1、精品基于双轴定位模块FX2N20GM实验台的实验设计毕业论文设计青岛农业大学 毕 业 论 文（设计） 题 目：基于双轴定位模块FX2N-20GM实验台的实验设计姓 名： 徐成龙 学 院： 青岛农业大学海都学院 专 业： 电气工程及其自动化 班 级： 2009.02 指导教师： 刘立山 2013 年 6 月 9 日毕业论文（设计）诚信声明本人声明：所呈交的毕业论文（设计）是在导师细心指导下进行的研究工作以及取得的研究成果，论文中引用他人的图表、数据、文献、资料均已作明确标注，论文中的结论和成果均是本人独立完成，真实可靠，绝不存在他人成果及已获得青岛农业大学或其他各类教育机构的学位或证书使用过的材
2、料。在研究期间，与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均在论文中作了明确的说明并表示由衷的感谢。论文（设计）作者签名： 日期： 2013 年 6 月 18日 毕业论文（设计）版权使用授权书本毕业论文（设计）作者同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文（设计）的复印件和电子版，允许论文（设计）被查阅和借阅。本人授权青岛农业大学可以将本毕业论文（设计）全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本毕业论文（设计）。本人离校后发表或使用该毕业论文（设计）或与该论文（设计）直接相关的学术论文或成果时，单位署名为青岛农业大学。论文（设计）作者签名： 日期： 年 月
3、日指 导 教 师 签 名： 日期： 年 月 日摘 要 IAbstract II第一章 绪论 11.1 选题背景 11.2 发展状况 11.3 研究内容及目标 22 硬件介绍及硬件连接通讯 42.1 威纶触摸屏 42.2 PLC硬件介绍 62.3 FX2N-20GM特殊功能单元 82.4 驱动放大器 113 软件编程部分 163.1编程软件简介 163.2具体实验设计 184. 总结与展望 25参考文献 26致谢 27附录 28 基于双轴定位模块FX2N-20GM实验台的实验设计摘 要近年来越来越多的小型企业将采用经济、实用的PLC运动控制产品对生产过程进行控制，以提高企业的经济效益和竞争实力。
4、可编程控制器得到快速发展，例如在轨道交通、化工、电力电厂、油田、煤矿、机床等各行各业都有着广泛的应用。三菱是以其丰富的产品型号和相对较低的价格而得到消费者的青睐，加之三菱编程比较好入门，编程软件的界面和程序操作设计也较符合人们的操作习惯和思维逻辑。本文介绍了基于双轴定位模块FX2N-20GM实验台设计方案，旨在通过学习，掌握三菱运动控制单元FX2N-20GM的基本使用方法。为了实现FX2N-20GM运动控制的目的，实验室购置了威纶人机界面、三菱FX2N可编程控制器、伺服电机驱动器及驱动电机。本文将先介绍试验台各个部分的硬件知识，然后介绍如何通过人机界面实现对控制的过程，观察控制过程的有关参数，
5、动态显示（动画）运动情况，即如何通过软件编程控制FX2N-20GM，从而实现对伺服电机的运动控制。关键词：威纶人机界面; 三菱PLC; FX2N-20GM; 运动控制The experimental design Based on the dual axle positioning FX2N-20GM experimentAbstractIn recent years, in order to improve the economic benefit of enterprise and competitiveness，more and more small businesses will us
6、e the economic and practical PLC motion control products to the production process control。Programmable controller get fast development。For example ，the rail transit industry, chemical industry, electric power, oil field, in coal mine, machine tools, and other industries are in a wide range of appli
7、cations.Mitsubishi is based on its product model rich relatively low price to get the favour of consumers.In addition, the Mitsubishi programming is better introduction.Programming software interface and program operation design also called accord with Asian operation habit and the logic thinking.Th
8、is paper introduces the biaxial positioning module based on FX2N-20GM test bench, a design scheme to study and get Mitsubishi motion control unit FX2N-20GM of the basic method of use GM.In order to realize the FX2N-20GM motion control purpose,the laboratorys Aaron bought human-machine interface, Mit
9、subishi FX2N programmable controller, Servo Motor Driver and Servo Motor.This article will introduces each part of the test hardware knowledge in the first ,and then introduces how to realize the man-machine interface through control process, observe the related parameters of control process, dynami
10、c display (animation display) movement. Mean than how to through software programming control FX2N-20GM, so as to achieve the control of the movement of the Servo Motor .Keywords: Wei Aaron human-computer interface ;Mitsubishi ;PLC; FX2N-20GM; motion control第一章 绪论1.1 选题背景当今社会高精度电气系统和高性能自动控制系统越来越普及。可
11、编程逻辑控制器的使用可以在很大程度上使许多普通电气控制系统难以解决的问题变得相对的简单一些，并增加自动控制系统的稳定性。PLC结合了微型计算机技术与传统继电器技术的有点，它即克服了传统继电器技术不可靠、高功耗的缺点，又兼顾了成本要素，成本远小于工业控制计算机，大大地降低了工业控制的成本。近年来我国工业的自动化程度有了明显提高，特别是在运动控制领域。随着市场竞争的加剧及自动化水平的不断提高，越来越多的小型企业也将采用经济、实用的PLC运动控制产品对生产过程进行控制，以提高企业的经济效益和竞争实力。可见，运动控制产品有很大的应用空间。三菱以其产品型号丰富、价格相对较低而得到消费者的青睐。加之，三菱
12、编程比较好入门，编程软件的界面和程序操作设计也较符合人们的操作习惯和逻辑思维。我国中小型工业企业众多，三菱为这些中小型企业提供的不仅是合适的价格，更有丰富的控制功能。三菱FX2N系列是FX系列中最先进的产品，具有运算速度快及扩展模块功能丰富的特点。可以用于多个基本组件间的连接，具有出色的模拟控制和定位控制等功能。1.2 发展状况国内外现状：我国工业的自动化水平较前些年已经有了显著提高，很多中小企业出于生产效率和成本的考虑，开始应用自动化程度较高的生产线，PLC以其较高的可靠性及其合适的价格成为现代工业生产线上的不二之选。但是我们也应该看到我们国家在PLC方面的不足之处，我们国家在PLC的研发方
13、面处于明显的落后地位，而且外国人开发的PLC工具有些不符合中国人的逻辑思维，这导致了PLC的普及受阻，影响到了我国工业现代化的进程。鉴于此国情，我国应该重视科技的研发、创新，打造属于我们自己的品牌。每个大学生也应该积极的为推动国家的工业化进程做出自己的贡献。我国很多大中型企业已经使用了先进的PLC控制系统对生产线进行指定控制，但依然有很多小型企业处于落后状态，这不仅取决于PLC生产线本身的成本，还取决于这些小企业有没有能力购买其技术支持。目前的现状是，PLC生产线的维护大多数只能依靠PLC的生产商，这样就给小企业引进现代化的生产线带来了诸多不便。随着竞争的日益加剧，生产效率的提高无疑是至关重要
14、的，引入先进的现代化生产线是当务之急，这就需要大量的智力支持。因此，对小型PLC自动控制系统的研究课题是有着广泛的实际意义的。中国PLC市场主要厂商为Siemens、Mitsubishi、Omron、Rockwell、Schneider、GE-Fanuc等国际大公司，欧美公司在大、中型PLC领域占有绝对优势，可编程控制控制器技术在发达国家（例如美国）已经进入快速发展的阶段，由于有强劲市场需求的工业自动控制技术发展迅速、应用广泛，近年来随着运动控制技术的不断进步和完善，可编程控制器作为一个独立的工业自动化控制类产品已经被越来越多的产业领域接受并且它已经达到一个引人瞩目的市场规模。日本公司在小型P
15、LC领域占据十分重要的位置，韩国和中国台湾的公司在小型PLC领域也有一定市场份额，中国大陆PLC厂商的市场份额几乎可以忽略。出于对这种现状的考虑，国家已经出台工业现代化、农业机械化等相关政策，为发展PLC业务提供了难得的历史机遇。因此，作为一名工科大学生熟练掌握PLC控制系统的原理，并具备一定的PLC控制程序的编程能力，是一项极具潜力的技能。我国当前经济高速发展，已经一跃成为世界第二大经济体，市场对新设备、新技术的需求越来越大。另外，由于市场竞争的压力，要求运动控制设备向开放式方向发展，在这样的形势下我国可以抓住这一机遇，加大技术投资，培养科技人才，研制出具有自主知识产权的、高可靠性的可编程控
16、制器产品。1.3 研究内容及目标1.3.1 研究内容目前，市面上有关三菱PLC运动控制模块的资料少之又少，给我们的学习带来了很多麻烦。通过学习，我已经初步掌握了一些简单的运动控制方面的知识，并将其总结为此文，希望此文能给大家带来方便。研究内容主要包括以下几个方面：-威纶触摸屏的使用-FX2N的使用-运动控制模块的编程使用方法-伺服驱动器的设置方法1.3.2 研究目标-能够通过威纶触摸屏控制PLC的运行-能够实现PLC与定位模块FX2N-20GM的通讯-能够实现FX2N-20GM与伺服驱动器的通讯-能够运用实验台实现一些运动控制第二章 硬件介绍及硬件连接通讯2.1 威纶触摸屏2.1.1 产品系列
17、介绍WEINVIEW新一代嵌入式工业人机界面有MT8000和MT6000系列。通过采用不同的CPU ，可分为T 系列、i 系列和X 系列。他们的区别主要是：T 系列采用200MHz 32 bit RISC （精简指令集）CPU，32M 内存；i 系列采用400MHz 32 bit Risc CPU ，128M 内存；而X 系列采用500MHz 32 bit CISC （复杂指令集）CPU ，256M 内存。由此可以看出i 系列和X 系列采用了更快的CPU 和更大的内存，从而运行速度更快。而这三个系列里面，根据接口配置的不同，又可以分为MT6000系列通用型产品、MT8000系列网络型产品和MT
18、8000系列专业型产品。MT6000系列通用型产品没有配备以太网口，MT8000系列网络型产品配备有以太网口，而MT8000X系列我们称之为专业型产品，除了配备以太网口外，还配置有音频输出口等。WEINVIEW HMI的命名规则如图2-1所示。图2-1 WEINVIEW HMI的命名规则例如，我们的实验台使用的是MT6070iH威纶触摸屏，表明是6000系列，7寸LCD触摸屏，i系列。2.1.2 MT6070iH威纶触摸屏产品介绍MT6000iH是威纶开发的新一代产品，采用16：9的宽屏设计；400MHz CPU，128MB内存配置，与目前市场上的200MHz CPU相比较，反应速度、通讯速度
19、、下载速度都有大幅度提高。规格说明外壳材料：工业塑料显示器：7寸 800480 65536色 TFT LCDCPU:32Bit RISC 400MHz内存（DRAM）：64MB DDR2 on board存储空间：128MB flash memory on board通讯界面：三组异步串行通讯端口：COM1:RS-232/RS-485 2W/4W,COM2:RS-232,COM3:RS-232/RS-485 2WUSB1.0 hostUSB2.0 high speed device万年历：内建端口功能简介触摸屏采用的电源是24V直流电源，内建电源隔离保护器。在与PLC的连接上，COM端口提供了
20、RS-232 /RS-485多种连接标准，从而实现触摸屏对PLC的控制。USB1.0或USB2.0端口、以太网（有的设备只有两者之一，并且使用以太网还需要设置威纶触摸屏的IP地址）端口用于连接PC机，PC机上的威纶触摸屏编程软件EasyBuider8000可以通过USB或以太网网线将事先编辑好的程序下载到威纶触摸屏。2.2 PLC硬件介绍 2.2.1 PLC的组成及各部分的功能PLC的种类很多，不同的种类的PLC的结构各不相同，但是其基本的组成都是一样的。他们都有CPU，其功能的实现不仅仅要靠硬件而且还要靠软件，可以说可编程控制器PLC就是一台缩小版的工控机。PLC的硬件基本结构如图2-2所示
21、图2-2 PLC的硬件基本结构PLC的基本组成由CPU、存储器、I/O接口、通讯接口、扩展接口、总线及电源组成。对于整体式的可编程控制器，这些单元都是被封装到一个主机内的。主机内的各个单元靠总线实现连接。下面分别介绍可编程控制器的各个组成部分的作用。1.中央处理单元（CPU） PLC选用的CPU通常有三种：通用微处理器（例如：8086）、单片机、位片式微处理器。小型的PLC多采用单片机作为中央处理单元，中型的多为通用微处理器，大型的多选用功能强大的位片式微处理器。作为PLC的大脑CPU协调各个单元进行工作，从而实现现场控制功能。CPU的具体功能如下： 进行运算处理，执行监控程序和用户程序。 以
22、扫描的工作方式接收数据，并存入相应的数据存储器。 响应外部设备。2.存储器PLC的存储器可分为两种：系统存储器（EPROM）和用户存储器（RAM）。系统存储器内的内容出场的时候已经确定，用户不能更改。用户存储器的作用则是用来存储用户编辑好的应用程序。3. I/O接口工业现场产生的型号是多种多样的，而可编程控制器的能够处理的信号是标准电平TTL（TTL电平信号被利用的最多是因为通常数据表示采用二进制规定，+5V等价于逻辑“1”，0V等价于逻辑“0”。但是由于TTL功耗大等缺点，正逐渐被CMOS电路取代。）信号。这样就需要专用的I/O接口进行电平的转换。通讯接口采用标准接口，用于实现与编程器、写入
23、器、上位机、打印机、人机界面及其它PLC的连接接口。例如：三菱FX2N的通讯接口使用的是RS-485/RS232。4.扩展接口用于实现功能的扩展，例如：用于主机连接运动控制单元、通讯单元、D/A单元等。5.电源多为24V直流电源。6.总线总线分为：地址总线、数据总线及控制总线。用于连接主机内的各个功能模块，实现它们间的通讯。2.2.2 三菱FX2N系列PLCFX2N系列PLC为小型PLC，控制规模为16256点，基本单元为16/32/48/64/80/128点（我们的实验台使用的是48点的FX2N-48MT），具有高速、高功能等基本性能，因此适用于普通顺控的广泛领域。表1是FX2N系列PLC各
24、种单元、模块的简介。表1 FX2N系列PLC各种单元、模块的简介种类内容连接内容1.基本单元内置有CPU、电源、输入输出、程序内存可连接各种扩展设备2.扩展单元内置单元的输入输出扩展，附带连接电缆输入输出点数最大为256点，（特殊扩展最多8台）3.扩展模块从基本单元、扩展单元获取电源供给的输入输出扩展，附带连接电缆4.特殊单元内置单元的输入输出扩展，附带连接电缆5.特殊模块从基本单元、扩展单元获取电源供给的输入输出扩展，附带连接电缆6.功能扩展版可内置于PLC中，用于功能扩展的设备，不占用输入输出点数只可安装一块，并且除FX2N-CNV-BD外，不可与特殊适配器合用7.特殊适配器从基本单元获取
25、电源供给的特殊控制用扩展。内置连接电缆，不占用输入输出通过FX2N-CNV-BD功能扩展板，可连接一台8.存储盒EEPROM、EPROM、RAM最多16000步，如果安装扩展存储器则可以增加变频器控制功能等可内置一台，可与功能扩展板合用2.3 FX2N-20GM特殊功能单元2.3.1 FX2N-20GM的结构组成特殊功能单元FX2N-20GM的尺寸如图2-3所示图2-3 FX2N-20GM的尺寸定位单元各部分名称如图2-4所示图2-4 定位单元各部分名称FX2N-20GM运行指示灯如表2所示表2 FX2N-20GM运行指示灯LED名称内容POWER电源供电时，LED灯亮，若不亮检查电源电压和电
26、流。REDY-X当就受到X轴驱动指令时，LED亮。当脉冲输出或出现故障时，LED灯灭。REDY-Y当就受到Y轴驱动指令时，LED亮。当脉冲输出或出现故障时，LED灯灭。ERROR-X当X轴的定位驱动器发生故障时，LED灯亮（红色）或者闪烁。ERROR-Y当Y轴的定位驱动器发生故障时，LED灯亮（红色）或者闪烁BAYY当电池电压下降时，LED灯亮。CPU-ECPU故障。不相容的系统配置，噪声过大等。图2-5 定位单元开关选择手动操作时把此开关打到“MANU”，自动操作是则打到“AUTO”。写程序或设定参数时，选择手动模式。在手动模式下，定位程序和子程序都是停止运行的，但是电动任然可以使用。在自动
27、操作状态下，当开关从“AUTO”切换到“MANU”时，定位控制单元执行当前操作后进入结束（END）指令。2.3.1 FX2N-20GM与PLC基本单元的连接用PLC连接电缆FX2N-GM-5EC或FX2N-GM-65EC来连接PLC基本单元与点位控制单元，如图2-6所示。图2-6 PLC基本单元与点位控制单元连接示意图当单独使用FX2N-20GM时FX2N-20GM配有电源、CPU、I/O输入输出，它也能独立运行。FX2N-20GM配有8个输入点（X00到X07）和8个输出点（Y00到Y07）作为通用用途。如果I/O点数不足，FX2N系列的PLC扩展模块（不可以是继电器输出型，FX2N-20G
28、M可连接到晶体管输出型或三段双向可控硅开关元件输出型FX2N系列PLC上）可作为FX2N-20GM的I/O扩展连接其上。FX2N-20GM有16个I/O点，还可以扩展48个I/O点。当连接FX2N-20GM到可编程控制器上时FX2N-20GM可与FX2N/FX2NC系列的PLC连在一起使用，这样，FX2N-20GM被看作PLC的一个专用单元。FX2N系列PLC最多连接8个FX2N-20GM或其它的专用单元，例如：模拟量I/O和高速计数器等。FX2NC最多连接4个。当FX2N-20GM连接到PLC上时，FX2N-20GM被当作是PLC的专用单元，从离PLC最近的算起，专用单元编号0到7(此编号在
29、FROM/TO指令中使用，以后将会讲到）被自动的分配到连接的专用单元。FX2N-20GM的I/O连接器如图2-7所示图2-7 FX2N-20GM的I/O连接器2.4 驱动放大器2.4.1 驱动放大器的结构组成型号名称的构成如图2-8所示图2-8型号名称的构成2.4.2伺服电机系统的构成使用伺服电机，首先要了解伺服电机的定义和结构。伺服的意思就是跟随的意思，伺服电机就是希望电机依照指令做位置、速度、或转矩的跟随控制。图2-9线内为伺服电机系统，分为伺服驱动及伺服电机两个部分。小型交流电机一般采用永磁同步电机作为动力源。也有采用直流电机作为动力源的伺服电机。但目前已较少应用。早起由于直流电机的转矩
30、特性比交流电机的好，因此采用直流电机。由于现代变频技术的发展，交流电机的转矩特性已接近直流电机，而且直流电机又存在不易保养的缺点，所以直流电机逐渐被交流电机所取代。图2-9 伺服系统的构成(1)伺服驱动器伺服电机必须有驱动器才能旋转，因此市面上所称伺服电机包含伺服驱动器。一组伺服电机由电机和驱动器组成，由制造厂家将电机与驱动器匹配到最佳状态，用户最好不要随意搭配。通用交流伺服电机驱动器依据控制方法，一般分为三种：P(位置伺服），V（速度伺服），T（转矩伺服）。较为通用的方法为P和V。伺服驱动器与电机之间要是型号匹配，就不需要考虑控制模式；相对的，伺服控制器必须配合伺服驱动器，一般小型PLC控制
31、器较常采用P（位置伺服）控制模块，中型的或者是大型的或是专用的才有V速度控制模块。(2)编码器为了达到伺服的目的，在电机输出轴同轴上安装编码器（enconder）。电机与编码器为同轴旋转，电机一圈编码器也跟着一圈，转动的同时将编码器产生的信号送回驱动器，驱动器根据编码信号判断伺服电机转速、转向、位置是否正确，并且根据这些调节驱动器输出频率及电流的大小。也可以采用角传感器（resolver）的元件，但其目的是相同的，对用户而言无差异。编码器反馈的信号的A相与B相相位相差90。每组脉冲可以分解为a,b两个前缘和c,d两个后缘微分脉冲，合计为4倍的单项脉冲。如图2-10所示图2-10 编码器反馈的信号我们看到的伺服电机转速或位置的分辨率就是由编码器每圈的A相或者是B相脉冲数量的4倍决定的。编码器反馈的脉冲信号还有Z相，或者是C相、零相脉冲。电机每转一圈产生一个脉冲，主要用于伺服电机原点复位的参考定位。第三章 实验设计3.1编程软件简介3.1.1 EasyBuilder8000WEINVIEW HMI 组态软件 EasyBuilder8000（简称 EB8000，后同）是台湾威纶科技公司开发的新一代人机界面软件，适用于本公司 MT8000和 MT6000系列所有型号的产品。软件特点
