摘要：着重论述运用三菱Q系列PLC定位模块QD75，通过伺服驱动器控制交流伺服电机准确定位，从而完成刻印工作。
关键词：定位模块 伺服驱动 伺服电机
Application of Mitsubishi PLC and Positioning Module
in Automated Imprinter of Oil Drill Rod
Sun Jin
Abstract: In this article we mainly discuss the process to control the AC servomotor's precice positioning with servo driver using Mitsubishi Q series PLC and positioning module QD75, to carry out the imprinting task accurately.
Keywords: positioning module servodrive servomotor
1 引言
石油钻杆自动刻印机是应用于石油钻杆接头打刻生产批号的全自动设备。该套设备是日本20世纪80年代的产品，20世纪90年代从日本全套引进，其所用电控系统采用老式日立PLC、安川直流伺服电机，电控程序复杂且电控元件日趋老化，不再适应长时间、大批量的生产，经常需要检修和维护，不但加大了生产成本，而且容易耽误工期。2003年应华北石油管理局钻杆有限公司要求对其电控系统进行更新改造，选用三菱Q系列PLC代替原有的PLC、用三洋交流伺服电机取代安川直流伺服电机、用触摸屏（GOT）更替原机旁操作箱上的拨码开关、数显块、计数器及部分开关按钮等，用Q系列PLC的定位模块QD75取代了原来的位置组件后，使电控系统大大简化且易于维护和操作。
2 刻印机基本原理及工作流程
该套设备上有3台交流伺服电机，分别是：选字用伺服电机、调字间距用伺服电机、回转用伺服电机。石油钻杆的钻杆接头分为：BOX接头和PIN接头（BOX接头需要将生产批号打刻在内壁上，PIN接头需要将生产批号打刻在外壁上）。当打刻BOX接头时，需将接头套在刻字盘外，选字用伺服电机带动刻字盘旋转定位（操作员预先在触摸屏上设置所需打刻的字符，每个字符有一个固定的脉冲值与其对应，由CPU计算脉冲数，QD75按脉冲数通过伺服驱动器控制伺服电机旋转定位）并打刻、调字间距用伺服电机带动BOX接头顺序旋转固定的脉冲数定位（每打完一个字符后都转动同样的距离，这个固定脉冲数可由操作员在触摸屏上设定）；当打刻PIN接头时，PIN接头上有一个铣槽，回转用伺服电机带动PIN接头旋转直到检测装置检测到铣槽后定位(只要检测到铣槽，QD75就执行定位)并打刻。设备正常工作时所有动作按顺序自动完成。其电气控制流程图如图1。
图1 电气控制流程图
3 设计思路
定位模块QD75与步进马达或伺服驱动器一起使用，用来执行机器位置或速度控制的模块，它不但可以完成主要定位控制，而且可以完成OPR控制（返回原点控制）、高级定位控制、手动控制等等许多控制，其特点是启动迅速，减少了机器应答时间且其差动驱动器系统可发出最高1Mpps的高速命令，实现快速精确控制。
在自动刻印机电控系统中，用QD75定位模块实现位置固定进给控制和线性控制。选字用QD75固定进给控制和OPR控制，由伺服电机带动刻字盘旋转，按照操作员在触摸屏上设置的刻印字符，每旋转一次找到一个字符并打刻（每次的旋转量由CPU计算并发送给QD75，QD75再将该脉冲发送给伺服驱动器进而控制伺服电机），打刻完最后一个字符后刻字盘自动返回原点，等待下一个需要打刻生产批号的钻杆接头；调字间距用QD75固定进给控制，由伺服电机仅在每打刻一个字符后带动接头顺序转动固定的距离；回转采用QD75线性控制。
定位模块QD75使用32点输入和32点输出与PLC的CPU交换数据。当QD75插在PLC基板“0”号槽位时，其与CPU之间的输入/输出信号见图2。
图2 定位模块QD75与PLC CPU之间的信号
定位模块QD75与伺服驱动器之间的连接，根据所需定位功能，确定其输入/输出端子接线。本刻印机电控系统中定位模块QD75与伺服驱动器QS1A03AA（三洋）之间的具体联线如图3，为满足定位精度及速度要求，将定位加速时间和减速时间设为30 ms。
4 定位脉冲的计算
选字用伺服电机的刻印字盘上共有19个字符（360°），每个字符对应于一个固定的脉冲数，其中有一个字符较宽，占2个字符位，所以刻字盘上共计有20个字符位。伺服电机轴旋转一周需8 000个脉冲，由于装有减速比为1：4的减速机，故刻字盘旋转一周需要32 000个脉冲，将32 000个脉冲平均分配给19个字符（20个字符位），则每个字符位之间间隔为1 600个脉冲，即从一个字符位到相邻的下一个字符位需1 600个脉冲，这样每个字符的定位脉冲数都应该是1 600的倍数。开始刻印前，操作员先在触摸屏上设定好所要刻印的字符，自动刻印开始，PLC的CPU用设定好的第一个刻印字符的字符位脉冲数减去“0”，将差值送给定位模块，定位模块发出脉冲由伺服驱动器控制伺服电机按其差值旋转定位并打刻；打刻第二个字符时，CPU用设定的第二个字符的字符位脉冲数减去上一个已经打刻完了的字符位脉冲数，再将差值（差值为正值则伺服电机正转，负值则反转）送给定位模块，定位模块发出脉冲由伺服驱动器控制伺服电机按其差值旋转定位并打刻，依次类推直至操作员在触摸屏上所设定的刻印字符全部打刻完毕，刻字盘自动回零位，等待下一个钻杆接头。
图3 定位模块与伺服驱动器间联线图
调字间距用伺服电机每次旋转定位的距离是一个固定脉冲数（可在触摸屏上设定），不需要计算。
回转用伺服电机每次旋转定位的距离由检测装置决定，只要检测装置检测到PIN接头上的铣槽，电机就定位。
5 故障分析与处理
自动刻印机在调试过程中，在打刻BOX接头时曾出现漏打字现象，即打刻一组生产批号，只漏打其中的几个字符，其余字符打刻完全正确且清晰，如要打刻“BNK112003K + 2336”，实际打刻出来的是“BK11003 K+ 2336”。这种情况不是经常发生且没有规律，打刻100接头可能发生一次。经观察，此现象出现时，刻字盘的旋转定位是正确的，只是定位模块发出的“定位完了” 信号脉冲太窄、设备的下压打刻传感器瞬间误动作，使得还未下压打刻，定位模块就已经开始了下一次定位；将定位参数中“定位完了” 信号延时，问题得到解决。
6 结束语
采用三菱Q系列PLC定位模块QD75控制石油钻杆自动刻印机，工作可靠、定位准确迅速、操作方便、维护简单，不但投资小而且效果好，提高了已经老化的设备的技术装备水平。该套控