PLC在多點(diǎn)定位及往返系統(tǒng)中的控制研究

在往返式傳動(dòng)控制系統(tǒng)中，很多時(shí)候都會(huì)涉及到多點(diǎn)定位問題。即要求在不同的定位點(diǎn)啟動(dòng)不同的機(jī)械動(dòng)作。但由于機(jī)械慣性的作用，常常會(huì)給系統(tǒng)帶來定點(diǎn)誤差。本系統(tǒng)以龍門刨床的機(jī)械傳動(dòng)為例，采用PLC作為控制器，通過變頻器調(diào)節(jié)速度，利用光電編碼器和PLC高速計(jì)數(shù)器進(jìn)行定位控制，從而實(shí)現(xiàn)精確定位。
關(guān)鍵字：變頻器; PLC; 高速計(jì)數(shù)器; 光電編碼器

1 龍門刨床的機(jī)械傳動(dòng)控制要求

圖1所示的龍門刨床的機(jī)械傳動(dòng)示意圖。傳動(dòng)系統(tǒng)從原點(diǎn)啟動(dòng)，中速行駛到1000mm，開始高速行駛，高速行駛到3000mm，開始低速爬行，低速爬行到終點(diǎn)（3200mm）停車。停頓2s。反向高速行駛，高速行駛到距原點(diǎn)200mm處開始低速爬行。到達(dá)原點(diǎn)停車，停頓2s后重新開始往返。在原點(diǎn)和終點(diǎn)低速爬行的目的是為了避免系統(tǒng)慣性帶來的定點(diǎn)誤差，做到原點(diǎn)和終點(diǎn)的精確定位停車。

圖1 往返式機(jī)械傳動(dòng)示意圖

2 龍門刨床機(jī)械傳動(dòng)的PLC控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)對(duì)變頻器的控制要求

變頻器的正反轉(zhuǎn)由繼電器K1、K2控制，速度的切換由繼電器K3、K4完成。變頻器故障報(bào)警輸出觸點(diǎn)（30A、30C觸點(diǎn)）用于立即停止高速計(jì)數(shù)器運(yùn)行，并由指示燈HR指示。

變頻器具有多段速度設(shè)定功能，當(dāng)K3、K4兩個(gè)繼電器觸點(diǎn)都斷開時(shí)，高速行駛（第一速度）;K3閉合，K4斷開時(shí)，中速行駛（第二速度）;K3斷開，K4閉合時(shí)，低速行駛（第三速度）;K3、K4都閉合時(shí)，手動(dòng)調(diào)節(jié)行駛（第四速度）。

旋鈕SF用于手動(dòng)/自動(dòng)切換，并用指示燈HG1表示自動(dòng)狀態(tài)。手動(dòng)時(shí)，能夠通過按鈕SA1（電機(jī)正轉(zhuǎn)）和SA2（電機(jī)反轉(zhuǎn)）手動(dòng)調(diào)節(jié)傳動(dòng)系統(tǒng)的位置。

按鈕SA用于傳動(dòng)系統(tǒng)在自動(dòng)狀態(tài)下的啟動(dòng)/停止控制。采用“一鍵開關(guān)機(jī)”方式實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)/停止控制，用指示燈HG2表示啟動(dòng)狀態(tài)。

行程開關(guān)SQ用于自動(dòng)啟動(dòng)時(shí)，確定傳動(dòng)系統(tǒng)在原點(diǎn)位置，自動(dòng)停止時(shí)，傳動(dòng)系統(tǒng)必須返回原點(diǎn)。行程開關(guān)SQ1、SQ2用于傳動(dòng)系統(tǒng)的兩端限位，確保傳動(dòng)系統(tǒng)不能脫離設(shè)備。

2.2 PLC系統(tǒng)硬件系統(tǒng)的構(gòu)成及連接

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)龍門刨床機(jī)械傳動(dòng)的精確定位，本系統(tǒng)采用PLC作為控制器，通過變頻器進(jìn)行速度調(diào)節(jié)，采用光電編碼器和PLC高速計(jì)數(shù)器進(jìn)行定位控制。根據(jù)龍門刨床的機(jī)械傳動(dòng)控制要求，系統(tǒng)中有開關(guān)量輸入點(diǎn)8個(gè)，開關(guān)量輸出點(diǎn)7個(gè)，光電編碼器A相輸入一個(gè)，因此選用SIEMENS的CPU224作為控制器，其I/O點(diǎn)的分配及系統(tǒng)接線如圖2所示。

圖2 龍門刨床機(jī)械傳動(dòng)PLC控制系統(tǒng)接線圖

3 PLC梯形圖程序的設(shè)計(jì)

PLC的梯形圖程序設(shè)計(jì)包含主程序（用于實(shí)時(shí)調(diào)用手動(dòng)子程序SBR_0和自動(dòng)子程序SBR_1）、子程序SBR_0（用于實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的手動(dòng)控制）和SBR_1（用于實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的自動(dòng)控制）和中斷處理程序INT_0程序（用于處理高速計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)當(dāng)前值到達(dá)不同預(yù)置值的處理）。由于篇幅所限，以下將以中斷處理程序INT_0程序?yàn)槔f明變頻器對(duì)速度的控制和調(diào)節(jié)。其梯形圖如下。

4 梯形圖設(shè)計(jì)過程中要注意的幾個(gè)關(guān)鍵問題

4.1通過多次更改高速計(jì)數(shù)器的中斷和預(yù)置值實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)定位

實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)定位控制的關(guān)鍵包括兩點(diǎn)，第一點(diǎn)是設(shè)置高速計(jì)數(shù)器中斷事件12（計(jì)數(shù)器當(dāng)前值=計(jì)數(shù)器預(yù)置值），另一點(diǎn)就是在中斷處理程序中更改高速計(jì)數(shù)器預(yù)置值。

定位控制需要測量定位點(diǎn)與原點(diǎn)的距離，然后將單位距離（mm）轉(zhuǎn)換成脈沖量，通過光電編碼器和PLC高速計(jì)數(shù)器記錄脈沖量的變化。本系統(tǒng)中，光電編碼器的機(jī)械軸和電動(dòng)機(jī)同軸。傳動(dòng)比=10，用于驅(qū)動(dòng)設(shè)備的傳動(dòng)輥直徑=100mm，光電編碼器每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)=600個(gè)/轉(zhuǎn)。可以計(jì)算出每毫米距離的脈沖數(shù)為：

每毫米距離的脈沖數(shù)=600÷（10×100×3.14）≈0.19108脈沖/mm

定點(diǎn)位和預(yù)置值比較，必須采用高速計(jì)數(shù)器中斷方式，而不能采用一般的比較指令。因?yàn)橐话愕谋容^指令無法捕捉高速變化的事件。

所以，必須通過ATCH和ENI指令將高速計(jì)數(shù)器中斷事件號(hào)12（（計(jì)數(shù)器當(dāng)前值=計(jì)數(shù)器預(yù)置值）與中斷處理程序INT_0連接。在中斷處理程序INT_0中，到達(dá)預(yù)置值時(shí)，重新裝載下一次的預(yù)置值，并執(zhí)行工藝要求的繼電器輸出，處理變頻器的運(yùn)行速度。

在自動(dòng)子程序SBR_1中，將高速計(jì)數(shù)器HC0設(shè)置為單相計(jì)數(shù)輸入，沒有外部控制功能。在原點(diǎn)和終點(diǎn)通過更改計(jì)數(shù)方向，便于中斷處理程序INT_0判斷變頻器的運(yùn)行方向。

4.2 在中斷處理程序INT_0中不能使用等于比較指令

由于在一個(gè)中斷處理程序INT_0中判斷處理多個(gè)預(yù)置值。需要比較指令和計(jì)數(shù)方向來判斷目前高速計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)當(dāng)前值在哪個(gè)階段，根據(jù)判斷來決定執(zhí)行那一段指令。但是，判斷不能使用等于比較指令，應(yīng)該使用大于或小于指令判斷。

盡管中斷事件（計(jì)數(shù)器當(dāng)前值=計(jì)數(shù)器預(yù)置值）發(fā)生時(shí)，PLC立即中斷當(dāng)前主程序、子程序，執(zhí)行中斷處理程序INT_0中的指令。但是，在中斷處理程序INT_0中，PLC仍然是按照逐條逐行的掃描機(jī)制執(zhí)行。而高速變化的計(jì)數(shù)值不可能和中斷處理程序執(zhí)行同步，如果采用等于比較指令，PLC在執(zhí)行中斷處理程序時(shí)，可能會(huì)錯(cuò)過等于值，使PLC在中斷處理程序中無法判斷設(shè)備運(yùn)行到哪個(gè)階段。

4.3 在自動(dòng)運(yùn)行時(shí)，高速計(jì)數(shù)器的初始值寄存器寫入必須禁止

由于多點(diǎn)定位需要多次裝載預(yù)置值，寫入預(yù)置值必須執(zhí)行HSC指令。

執(zhí)行HSC寫入指令，不單單是寫入預(yù)置值，如果在控制字節(jié)中不加以限制，初始值寄存器SMD38中的值同樣寫入。而SMD38=0，這樣，就會(huì)使高速計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)當(dāng)前值置0。因此，在自動(dòng)運(yùn)行時(shí)，必須設(shè)置控制字節(jié)SMB37的第七位SM37.6為0，在裝載預(yù)置值時(shí)，禁止寫入初始值。

但是，在高速計(jì)數(shù)器初始設(shè)置和返回原點(diǎn)重新開始運(yùn)行時(shí)，又必須寫入初始值，使初始值置0，避免機(jī)械原因帶來的誤差。因此，控制字節(jié)必須多次修改。遵循的原則是：允許寫入初始值、執(zhí)行HSC指令后，必須馬上修改控制字節(jié)，禁止初始值寫入，并再次執(zhí)行HSC指令，中間不能有其它指令存在。

4.4 多點(diǎn)定位的輸出線圈盡量采用立即指令

采用高速計(jì)數(shù)器進(jìn)行多點(diǎn)定位，主要為了精確定位。定位精度既決定于高速計(jì)數(shù)器的測量，同時(shí)也決定于執(zhí)行機(jī)構(gòu)的執(zhí)行快速性。

如果采用普通輸出指令，在一個(gè)掃描周期的程序執(zhí)行階段，改變的僅僅是輸出映像存儲(chǔ)器，PLC的輸出點(diǎn)不會(huì)立即刷新，只有在程序執(zhí)行完畢后，PLC的輸出映像存儲(chǔ)器才能對(duì)輸出點(diǎn)刷新，執(zhí)行輸出。

為了增加定位精度，盡量采用立即輸出指令。立即輸出指令不受PLC掃描周期階段的限制，在改變輸出映像存儲(chǔ)器的同時(shí)，立即刷新PLC輸出點(diǎn)。

4.5自動(dòng)/手動(dòng)程序采用For-Next循環(huán)指令和子程序指令實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)中的自動(dòng)/手動(dòng)功能通過采用For-Next指令和子程序指令實(shí)現(xiàn)。自動(dòng)程序和手動(dòng)程序?qū)嶋H上就是兩個(gè)循環(huán)指令的循環(huán)體。而循環(huán)指令僅執(zhí)行一次循環(huán)掃描刷新。

手動(dòng)子程序SBR_0和自動(dòng)子程序SBR_1用于整個(gè)程序的分段，便于程序的理解，增加程序的可讀性。For-Next循環(huán)指令的作用是使輸出線圈能夠重復(fù)使用，簡化程序。

中斷處理程序：INT_0

當(dāng)變頻器正向運(yùn)行（由SM36.5判斷，增計(jì)數(shù)為正向運(yùn)行，SM36.5=1），高速計(jì)數(shù)器當(dāng)前值等于19108（1000mm）時(shí)，繼電器K3（Q0.2）、K4（Q0.3）斷開，變頻器速度設(shè)定為高速正向行駛（第一速度）。同時(shí)將高速計(jì)數(shù)器預(yù)置值更改為57325（3000mm）。

當(dāng)變頻器正向運(yùn)行，高速計(jì)數(shù)器當(dāng)前值等于59325（3000mm）時(shí)，繼電器K3（Q0.2）斷開、K4（Q0.3）接通，變頻器速度設(shè)定為低速正向爬行行駛（第三速度）。同時(shí)將高速計(jì)數(shù)器預(yù)置值更改為61146（3200mm）。

當(dāng)變頻器正向運(yùn)行，高速計(jì)數(shù)器當(dāng)前值等于61146（3200mm）時(shí)，表明達(dá)到終點(diǎn)，繼電器K1（Q0.0）、K2（Q0.1）、K3（Q0.2）、K4（Q0.3）全部復(fù)位斷開，變頻器立即停止運(yùn)行。同時(shí)，發(fā)出終點(diǎn)到達(dá)信號(hào)M0.1，讓子程序SBR_1處理停頓2s時(shí)間，并由SBR_1處理反向運(yùn)行設(shè)置。

當(dāng)變頻器反向運(yùn)行（由SM36.5判斷，減計(jì)數(shù)為反向運(yùn)行，SM36.5=0），高速計(jì)數(shù)器當(dāng)前值等于3822（200mm）時(shí)，繼電器K3（Q0.2）斷開、K4（Q0.3）接通，變頻器速度設(shè)定為低速反向爬行行駛（第三速度）。同時(shí)將高速計(jì)數(shù)器預(yù)置值更改為0。

當(dāng)變頻器反向運(yùn)行（由SM36.5判斷，減計(jì)數(shù)為反向運(yùn)行，SM36.5=0），高速計(jì)數(shù)器當(dāng)前值等于0時(shí)，表明變頻器返回到達(dá)原點(diǎn)。繼電器K1（Q0.0）、K2（Q0.1）、K3（Q0.2）、K4（Q0.3）全部復(fù)位斷開，變頻器立即停止運(yùn)行。同時(shí)，發(fā)出原點(diǎn)到達(dá)信號(hào)M0.0，讓子程序SBR_1處理停頓2s時(shí)間，并由SBR_1處理正向重新運(yùn)行設(shè)置。

本文創(chuàng)新點(diǎn)：

往返式傳動(dòng)控制系統(tǒng)的多點(diǎn)定位是一個(gè)較難解決的問題，本系統(tǒng)采用PLC作為控制器，通過變頻調(diào)速，利用光電編碼器和PLC高速計(jì)數(shù)器進(jìn)行定位控制，克服了往返式傳動(dòng)控制系統(tǒng)中由于機(jī)械慣性的作用給系統(tǒng)帶來的定點(diǎn)誤差，從而實(shí)現(xiàn)了精確定位。