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案例頻道摘 要：本文簡述臺達DVP20PM運動控制型PLC的硬件及軟件結構，并介紹在應用中的方法及特點。
關鍵詞：PLC 運動控制 邏輯控制 數控系統 CAM 插補運算
1 引言
隨著自動化設備對控制的高精度、高響應性需求的不斷增加，自動化控制技術不斷提高，精確的高速定位控制得到廣泛應用，PLC這一工業控制產品也從早期的邏輯控制領域不斷擴展到運動控制領域，實現了以往PLC無法完成的運動控制功能。
在運動控制中大多數采用我們熟悉的數控系統或者是計算機運動板卡來完成，雖然作為專門的產品能夠實現復雜的運動軌跡控制，但同時要完成一些邏輯動作的控制就不如PLC靈活方便。臺達DVP20PM系列PLC高速定位、雙軸線性及圓弧插補多功能可編程控制器，結合了PLC邏輯動作控制和數控系統運動控制的各自優點，在功能上滿足雙軸插補的高速定位需求。
2 臺達運動控制型PLC硬件結構
DVP20PM是臺達運動控制型PLC。DVP20PM通過前后兩個擴展口既可作為PLC主機執行也可作為EH2型主機的擴展模塊使用，具有X0-X7、Y0-Y7數字量輸入輸出各八點，并配置了手搖輪、零點信號、原點信號、極限信號、啟動、停止等各種信號接口滿足應用需求。
DVP20PM主機包含64K超大程序容量內存（Flash），可支持100段運動程序，脈沖輸出最高可達500KHz，并具備電子原點返回模式，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單介紹20PM 組成。
2.1 電源
DVP20PM電源規格參見表1。
表1 電源規格
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項目 |
內容 |
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電源電壓 |
100~240VAC（-15%~10%）, 50/60Hz ± 5% |
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電源保險絲容量 |
2A/250VAC |
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消耗電力 |
60 VA |
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DC24V供應電流 |
500 mA |
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電源保護 |
DC24V輸出具短路保護 |
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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/入點對地之間 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20PM同時使用時，請務必單點接地） |
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操作/儲存環境 |
操作：0°C~55°C（溫度)，50~95%（濕度），污染等級 2；儲存：-25°C ~70°C（溫度），5~95%（濕度） |
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耐振動/沖擊 |
國際標準規范 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 |
2.2I/O點規格
參見圖1，DVP20PM提供的數字量輸入輸出點規格與臺達通用PLC規格基本相同，輸入點支持SINK（漏極）和SOURCE（源極）兩種方式，輸出點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動控制中的特殊輸入輸出點，簡述如下：
START0、START1：啟動輸入
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+,-（差動信號輸入）
B0+、B0-、B1+、B1-：手搖輪B相脈波輸入+,-（差動信號輸入）
PG0+、PG0-、PG1+、PG1-：零點訊號輸入+,- (差動信號輸入)
DOG0、DOG1：原點回歸的近點信號輸入或多段運動的啟動信號
CLR0+、CLR0-、CLR1+、CLR1-：清除信號（Servo驅動器內部偏差計數器清除信號）
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表示啟動第一軸，START1表示啟動第二軸，其他信號依次類推）
從端子分布可以看到，除了常用的極限和啟動停止信號外，配置了過零脈沖PG和手搖輪功能輸入端，手搖輪是機床應用中常用而必備功能，而利用過零信號在精確控制場合往往會用到，當然更不用說定位控制中都會用到的DOG原點信號。
2.3配線規格
一般I/O點配線就不再贅言了，可以關注一下PLC比較少用到的差分輸入輸出方式，在信號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 臺達運動控制型PLC軟件結構
3.1 DVP20PM程序結構
由于20PM主機結合了PLC順序邏輯控制及雙軸插補定位控制的功能，因此在程序架構上主要分為O100主程序、Ox運動子程序及Pn子程序等三大類，結合了基本指令、應用指令、運動指令及G Code指令，使程序設計更多元化，結構更清晰；程序采用PMSOFT軟件進行編輯，參見圖4。
圖4 程序設計界面
（1）主程序。主程序以O100作為起始標記，M102作為結束標記，是PLC順序控制程序，主要為控制主機動作執行，在O100主程序區域中，可以使用基本指令及應用指令，或在程序中啟動Ox0~Ox99運動子程序及調用Pn子程序。主要提供主控制程序的建立，以及運動子程序的設定及啟動控制。
（3）運動子程序。Ox0～Ox99運動子程序為運動控制程序，主要為控制20PM系列主機進行X-Y軸雙軸運動之子程序，于Ox0～Ox99運動子程序區段中，有支持基本指令、應用指令、運動指令及G碼指令，并在程序中可規劃呼叫Pn指針子程序，通過PLC提供的內部特D特M進行子程序的控制。主要提供運動子程序的建立，以及運動子程序的運動控制，在架構上可算是20PM的運動指令及G碼指令規劃區域。
（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運動子程序調用的子程序。如在O100主程序調用Pn指針，則Pn指針子程序支持基本指令及應用指令；若在Ox0 ~ Ox99運動子程序中調用Pn指針時，則Pn指針子程序區段可支持基本指令、應用指令、運動指令及G碼指令。
3.2PMSOFT軟件介紹
與臺達PLC的WPLSoft軟件相似，DVP20PM的編程軟件PMSOFT按照IEC61131標準設計，具有梯形圖和語句表兩種編程方式，且具有G碼匯入、錯誤提示、區段注釋、裝置注釋、標尺、完善的監控窗口、運動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動軌跡仿真功能，當您編輯好程序后可利用此功能對加工軌跡進行模擬演示，參見圖5。
為方便切換階梯窗口，只要點選系統信息列中的樹枝狀對應的程序編號，自動切換對應的程序編輯窗口，在PMSoft編輯環境中同時只能有一個階梯圖窗口，這是為了在龐大復雜程序中找尋程序方便，同時將主程序、運動子程序、一般子程序這三種程序模塊化處理，O100主程序只有一個編輯窗口，Oxn運動程序有100個編輯窗口，Pm子程序有256個編輯窗口，總共有357個窗口，每個窗口未編輯都有10 network。程序編輯由網絡區段組成，每個網絡區段是由輸入與輸出編輯區域所組成，在編輯過程中，自動產生邏輯結構正確的階梯圖，使用者無須再做額外補線的動作，網絡區段編輯并具有錯誤提示功能。
圖5 梯形圖編程界面
4 運動控制編程
4.1 相關概念
在談到DVP20PM產品的應用之前，我們對以下概念進行一個簡要介紹。
（1）插補。插補是在組成軌跡的直線段或曲線段的起點和終點之間，按一定的算法進行數據點的密化工作，以確定一些中間點。從而為軌跡控制的每一步提供逼近目標。
逐點比較法是以四個象限區域判別為特征，每走一步都要將加工點的瞬時坐標與相應給定的圖形上的點相比較，判別一下偏差，然后決定下一步的走向。如果加工點走到圖形外面去了，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，這樣就能得到一個接近給定圖形的軌跡，其最大偏差不超過一個脈沖當量（一個進給脈沖驅動下工作臺所走過的距離）。
（2）直線插補。這個概念一般是用在計算機圖形顯示,或者數控加工的近似走刀等情況下，以數控加工為例子：
一個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。數控機床的刀具往往是不能以曲線的實際輪廓去走刀的，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。
插補方式有:直線插補,圓弧插補,拋物線插補,樣條線插補等等。
所謂直線插補就是只能用于實際輪廓是直線的插補方式(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了).首先假設在實際輪廓起始點處沿x方向走一小段(一個脈沖當量),發現終點在實際輪廓的下方,則下一條線段沿y方向走一小段,此時如果線段終點還在實際輪廓下方,則繼續沿y方向走一小段,直到在實際輪廓上方以后,再向x方向走一小段,依次循環類推.直到到達輪廓終點為止.這樣,實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),那么此段折線和實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。
（3）聯動與插補。一個點的空間位置需要三個坐標，決定空間位置需要六個坐標。
一個運動控制系統可以控制的坐標的個數稱做該運動控制系統的軸數。而可以同時控制運動的坐標的個數稱做該運動控制系統可聯動的軸數。聯動各軸的運動軌跡具有一定的函數關系，例如直線，園弧，拋物線，正弦曲線。直接計算得出運動軌跡的坐標值往往要用到乘除法，高次方，無理函數，超越函數，會占用很多的CPU時間。為了實時快速控制運動軌跡，往往預先對運動軌跡進行直線和圓弧擬合，擬合后的運動軌跡僅由直線段和圓弧段所組成，而計算運動軌跡時，每一點的運動軌跡跟據前一個坐標點的數據通過插補運算得到，這樣就把計算簡化為增量減量移位和加減法。
實現多軸聯動的直線插補并不困難，圓弧插補一般為兩軸聯動。插補運算可以有多種算法，例如 "DDA 算法"，"逐點比較法"，"正負法"，"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行速度。
DVP20PM運動控制型PLC可實現2軸聯動，支持直線和圓弧插補，以及相應的第三軸處理。
（4）數控軟件。DVP20DPM支持復雜的運動軌跡控制，那是如何實現的呢？簡單的說，將復雜軌跡通過AUTOCAD等軟件生成圖形，再經過CAM軟件轉換為G代碼，而PMSOFT可以直接導入文本格式的G代碼，這樣就可以完成運動程序下載到20PM中執行。那么怎樣完成圖形到G代碼的轉換呢，這就需要CAM軟件了，以下簡單介紹一些常用的CAM軟件：
目前CAD/CAM行業中普遍使用的是 MASTERCAM 、 CIMATRON 、 PRO-E 、 UG 、 CATIA...
• MASTERCAM 是最常用的一種軟件，大多數數控操作員都使用 MASTERCAM ，它集畫圖和編程于一身，繪制線架構最快，縮放功能最好。
• CIMATRON 是遲一些進入中國的軟件，在刀路軌跡上的功能優越于 MASTERCAM，現已被廣泛地應用。
• Pro/E 是美國 PTC 開發的軟件，現已成為全世界最普及的三維 CAD/CAM 系統。集多種功能于一體，用于模具設計、產品畫圖、廣告設計、圖像處理、燈飾造型設計，是最好的畫圖軟件，一般來說用 PRO-E 畫圖，用 MASTERCAM 或 CIMATRON 加工。
當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據轉換為PLC或數控系統可以識別執行的代碼，從而控制我們的設備運動。
4.2 運動控制特點
（1）DVP20PM特色。多段速執行及中斷定位，利用此項功能實現運動的平滑性及準確定位。64K步程序容量,100段運動程序，滿足不同加工需求；在20PM中最大可設置100種運動軌跡，同時利用64K的程序容量，預先將需要執行的各種不同運行曲線的G碼存儲在PLC中，當需要加工某種規格時，可以采用文本顯示器、觸摸屏等來調用。支持G碼的直接匯入，當采用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運動程序中。脈沖輸入輸出采用差動方式，最高達500KHz，滿足了絕大多數應用中速度的要求。支持手搖輪應用，這是運動控制中的一個基本功能，可做一些手動的調整。具備電子原點返回模式，在20PM內存中加入了原點記憶功能，只要設定了電子原點，即使設備斷電，在下次上電后也可以輕松找到原點位置。可連結EH2主機與所有擴充模塊，20PM可以靈活配置，即可以接在EH2主機后作為專門定位擴展模塊，也可以做為主機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），實現了通用PLC與數控技術的一個完美結合。配置運動軌跡的離線仿真功能，在實際加工前利用該項功能可以檢查運動程序是否存在問題，可及時解決減少錯誤發生，參見圖6。
圖6離線仿真器
（2）軸控方式。準確的說，DVP 20PM是實現兩軸（X、Y軸）聯動插補的產品，支持數控程序中的G碼功能指令，同時可以處理第三軸的動作。
20PM支持的G 代碼功能如下：G0 高速定位；G1 雙軸聯動直線插補；G2 順時針圓弧插補（設定圓心位置）；G3 逆時針圓弧插補（設定圓心位置）；G2 順時針圓弧插補（設定半徑長度）；G3 逆時針圓弧插補（設定半徑長度）；G4 停頓時間；G90 設定絕對坐標系統；G91 設定相對坐標系統。
對于第三軸（Z軸）處理方式如下：20PM目前只規劃2軸，當G0中指定了Z軸時，此G0指令中Z軸將被拆解獨立出來。
例: G0XP1YP2ZP3 G0ZP3
G0XP1YP2
G0ZP3執行時20PM將自動呼叫P255并以D0傳遞P3，使用者可于P255中處理Z軸動作。
4.3 一個案例
液晶切片機的硬件案例。在該設備中配置了DVP32EH2+DVP20PM+DVP01PU*4來控制六軸運動，其中兩軸采用圓弧插補完成倒角運動，另外四軸為獨立運動。實現了設備的點動、原點回歸、半自動及自動運行，達到精確位置控制。
5 結束語
DVP20PM00D產品是一款同時具有邏輯控制和位置控制的功能強大的PLC，可以靈活、高速、精確的完成平面兩軸運動控制，可以廣泛應用于木工機械、焊接機械、切割設備以及半導體加工設備等等，特別適合有固定加工軌跡的平面兩軸控制場合。我們有理由相信其出色的控制功能具有良好的發展前景。
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號