników krokowych można zastosować co najmniej cztery

sposoby sterowania:

• falowe, jednofazowe, T/4 – w danym kroku zasilana jest tylko jedna faza.

• pełnokrokowe, dwufazowe, T/2 – w danym kroku zasilane są dwie fazy.

Uzyskuje się dzięki temu dwukrotnie większy moment obrotowy silnika.

• półkrokowe, 3T/8 – zasilane są na przemian jedna i dwie fazy, dzięki czemu

uzyskuje się dwukrotnie mniejszy krok oraz redukcję drgań mechanicznych.

• mikrokrokowe: 1/3... 1/32 kroku – przez fazy płynie prąd o zmiennym natężeniu

i polaryzacji co umożliwia „kształtowanie” przebiegu prądu. Dzięki temu można

uzyskać pośrednie położenia między pełnymi krokami. Ponadto ruch wirnika

przy takim sterowaniu jest płynny, nawet przy małych częstotliwościach i cichy.

Przebiegi napięć fazowych dla poszczególnych sposobów sterowania silnikiem

krokowym przedstawiono na Rys. 6 – dla silnika unipolarnego i Rys. 7 – dla silnika

bipolarnego.

12

a) b) c)

Rys. 6: Sposoby sterowania silnikiem unipolarnym: a) sterowanie falowe T/4, b) sterowanie pełnokrokowe T/2, c)sterowanie półkrokowe 3T/8

a) b) c)

Rys. 7: Sposoby sterowania silnikiem bipolarnym: a) sterowanie falowe T/4, b) sterowanie pełnokrokowe T/2, c)sterowanie półkrokowe 3T/8

W przypadku sterowania falowego i pełnokrokowego, pełen obrót wirnika składa się z

czterech kroków, natomiast przy sterowaniu półkrokowym – z ośmiu.

Prędkość silnika krokowego zależy od częstotliwości impulsu wejściowego i można

obliczyć ze wzoru:

n=f ii⋅60 (1)

gdzie:

fi – częstotliwość impulsowa [imp./s],

i – ilość impulsów potrzebna do wykonania jednego obrotu przez silnik [imp./obr.],

n – prędkość obrotowa silnika [obr./min.]

i=360α s

(2)

gdzie: αs – krok znamionowy silnika [°].

13

4.2 Układ sterowaniaUkład sterowania silnikiem krokowym składa się z następujących elementów:

• źródła impulsów – może być nim generator impulsów, mikrokontroler,

przetwornik sygnału ciągłego na impulsowy, sterownik PLC;

• sterownika składającego się z:

◦ układu logicznego – zawiera 3 obwody: formowania impulsów

prostokątnych lub sinusoidalnych, rozdzielania impulsów na poszczególne

fazy, sterowania kierunkiem obrotów;

◦ wyjścia mocy – składa się ze wzmacniacza mocy dla każdej z faz silnika

• silnika krokowego.

Schemat blokowy układu sterowania silnikiem krokowym przedstawiono na Rys. 8.

Rys. 8: Schemat blokowy układu sterowania silnikiem krokowym

4.3 Sterowanie silnikiem krokowym przy pomocy sterownika PLC Fatek Fbs-24MCT

Zgodnie ze schematem blokowym przedstawionym na Rys. 8 w układzie sterowania

silnikiem krokowym można wyróżnić trzy główne elementy: źródło impulsów, układ

logiczny i wzmacniacz. Jako źródło impulsów można wykorzystać sterownik PLC

posiadający wyjścia impulsowe, a funkcję układu logicznego i wzmacniacza realizuje

specjalny sterownik silników krokowych. Przykład takiego sterowników przedstawiono

na Rys. 9.

14

a) b)

Rys. 9: Sterownik silników krokowych SSK-B05 - 1,5A: a) widok urządzenia, b) opis zacisków

Na Rys. 10 przedstawiono schemat blokowy układu sterowania silnikiem krokowym z

zastosowaniem PLC.

Rys. 10: Schemat blokowy układu sterowania silnikiem krokowym z wykorzystaniem PLC

Walizka szkoleniowa Fatek Fbs-TBOX posiada wbudowany silnik krokowy wraz z

układem sterowania. Rozmieszczenie tych elementów na płycie głównej walizki

zaprezentowano na Rys. 11.

Rys. 11: Rozmieszczenie silnika krokowego i układu sterowania na płycie głównej walizki Fatek Fbs-TBOX

Układ sterowania

Silnik krokowy

Enkoder

15

Parametry silnika krokowego zastosowanego w walizce Fatek Fbs-TBOX

przedstawiono w tabeli 4, natomiast parametry enkodera, w tabeli 5.

Tabela 4 Parametry silnika krokowego

Rodzaj silnika unipolarny

Model 4H4018S0106

Liczba pasm 6

Prąd/fazę 0,2A

Napięcie 12V

Krok znamionowy 1,8°

Liczba impulsów na obrót 200 imp./obr.

Tabela 5 Parametry enkodera

Model HTR-M2-200-2-HV

Prędkość maksymalna 6000 obr./min.

Stała enkodera 200 imp./obr.

16

4.4 Metody sterowania pracą silnika krokowego w sterowniku Fatek FBs-24MCT

4.4.1 Metoda PWMPWM (Pulse Width Modulation, Modulacja Szerokością Impulsu) to popularna metoda

wykorzystywana w wielu zastosowaniach. Używana jest m.in. w zasilaczach

impulsowych, wzmacniaczach, w telekomunikacji do modulacji sygnałów, a także do

sterowania silnikami elektrycznymi.

Metoda PWM polega na regulacji sygnału prądowego lub napięciowego przez zmianę

szerokości impulsu o stałej amplitudzie.

Rys. 12: Przykładowy przebieg sygnału impulsowego

Najważniejszy parametr metody PWM to współczynnik wypełnienia określony

wzorem:

k w=T OT P

(3)

gdzie: TO – czas trwania impulsu, TP – okres przebiegu impulsowego.

Wygenerowany przebieg przedstawiony na Rys. 12 może zostać wykorzystany jako

źródło impulsów dla sterownika silnika krokowego. W tym przypadku sygnał PWM nie

będzie zatem wykorzystywany, jak np. w sterowaniu prędkością silnika prądu stałego,

jako źródło regulacji średniej wartości napięcia, a jedynie jako sygnał o zmiennej

częstotliwości. O prędkości wirowania wirnika decydować będzie zatem okres TP, a nie

współczynnik wypełnienia k.

W języku drabinkowym do generacji impulsów metodą PWM stosuje się specjalne

bloki funkcyjne. Dla sterownika Fatek FBs blok ten przedstawiono na Rys. 13.

17

Rys. 13: Symbol funkcji PWM

Parametry bloku PWM przedstawionego na Rys. 13:

• EN – wejście sterujące;

• ERR – wyjście sygnalizujące stan błędu;

• To – czas trwania impulsu w ms; może przyjąć wartości: 0-32767, wartość ta

może być zapisana liczbą lub jako adres rejestru pamięci, w której jest zapisana;

• Tp – okres przebiegu impulsowego w ms; może przyjąć wartości: 1-32767

wartość ta może być zapisana liczbą lub jako adres rejestru pamięci, w której

jest zapisana;

• OT – adres wyjścia impulsowego.

Znacznik błędu ERR zostanie załączony w przypadku, gdy To>Tp.

Przy pomocy metody PWM można sterować tylko jednym silnikiem krokowym

(metoda ta może zostać zastosowana tylko raz w kodzie programu).

Zastosowanie metody PWM wymaga odpowiedniego podłączenia zacisków CK i DIR

silnika krokowego do odpowiednich wyjść sterownika oraz prawidłowego

skonfigurowania funkcji PWM. Przykładowy sposób połączenia silnika z wyjściami

PLC przedstawiono na Rys. 14.

Rys. 14: Przykład połączenia silnika krokowego ze sterownikiem PLC dla metody PWM

Przykładowy kod programu sterującego pracą silnika krokowego z wykorzystaniem

metody PWM:

18

Program ten umożliwia uruchamianie i zatrzymywanie silnika krokowego oraz zmianę

jego kierunku wirowania. Regulacja prędkości obrotowej możliwa jest poprzez zmianę

czasu Tp w ustawieniach funkcji PWM, a także, w przypadku zastosowania rejestrów

pamięci, poprzez zmianę ich wartości.

4.4.2 Zastosowanie szybkich wyjść – metoda HSPSOSzybkie wyjścia pozwalają na bardziej precyzyjne i zaawansowane sterowanie niż

metoda PWM. Oprócz regulacji prędkości wirowania wirnika umożliwia bowiem

programowanie cykli pracy silnika i pozycjonowanie. Ustalanie pozycji wału wirnika (a

co za tym idzie także pozycji napędzanych maszyn) możliwe jest przez odliczanie

odpowiednich ilości impulsów, powodujących obrót wału silnika o odpowiadającą mu

krotność kąta skoku znamionowego silnika. Przykładowo przy skoku znamionowym

silnika 1,8° w celu uzyskania 1 pełnego obrotu wału konieczne jest wygenerowanie 200

impulsów sterujących. Pozycję wału (napędzanej maszyny) można również ustalać w

oparciu o inne jednostki niż liczba impulsów: jednostki długości i kąta.

W języku drabinkowym dla sterowników Fatek FBs metoda sterowania przy

pomocy szybkich wyjść wymaga zastosowana następujących funkcji: MPARA i

HSPSO. Symbole obu funkcji przedstawiono na Rys. 15.

a) b)

Rys. 15: Symbol funkcji MPARA (a) i HSPSO (b)

Funkcja MPARA służy do ustawiania parametrów dla programu pozycjonującego

takich jak: jednostki pozycjonowania, liczba impulsów na obrót silnika, maksymalna

prędkość silnika itp. Parametry funkcji MPARA:

Ps – określa pary wyjść sterujących (impulsowe CK/PLS i kierunkowe DIR): 0 –

Y0, Y1; 1 – Y2, Y3; 2 – Y4, Y5; 3 – Y6, Y7;

SR – adres początkowy rejestru dla tablicy parametrów;

Jeżeli parametry domyśle w tablicy parametrów nie wymagają zmian, funkcja

MPARA w kodzie programu może zostać pominięta.

19

Z kolei funkcja HSPSO to funkcja związana z programem sterującym i

sterowaniem pracą silnika krokowego. Określa ona rejestry początkowe programu

sterującego, ustawienia wyjścia impulsowego oraz pozwala na uruchamianie pracy

silnika, wstrzymywanie o raz zatrzymywanie. Parametry funkcji HSPSO:

Ps – określa pary wyjść: 0 – Y0, Y1; 1 – Y2, Y3; 2 – Y4, Y5; 3 – Y6, Y7; powinny być

te same co w ustawieniach funkcji MPARA.

SR – adres początkowy tabeli programu.

WR – adres początkowy rejestrów roboczych funkcji; jest 7 rejestrów, które nie mogą

być użyte w innej części programu.

EN – wejście sterujące – EN=1 to funkcja wykonuje kolejne kroki programu; EN=0 to

zakończenie wysyłania impulsów.

PAU – wstrzymywanie – PAU=1 i EN=1 wstrzymuje wysyłanie impulsów; PAU=0 i

EN=1 kontynuacja niezakończonej operacji wysyłania impulsów.

ABT – przerwij – ABT=1 natychmiastowe zatrzymanie wysyłania impulsów; po

wznowieniu (ABT=0), jeżeli EN=1, program pozycjonowania będzie realizowany od

pierwszego kroku.

ACT – wyjście sygnalizujące wysyłanie impulsów (gdy EN=1).

ERR – wyjście sygnalizujące błąd.

DN – wyjście sygnalizujące wykonanie wszystkich kroków pozycjonowania.

Oprócz zastosowania funkcji MPARA i HSPSO, sterowanie silnikiem krokowym z

wykorzystaniem szybkich wyjść wymaga stworzenia programu sterującego w postaci

listy kolejnych kroków, jakie ma wykonać silnik. Sposób tworzenia takiego programu

sterującego zostanie omówiony na przykładzie.

Podobnie jak w metodzie PWM, zastosowanie szybkich wyjść wymaga odpowiedniego

połączenia silnika ze sterownikiem PLC. Schemat przykładowego połączenia obydwu

urządzeń przedstawiono na Rys. 16. Jest on taki sam jak schemat łączenia silnika z PLC

dla metody PWM (Rys. 14)

20

Rys. 16: Przykład połączenia silnika krokowego ze sterownikiem PLC dla metody wykorzystującej szybkie wyjścia

Zastosowanie szybkich wyjść wymaga odpowiedniej konfiguracji sterownika. Należy

ustalić, które pary wyjść sterownika mają pełnić tę funkcję. W sterowniku Fatek FBs

można ustawić cztery pary szybkich wyjść, co pozwala na sterowanie pracą czterech

silników krokowych. Przykład konfiguracji szybkiego wyjścia sterownika do

sterowania czterema silnikami krokowymi przedstawiono na Rys. 17.

Rys. 17: Przykład konfiguracji szybkich wyjść sterownika Fatek FBs do sterowania czterema silnikami krokowymi

Przykład programu sterującego pracą silnika krokowego z wykorzystaniem szybkich

wyjść:

W programie wykorzystano wyjścia Y0 i Y1 (zgodnie ze schematem połączeń

przedstawionym na Rys. 16). Wejście X0 odpowiada za uruchomienie silnika, X1

wstrzymuje pracę silnika, a X2 przerywa (po otwarciu wejścia X2 i przy zamkniętym

wejściu X0, impulsy sterujące generowane są od początku). Adres rejestru

21

początkowego tabeli parametrów ustawiono na rejestr R100, a adresy początkowe

rejestru programu i rejestrów roboczych, odpowiednia na R800 i R900.

Oprócz kodu w języku drabinkowym należy stworzyć tabelę parametrów i tabelę

programu sterującego.

1. Kliknąć dwa razy na I/OConfiguration.

2. W zakładce HSPSO dlaPSO0 (Y0-Y1) wybraćY0=PLS; Y1=DIR.

3. Kliknąć lewy przyciskmyszy na Servo ParameterTable.4. Wybrać New Table.

5. Wpisać nazwę tabeli, np.Tabela16. Wpisać adres rejestrupoczątkowego tabeli, takisam jak w parametrachfunkcji MPARA (w tymprzypadku R100)7. Nacisnąć OK.

22

8. Zmienić ustawieniaparametrów: parametr 1:ilość impulsów na obrót,parametr 4: maksymalnąprędkość i parametr 8:rampę rozruchową ihamującą.9. Nacisnąć OK.

10. Kliknąć lewy przyciskmyszy na Servo ProgramTable.11. Wybrać New Table.

12. Wpisać nazwę tabeli,np. Tabela213. Wpisać adres rejestrupoczątkowego programusterującego, taki sam jak wparametrach funkcjiHSPSO (w tym przypadkuR800)14. Nacisnąć OK.

15. Nacisnąć ADD(dodanie pierwszego krokuprogramu sterującego).

23

16. Wpisać ustawieniapierwszego krokuprogramu.17. Nacisnąć OK.

18. Nacisnąć ADD(dodanie drugiego krokuprogramu sterującego).

19. Wpisać ustawieniapierwszego krokuprogramu.20. Nacisnąć OK.

21. Nacisnąć OK.

Parametry ustawiane w oknie Motion Command Item:

Speed – prędkość w impulsach (częstotliwość) lub jednostkach prędkości; zależy od

ustawienia parametru 0 w tabeli parametrów;

24

Movement – przemieszczenie:

DRV/DRVC/DRVZ – metody pozycjonowania (DRV, DRVC) i bazowanie, czyli

poszukiwanie pozycji zerowej do pozycjonowania absolutnego (DRVZ) ,

ADR/ABS – ruch względny/bezwzględny,

-/+ - kierunek,

odległość wyrażona w impulsach/jednostkach długości Ps/Ut;

Wait – wstrzymanie po wykonaniu przemieszczenia:

WAIT TIME – na czas wyrażony w 0,01s,

WAIT – do chwili zmiany stanu wejścia/wyjścia/markera z 0 na 1;

ACT TIME – przemieszczenie wykonywane jest przez czas określony

parametrem ACT TIME ; czas wyrażony jest w 0,01s; jeżeli czas trwania

przejazdu będzie dłuższy od czasu ACT TIME, to przejazd zostanie skrócony;

EXT – instrukcja wyzwalania zewnętrznego; EXT=1 to przejście do kroku

określonego przez GOTO niezależnie, czy przejazd został ukończony czy nie;

po ukończeniu przejazdu, gdy EXT=0, następuje oczekiwanie na EXT=1;

MEND – zakończenie programu pozycjonowania;

Go To – instrukcja przejścia do następnego kroku, po spełnieniu warunków dla opcji

Wait;

NEXT – wykonaj następny krok;

END – koniec cyklu, przejście do kroku 1.

Stworzony program wykonuje przejazd silnika w jednym z kierunków z prędkością 200

(prędkość określona poprzez częstotliwość impulsowania) na odległość 2000 impulsów.

Po wykonaniu przejazdu silnik zatrzymuje się na czas 1s, po czym przechodzi do kroku

drugiego. W kroku drugim przejazd wykonywany jest w kierunku przeciwnym, z

prędkością 200, na odległość 200 impulsów. Po wykonaniu przejazdu silnik zatrzymuje

się na 3s i przechodzi do kroku pierwszego.

25

4.5 Pomiar prędkości z wykorzystaniem enkoderaEnkodery to urządzenia których zadaniem jest dokładny pomiar prędkości,

przesunięcia, odległości lub przebytej drogi. Stosuje się je głównie w automatyce,

różnego rodzaju maszynach i liniach produkcyjnych. Umożliwiają ustalanie dokładnej

pozycji lub przesunięcia danego elementu, wymagającego pozycjonowania. W wyniku

ruchu obrotowego danego urządzenia (najczęściej silnika) w enkoderze generowany jest

sygnał elektryczny. Służy on do wyznaczenia położenie kątowego, ilość obrotów lub

prędkości obrotowej.

Typowy enkoder składa się z metalowej obudowy we wnętrzu, której znajduje się

układ pomiarowy oraz układ elektroniczny. Układ ten generuje sygnał wyjściowy.

Enkodery można podzielić ze względu na:

• rodzaj sygnału wyjściowego,

• rodzaj konstrukcji,

• sposób pomiaru.

Biorąc pod uwagę pierwsze kryterium można wyróżnić głównie dwa typy

enkoderów:

• enkodery inkrementalne (przetworniki obrotowo-impulsowe),

• enkodery absolutne (przetworniki obrotowo-kodowe).

Enkodery te różnią się przede wszystkim rodzajem sygnału wyjściowego oraz

możliwością „pamiętania” mierzonej wielkości.

Enkoder inkrementalny wytwarza na wyjściu sygnał w postaci impulsów zero-

jedynkowych. Dla każdego przesunięcia kątowego generowana jest zdefiniowana ilość

impulsów. Ilość wytworzonych impulsów zależy od rozdzielczości określonej dla

danego przesunięcia. Zakres rozdzielczości w zależności od rodzaju enkodera to 10-

5000 imp./obr. Im rozdzielczość jest większa tym dokładniejszy jest pomiar, gdyż

mniejsze jest przesunięcie kontowe. W celu zapewniania dwukierunkowego pomiaru

stosuje się dwa wyjścia generujące impulsy przesunięte względem siebie o kąt prosty.

Rys. 18 przedstawia enkoder o dwukierunkowym odczycie sygnału, zwanym wyjściem

kwadraturowym.

26

a) b)

Rys. 18: Enkoder inkrementalny (a) i schemat jego pracy (b)

Główną wadą enkoderów inkrementalnych jest brak pamięci aktualnego położenia.

Służą one jedynie do określenie przesunięcia lub aktualnego położenia.

Enkodery absolutne pomimo podobnej konstrukcji do enkoderów inkrementalnych

różnią się od nich. Wytwarzają one na wyjściu sygnał kodowy. Wyróżnia się enkodery

absolutne jednoobrotowe rozróżniające pozycje co pełen obrót i wieloobrotowe, które

generują na wyjściu sygnał z informacją o pozycji kątowej oraz ilości wykonanych

obrotów. Wynika to z faktu, iż dla każdego położenia kątowego osi przypisana jest inna

wyjściowa wartość kodowa w postaci słowa bitowego. Istnieją dwa typy kodowania:

• kod dwójkowy,

• kod Graya’a.

Pozwala to na zapamiętywanie przez enkoder aktualnej pozycji wału inaczej niż jest

to w przypadku enkoderów inkrementalnych, które jedynie zliczają identyczne dla

siebie impulsy. Nawet po zaniknięciu zasilania enkoder przy ponownym uruchomieniu

wie w jakiej pozycji się on znajduje. Zapewnia to specjalnie przygotowana tarcza

kodowa (Rys. 19b).

a) b)

Rys. 19: Przykład tarczy kodowej wykorzystywanej w enkoderach inkrementalnych (a) i absolutnych (b)

W języku drabinkowym dla sterowników Fatek FBs pomiar prędkości obrotowej

możliwy jest dzięki zastosowaniu funkcji SPD. Symbol tej funkcji przedstawiono na

Rys. 20.

27

Rys. 20: Symbol funkcji SPD

S – adres wejścia impulsowego;

TI – czas próbkowania w ms;

D – rejestr przechowujący wyniki pomiarów.

Podczas pomiarów wykorzystywane są trzy rejestry:

D – wynik pomiarów,

D1 – aktualna ilość zliczonych impulsów (po przekroczeniu czasu TI jest resetowany,

D2 – aktualny czas pomiarów w ms (po przekroczeniu czasu TI jest resetowany).

Prędkość obrotową oblicza się ze wzoru:

n=xk⋅T i

⋅60 (4)

gdzie:

x – ilość impulsów pomierzona w czasie próbkowania Ti (wartość rejestru D);

k – stała enkodera [1/obr.];

Ti – czas próbkowania [s];

n – prędkość obrotowa [obr./min.].

Zastosowanie metody PWM wymaga odpowiedniego podłączenia zacisków enkodera z

wejściami sterownika PLC. Przykładowe połączenie przedstawiono na Rys. 21.

Rys. 21: Przykład połączenia silnika krokowego ze sterownikiem PLC dla metody wykorzystującej szybkie wyjścia

Przykładowy kod programu mierzącego prędkość obrotową (ilość impulsów):

28

W programie jako wejście mierzące impulsy z enkodera ustawiono wejście X4, okres

próbkowania wynosi 0,1s, a pomierzone w okresie próbkowania impulsy zapisywane są

do rejestru R0. Wejście X5 włącza i wyłącza pomiar prędkości.

Do odczytu stanu rejestru R0, w którym zapisane są impulsy, można odczytać z tabeli

rejestrów.

1. Kliknąć lewy przyciskmyszy na Status Page.2. Wybrać New Page.

3. Wpisać nazwę tablicyrejestrów, np. Rejestry.4. Wcisnąć OK.

5. Kliknąć w pierwsząkomórkę tabeli.

6. Wpisać adres rejestruR0.7. Wcisnąć OK.

8. Powtórzyć kroki 5-7 ianalogicznie wpisać adresyrejestrów R1 i R2.

29

5. Przebieg ćwiczeniaW ćwiczeniu należy:

1. Zapoznać się z budową walizki treningowej: wskazać elementy takie jak:

(a) wejścia i wyjścia binarne (w tym wyjścia przekaźnikowe);

(b) sterownik PLC: CPU, moduł komunikacyjny, moduły dodatkowe;

(c) silnik krokowy;

(d) enkoder.

2. Otworzyć program WinProLadder, utworzyć nowy projekt oraz nawiązać

połączenie ze sterownikiem PLC.

3. Metoda PWM:

(a) połączyć silnik krokowy i enkoder ze sterownikiem PLC zgodnie ze

schematem zamieszczonym w instrukcji;

(b) stworzyć program sterujący pracą silnika krokowego z wykorzystaniem

metody PWM i odczytujący wskazania enkodera;

(c) stworzyć tabelę rejestrów;

(d) odczytać stan rejestru odczytującego wskazania enkodera i policzyć

prędkość obrotową silnika;

(e) zmienić ustawienia metody PWM i wyznaczyć prędkość obrotową silnika;

4. Zadanie dodatkowe 1 – wykorzystując dokumentację sterownika Fatek Fbs-

24MCT napisać kod w języku drabinkowym przeliczający wskazania enkodera

na prędkość obrotową silnika.

5. Zadanie dodatkowe 2 – zastosować rejestry pamięci do zmiany prędkości

obrotowej podczas pracy silnika.

6. Wykorzystanie szybkich wyjść (metoda HSPSO)

(a) połączyć silnik krokowy i enkoder ze sterownikiem PLC zgodnie ze

schematem zamieszczonym w instrukcji;

(b) napisać program sterujący silnikiem wskazany przez prowadzącego:

i. Przejazd w jednym kierunku z prędkością 60 obr./min. na odległość 1000

impulsów, postój 2s, przejazd dalej w tym samym kierunku z prędkością

45 obr./min. na odległość 150 impulsów, postój 3,5s, przejazd w

przeciwnym kierunku z prędkością 150 obr./min. na odległość 2000

impulsów. Po zakończeniu cykl ma się powtarzać. Zatrzymanie pracy

silnika ustawić przy pomocy jednego z wejść binarnych.

30

ii. Przejazd w jednym kierunku z prędkością 90 obr./min. na odległość 200

impulsów. Po osiągnięciu pozycji silnik czeka na sygnał podany z

wejścia binarnego, który spowoduje przejście do kolejnego kroku. W

następnym kroku przejazd w tym samym kierunku z prędkością 30

obr./min. na odległość 500 impulsów. Po osiągnięciu zadanej pozycji

układ czeka na sygnał podany z wejścia binarnego, który spowoduje

przejście do kolejnego kroki. W następnym kroku przejazd w

przeciwnym kierunku z prędkością 120 obr./min. na odległość 1000

impulsów. Po zakończeniu cykl ma się powtarzać. Zatrzymanie pracy

silnika ustawić przy pomocy jednego z wejść binarnych.

6. Tematy na kolokwium1. Sposoby sterowania silnikiem krokowym.

2. Język drabinkowy LAD.

3. Metody sterowania silnikiem krokowym z wykorzystaniem sterownika FBs.

31