PLC在準(zhǔn)確定位控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

摘要：為了在一定場合取代高成本的定位控制，實現(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)運行以實現(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)軌的定位控制的實驗，得出了準(zhǔn)確定位控制系統(tǒng)設(shè)計與實施時的關(guān)鍵技術(shù)，并給出了兩種實現(xiàn)準(zhǔn)確定位的控制方案及PLC程序。這種使用PLC實現(xiàn)的定位方法具有快速、準(zhǔn)確、成本低、易于實現(xiàn)的特點，在工業(yè)生產(chǎn)中十分實用。
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

0 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。這種定位控制僅僅要求控制對象按指令進(jìn)入指定的位置，對運動的速度無特殊要求，例如生產(chǎn)過程中的點位控制(比較典型的如臥式鏜床、坐標(biāo)鏜床、數(shù)控機(jī)床等在切削加工前刀具的定位)，倉儲系統(tǒng)中對傳送帶的定位控制，機(jī)械手的軸定位控制等等。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，是實現(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)
實現(xiàn)準(zhǔn)確定位的方法，介紹控制系統(tǒng)在設(shè)計與實施中需要認(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)中定位控制的實現(xiàn)具有較高的實用與參考價值。

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)，從而實現(xiàn)定位控制。
1．2 設(shè)計與實施
    以對傳輸帶的定位控制設(shè)計為例加以說明?，F(xiàn)需要用傳輸帶運送貨物，從貨物運送起點到指定位置(終點)的距離為10 cm?，F(xiàn)要求當(dāng)傳輸帶上的貨物運行10 cm后，傳輸帶電機(jī)停止運行。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)停止運行，從而實現(xiàn)傳輸帶運行距離的準(zhǔn)確定位控制。很顯然，該控制系統(tǒng)中實現(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)可以通過實驗測量也可通過計算得出。計算得出傳輸帶運行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)停止運行。

2 利用PLC的高速脈沖指令控制步進(jìn)電機(jī)實現(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)運動轉(zhuǎn)變成工作臺面的直線運動。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)實現(xiàn)準(zhǔn)確定位的實質(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)的運行，從而推動工作臺移動到達(dá)指定的位置，實現(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)。
2．2 設(shè)計與實施
    以貨物倉儲系統(tǒng)中的對直線導(dǎo)軌的定位控制設(shè)計為例加以說明。在倉儲系統(tǒng)中，要求由步進(jìn)電機(jī)拖動直線導(dǎo)軌將料塊送到指定的倉庫門口。假設(shè)從起點到終點的運送距離為100 mm，即要求由步進(jìn)電機(jī)帶動導(dǎo)軌作直線運動，定位距離為100 mm。為實現(xiàn)準(zhǔn)確定位，系統(tǒng)采用西門子S7-200系列CPU226型PLC、四通57BYG250C混合式步進(jìn)電機(jī)和森創(chuàng)SH-20403步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器等設(shè)備。其中CPU226型PLC的CPU有兩個脈沖發(fā)生器，分別是Q0．0端子和Q0．1端子。這兩個端子均可輸出PTO／PWM高速脈沖信，脈沖頻率可達(dá)20 kHz。根據(jù)控制要求，系統(tǒng)擬采用高速脈沖串輸出PTO功能，PTO功能可輸出一定脈沖個數(shù)和占空比為50％的方波信號。輸出脈沖的周期以μs或ms為增量單位。PTO功能允許多個脈沖串排隊輸出，從而形成流水線。流水線分為兩種：單段流水線和多段流水線。
    為了消除電機(jī)的低頻振蕩，提高分辨率，采用了步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動器，驅(qū)動步距角為0．9°／1．8°，脈沖細(xì)分?jǐn)?shù)設(shè)定為4。為保證速度和定位精度要求，步進(jìn)電機(jī)運行一般要經(jīng)歷三個過程，即啟動加速、恒速運行和接近定位點時的減速運行。為了維護(hù)步進(jìn)電機(jī)以及驅(qū)動設(shè)備，要求驅(qū)動脈沖頻率也線性增大，所以，本定位控制系統(tǒng)采用多管線操作，控制電機(jī)的運行過程。設(shè)直線導(dǎo)軌起始位置在A點，現(xiàn)欲從A點移至D點，其中AD=100 mm。定位精度只與步進(jìn)電機(jī)脈沖當(dāng)量有關(guān)，取脈沖當(dāng)量為0．11 mm／脈沖，則需要900個脈沖完成定位。步進(jìn)電機(jī)運行過程中，要從A點加速到B點后恒速運行，又從C點開始減速到D點完成定位過程用200個脈沖完成升頻加速，500個脈沖恒速運行，200個脈沖完成降頻減速。如圖2所示。

    因此確定PTO為3段脈沖管線(AB，BC，CD)。設(shè)最大脈沖頻率為1 kHz，將16#A0寫入控制字節(jié)SMB67，允許多段PTO脈沖輸出，時基為μs級，建立3段脈沖的包絡(luò)表并對各段參數(shù)分別設(shè)置，給定段的周期增量按下式計算：
    給定段的周期增量=(該段結(jié)束時的周期值-該段初始的周期值)／該段脈沖數(shù)
    包絡(luò)表結(jié)構(gòu)如表1所示。

    參考程序如圖3所示。

    這種控制方式屬于對步進(jìn)電機(jī)的一種開環(huán)控制，其優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、成本低、定位準(zhǔn)確、易于實現(xiàn)等。
2．3 控制系統(tǒng)在設(shè)計與實施過程中的注意事項
    (1)PLC類型的選擇。首先，PLC必須是可以輸出高速脈沖的晶體管輸出形式。其次，PLC輸出最高脈沖頻率大小必須滿足控制要求。
    (2)步進(jìn)電機(jī)脈沖細(xì)分驅(qū)動器的選擇及參數(shù)設(shè)置。
    (3)步進(jìn)電動機(jī)的選擇。首先考慮的是步進(jìn)電動機(jī)的類型選擇，其次才是品種選擇，根據(jù)系統(tǒng)要求，確定步進(jìn)電動機(jī)的電壓值、電流值以及有無定位轉(zhuǎn)矩和使用螺栓機(jī)構(gòu)的定位裝置，從而就可以確定步進(jìn)電動機(jī)的相數(shù)和拍數(shù)。在進(jìn)行步進(jìn)電動機(jī)的品種選擇時，要綜合考慮速比i、軸向力F、負(fù)載轉(zhuǎn)矩Ti、額定轉(zhuǎn)矩TN和運行頻率fy，以確定步進(jìn)電機(jī)的具體規(guī)格和控制裝置。
    (4)脈沖當(dāng)量的計算。

3 利用PLC的其他方式實現(xiàn)的準(zhǔn)確定位
3．1 利用PLC的PID指令及軟、硬件配合實現(xiàn)準(zhǔn)確定位
    例如在氣缸精確定位控制系統(tǒng)中，由PLC、電磁閥、光柵尺、氣缸組成一個閉環(huán)控制系統(tǒng)。其中PLC作為控制運算中心，光柵尺作為檢測裝置檢測氣缸活塞移動量，并將檢測結(jié)果通過PLC的模擬量輸入端子反饋到PLC內(nèi)部，與設(shè)定值比較，并進(jìn)行PID調(diào)節(jié)，PID運算結(jié)果通過PLC的繼電器輸出接口驅(qū)動交流或直流電磁閥，由電磁閥的開關(guān)改變氣缸活塞移動的流量，使氣缸準(zhǔn)確運動到目標(biāo)位置，達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的。
3．2 利用PLC的EM253模塊實現(xiàn)的準(zhǔn)確定位
    EM253位控模塊是S7-200的特殊功能模塊，它能夠產(chǎn)生脈沖串，用于步進(jìn)電機(jī)和伺服電機(jī)的速度和位置開環(huán)控制。它與S7-200系列PLC通過擴(kuò)展的I／O總線通訊。它帶有八個數(shù)字輸出，在I／O的組態(tài)中作為智能模塊，可提供單軸、開環(huán)移動控制所需要的功能和性能。提供高速控制，12～200 000脈沖／s。STEP7-Micro／WIN為位置控制模塊的組態(tài)和編程提供了位置控制向?qū)?，可以生成組態(tài)／包絡(luò)表和位置控制指令，配置EM253的運動參數(shù)、運動軌跡包絡(luò)等。

4 結(jié)語
    實踐證明，本文提出的由PLC、旋轉(zhuǎn)編碼器、伺服電機(jī)等組成的準(zhǔn)確定位控制系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、性價比高、易于實現(xiàn)等優(yōu)點，可廣泛地應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)及軍事領(lǐng)域。如板材的精確定長切割、軍用雷達(dá)定位系統(tǒng)，絲網(wǎng)印刷機(jī)停機(jī)控制、以及在數(shù)控機(jī)床、物料計量、送膜包裝等用異步電機(jī)或步進(jìn)電機(jī)實現(xiàn)的定位控制領(lǐng)域有一定的實用和參考價值。