PLC實(shí)現(xiàn)定位控制系統(tǒng)應(yīng)用

　摘要：為了在一定場合取代高成本的定位控制，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定位控制系統(tǒng)最優(yōu)的性價比，采用SIEMENS公司S7-200系列PLC作為控制器，控制三相交流異步電動機(jī)和步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定位。通過對貨物倉儲系統(tǒng)中傳輸帶的定位控制，及對直線送料導(dǎo)軌的定位控制的實(shí)驗，得出了準(zhǔn)確定位控制系統(tǒng)設(shè)計與實(shí)施時的關(guān)鍵技術(shù)，并給出了兩種實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定位的控制方案及PLC程序。這種使用PLC實(shí)現(xiàn)的定位方法具有快速、準(zhǔn)確、成本低、易于實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)，在工業(yè)生產(chǎn)中十分實(shí)用。

　　關(guān)鍵詞：PLC;交流異步電機(jī);步進(jìn)電機(jī);旋轉(zhuǎn)編碼器;準(zhǔn)確定位

　　引言

　　在自動化生產(chǎn)、加工和控制過程中，經(jīng)常要對加工工件的尺寸或機(jī)械設(shè)備移動的距離進(jìn)行準(zhǔn)確定位控制。在定位控制系統(tǒng)中常使用交流異步電機(jī)或步進(jìn)電機(jī)等伺服電機(jī)作為驅(qū)動或控制元件。實(shí)現(xiàn)定位控制的關(guān)鍵則是對伺服電機(jī)的控制。由于可編程控制器(PLC)是專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計的一種工業(yè)控制計算機(jī)，具有抗干擾能力強(qiáng)、可靠性極高、體積小等顯著優(yōu)點(diǎn)，是實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化的理想控制裝置。

本文旨在闡述利用PLC控制伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定位的方法，介紹控制系統(tǒng)在設(shè)計與實(shí)施中需要認(rèn)識與解決的若干問題，給出了控制系統(tǒng)參考方案及軟硬件結(jié)構(gòu)的設(shè)計思路，對于工業(yè)生產(chǎn)中定位控制的實(shí)現(xiàn)具有較高的實(shí)用與參考價值。

　　1 利用PLC的高速計數(shù)器指令和旋轉(zhuǎn)編碼器控制三相交流異步電機(jī)實(shí)現(xiàn)的準(zhǔn)確定位

　　1.1 系統(tǒng)工作原理

　　PLC的高速計數(shù)器指令和編碼器的配合使用，在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)自動控制中可實(shí)現(xiàn)精確定位和測量長度。目前，大多數(shù)PLC都具有高速計數(shù)器功能，例如西門子S7-200系列CPU226型PLC有6個高速計數(shù)器。高速計數(shù)器可以對脈寬小于PLC主機(jī)掃描周期的高速脈沖準(zhǔn)確計數(shù)，不需要增加特殊功能單元就可以處理頻率高達(dá)幾十或上百kHz的脈沖信號。旋轉(zhuǎn)編碼器則可以將電動機(jī)軸上的角位移轉(zhuǎn)換成脈沖值。

　　利用PLC的高速計數(shù)器指令和編碼器控制三相交流異步電機(jī)實(shí)現(xiàn)的準(zhǔn)確定位控制系統(tǒng)，其原理是通過與電動機(jī)同軸相連的光電旋轉(zhuǎn)編碼器將電機(jī)角位移轉(zhuǎn)換成脈沖值，經(jīng)由PLC的高速計數(shù)器來統(tǒng)計編碼器發(fā)出的脈沖個數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)定位控制。

　　1.2 設(shè)計與實(shí)施

　　以對傳輸帶的定位控制設(shè)計為例加以說明?，F(xiàn)需要用傳輸帶運(yùn)送貨物，從貨物運(yùn)送起點(diǎn)到指定位置(終點(diǎn))的距離為10 cm?，F(xiàn)要求當(dāng)傳輸帶上的貨物運(yùn)行10 cm后，傳輸帶電機(jī)停止運(yùn)行。該系統(tǒng)硬件設(shè)置主要包括西門子S7-200CPU226型PLC、傳輸帶電機(jī)(三相交流異步電機(jī))、OMRON的E6A2-CW5W光電旋轉(zhuǎn)編碼器、松下VFO系列BFV00042GK變頻器等。該系統(tǒng)的工作原理是將光電編碼器的機(jī)械軸和傳動輥(由三相交流異步電機(jī)拖動)同軸相連，通過傳動輥帶動光電編碼器機(jī)械軸轉(zhuǎn)動，輸出脈沖信號，利用PLC的高速計數(shù)器指令對編碼器產(chǎn)生的脈沖(采用A相脈沖)個數(shù)進(jìn)行計數(shù)，當(dāng)高速計數(shù)器的當(dāng)前值等于預(yù)置值時產(chǎn)生中斷，經(jīng)變頻器控制電動機(jī)停止運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)傳輸帶運(yùn)行距離的準(zhǔn)確定位控制。很顯然，該控制系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定位控制的關(guān)鍵是對PLC的高速計數(shù)器的預(yù)置值進(jìn)行設(shè)置，高速計數(shù)器的預(yù)置值即為傳輸帶運(yùn)行10 cm時光電編碼器產(chǎn)生的脈沖數(shù)。該脈沖數(shù)值與傳輸帶運(yùn)行距離、光電編碼器的每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)以及傳動輥直徑等參數(shù)有關(guān)。該脈沖數(shù)可以通過實(shí)驗測量也可通過計算得出。計算得出傳輸帶運(yùn)行10 cm對應(yīng)的脈沖數(shù)為：

　　脈沖數(shù)=[(傳動輥直徑(mm)×π÷(脈沖數(shù)/轉(zhuǎn))]×傳送帶運(yùn)行距離(mm)

　　該系統(tǒng)通過計算得出脈沖數(shù)為100，則高速計數(shù)器的預(yù)置值即為100。參考程序如圖1所示。

　　在子程序中，將高速計數(shù)器HSC0設(shè)置為模式1，即單路脈沖輸入內(nèi)部方向控制的增/減計數(shù)器。無啟動輸入，使用復(fù)位輸入。系統(tǒng)開始運(yùn)行時，調(diào)用子程序HSC_INIT，其目的是初始化HSC0，將其控制字節(jié)SMB37數(shù)據(jù)設(shè)置為16#F8，對高速計數(shù)器寫入當(dāng)前值和預(yù)置值，同時通過中斷連接指令A(yù)TCH將中斷事件12(即高速計數(shù)器的當(dāng)前值等于預(yù)置值中斷)和中斷服務(wù)程序COUNT_EQ連接起來，并執(zhí)行ENI指令，全局開中斷。當(dāng)高速計數(shù)器的當(dāng)前值等于預(yù)置值時，執(zhí)行中斷服務(wù)程序，將SMD42的值清零，再次執(zhí)行HSC指令重新對高速計數(shù)器寫入當(dāng)前值和預(yù)置值，同時使M0.0置位，電動機(jī)停止運(yùn)行。

　　2 利用PLC的高速脈沖指令控制步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定位

　　2.1 系統(tǒng)工作原理

　　步進(jìn)電機(jī)因其具有結(jié)構(gòu)簡單、控制方便、轉(zhuǎn)動慣量低、定位精度高、無累積誤差和成本低廉等優(yōu)點(diǎn)而成為工業(yè)控制的主要執(zhí)行元件，尤其是在精確定位場合中得到廣泛應(yīng)用。在工業(yè)生產(chǎn)中，步進(jìn)電機(jī)和生產(chǎn)機(jī)械的連接有很多種，常見的一種是步進(jìn)電機(jī)和絲杠連接，將步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)變成工作臺面的直線運(yùn)動。當(dāng)需要對工作臺面移動距離進(jìn)行定位控制時，只需要控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和角位移大小即可。在非超載的情況下，步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和角位移只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)。它輸出的角位移與輸入的脈沖數(shù)成正比，轉(zhuǎn)速與脈沖頻率成正比。改變繞組通電的相序，則可以實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)。

　　目前世界上主要的PLC廠家生產(chǎn)的PLC均有專門的高速脈沖輸出指令，可以很方便地和步進(jìn)電機(jī)構(gòu)成運(yùn)動定位控制系統(tǒng)。由PLC高速脈沖指令控制步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定位的實(shí)質(zhì)是PLC通過高速脈沖輸出指令PTO/PWM輸出高速脈沖信號，經(jīng)步進(jìn)電機(jī)脈沖細(xì)分驅(qū)動器控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行，從而推動工作臺移動到達(dá)指定的位置，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定位。工作臺移動的距離與PLC脈沖數(shù)之間的關(guān)系為：

　　式中：N為PLC發(fā)出的控制脈沖的個數(shù);n為步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器的脈沖細(xì)分?jǐn)?shù)(如果步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器有脈沖細(xì)分驅(qū)動);θ為步進(jìn)電機(jī)的布距角，即步進(jìn)電機(jī)每收到一個脈沖變化，軸所轉(zhuǎn)過的角度;d為絲杠的螺紋距，它決定了絲杠每轉(zhuǎn)過一圈，工作臺面前進(jìn)的距離;δ為脈沖當(dāng)量(定位精度);i為傳動速比;L為工作臺移動的距離。

　　顯然，利用PLC控制步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定位的關(guān)鍵是對PLC產(chǎn)生的脈沖數(shù)的設(shè)定。而脈沖數(shù)與脈沖當(dāng)量、傳動速比、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器的細(xì)分?jǐn)?shù)以及脈沖頻率等都有關(guān)。