PLC在多點定位及往返系統(tǒng)中的控制研究

在往返式傳動控制系統(tǒng)中，很多時候都會涉及到多點定位問題。即要求在不同的定位點啟動不同的機械動作。但由于機械慣性的作用，常常會給系統(tǒng)帶來定點誤差。本系統(tǒng)以龍門刨床的機械傳動為例，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高速計數(shù)器進行定位控制，從而實現(xiàn)精確定位。
關(guān)鍵字：變頻器; PLC; 高速計數(shù)器; 光電編碼器

1 龍門刨床的機械傳動控制要求

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

圖1 往返式機械傳動示意圖

2 龍門刨床機械傳動的PLC控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 系統(tǒng)對變頻器的控制要求

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。變頻器故障報警輸出觸點（30A、30C觸點）用于立即停止高速計數(shù)器運行，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、K4兩個繼電器觸點都斷開時，高速行駛（第一速度）;K3閉合，K4斷開時，中速行駛（第二速度）;K3斷開，K4閉合時，低速行駛（第三速度）;K3、K4都閉合時，手動調(diào)節(jié)行駛（第四速度）。

旋鈕SF用于手動/自動切換，并用指示燈HG1表示自動狀態(tài)。手動時，能夠通過按鈕SA1（電機正轉(zhuǎn)）和SA2（電機反轉(zhuǎn)）手動調(diào)節(jié)傳動系統(tǒng)的位置。

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

行程開關(guān)SQ用于自動啟動時，確定傳動系統(tǒng)在原點位置，自動停止時，傳動系統(tǒng)必須返回原點。行程開關(guān)SQ1、SQ2用于傳動系統(tǒng)的兩端限位，確保傳動系統(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

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

圖2 龍門刨床機械傳動PLC控制系統(tǒng)接線圖

3 PLC梯形圖程序的設(shè)計

PLC的梯形圖程序設(shè)計包含主程序（用于實時調(diào)用手動子程序SBR_0和自動子程序SBR_1）、子程序SBR_0（用于實現(xiàn)對系統(tǒng)的手動控制）和SBR_1（用于實現(xiàn)對系統(tǒng)的自動控制）和中斷處理程序INT_0程序（用于處理高速計數(shù)器計數(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程序為例，說明變頻器對速度的控制和調(diào)節(jié)。其梯形圖如下。

4 梯形圖設(shè)計過程中要注意的幾個關(guān)鍵問題

4.1通過多次更改高速計數(shù)器的中斷和預(yù)置值實現(xiàn)多點定位

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

定位控制需要測量定位點與原點的距離，然后將單位距離（mm）轉(zhuǎn)換成脈沖量，通過光電編碼器和PLC高速計數(shù)器記錄脈沖量的變化。本系統(tǒng)中，光電編碼器的機械軸和電動機同軸。傳動比=10，用于驅(qū)動設(shè)備的傳動輥直徑=100mm，光電編碼器每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)=600個/轉(zhuǎn)?？梢杂嬎愠雒亢撩拙嚯x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

定點位和預(yù)置值比較，必須采用高速計數(shù)器中斷方式，而不能采用一般的比較指令。因為一般的比較指令無法捕捉高速變化的事件。

所以，必須通過ATCH和ENI指令將高速計數(shù)器中斷事件號12（（計數(shù)器當(dāng)前值=計數(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，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，處理變頻器的運行速度。

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

4.2 在中斷處理程序INT_0中不能使用等于比較指令

由于在一個中斷處理程序INT_0中判斷處理多個預(yù)置值。需要比較指令和計數(shù)方向來判斷目前高速計數(shù)器計數(shù)當(dāng)前值在哪個階段，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（計數(shù)器當(dāng)前值=計數(shù)器預(yù)置值）發(fā)生時，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制執(zhí)行。而高速變化的計數(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，可能會錯過等于值，使PLC在中斷處理程序中無法判斷設(shè)備運行到哪個階段。

4.3 在自動運行時，高速計數(shù)器的初始值寄存器寫入必須禁止

由于多點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，就會使高速計數(shù)器計數(shù)當(dāng)前值置0。因此，在自動運行時，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，禁止寫入初始值。

但是，在高速計數(shù)器初始設(shè)置和返回原點重新開始運行時，又必須寫入初始值，使初始值置0，避免機械原因帶來的誤差。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 多點定位的輸出線圈盡量采用立即指令

采用高速計數(shù)器進行多點定位，主要為了精確定位。定位精度既決定于高速計數(shù)器的測量，同時也決定于執(zhí)行機構(gòu)的執(zhí)行快速性。

如果采用普通輸出指令，在一個掃描周期的程序執(zhí)行階段，改變的僅僅是輸出映像存儲器，PLC的輸出點不會立即刷新，只有在程序執(zhí)行完畢后，PLC的輸出映像存儲器才能對輸出點刷新，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器的同時，立即刷新PLC輸出點。

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

本系統(tǒng)中的自動/手動功能通過采用For-Next指令和子程序指令實現(xiàn)。自動程序和手動程序?qū)嶋H上就是兩個循環(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。

手動子程序SBR_0和自動子程序SBR_1用于整個程序的分段，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)變頻器正向運行（由SM36.5判斷，增計數(shù)為正向運行，SM36.5=1），高速計數(shù)器當(dāng)前值等于19108（1000mm）時，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）。同時將高速計數(shù)器預(yù)置值更改為57325（3000mm）。

當(dāng)變頻器正向運行，高速計數(shù)器當(dāng)前值等于59325（3000mm）時，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）。同時將高速計數(shù)器預(yù)置值更改為61146（3200mm）。

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

當(dāng)變頻器反向運行（由SM36.5判斷，減計數(shù)為反向運行，SM36.5=0），高速計數(shù)器當(dāng)前值等于3822（200mm）時，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）。同時將高速計數(shù)器預(yù)置值更改為0。

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

本文創(chuàng)新點：

往返式傳動控制系統(tǒng)的多點定位是一個較難解決的問題，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高速計數(shù)器進行定位控制，克服了往返式傳動控制系統(tǒng)中由于機械慣性的作用給系統(tǒng)帶來的定點誤差，從而實現(xiàn)了精確定位。