PLC的高速計數器功能在定位控制上的應用

1 引言

切紙機械是印刷和包裝行業(yè)最常用的設備之一。切紙機完成的最基本動(dòng)作是把待裁切的材料送到指定位置，然后進(jìn)行裁切。其控制的核心是一個(gè)單軸定位控制。我公司引進(jìn)歐洲一家公司的兩臺切紙設備，其推進(jìn)定位系統的實(shí)現是利用單片機控制的?？刂七^(guò)程是這樣的，當接收編碼器的脈沖信號達到設定值后，單片機系統輸出信號，斷開(kāi)進(jìn)給電機的接觸器，同時(shí)電磁離合制動(dòng)器的離合分離，剎車(chē)起作用以消除推進(jìn)系統的慣性，從而實(shí)現精確定位。由于設備的單片機控制系統老化，造成定位不準，切紙動(dòng)作紊亂，不能正常生產(chǎn)。但此控制系統是早期產(chǎn)品，沒(méi)有合適配件可替換，只能采取改造這一途徑。目前國內進(jìn)行切紙設備進(jìn)給定位系統改造主要有兩種方式，一是利用單片機結合變頻器實(shí)現，一是利用單片機結合伺服系統實(shí)現，不過(guò)此兩種改造方案成本都在兩萬(wàn)元以上。并且單片機系統是由專(zhuān)業(yè)開(kāi)發(fā)公司設計，技術(shù)保守，一旦出現故障只能交還原公司維修或更換，維修周期長(cháng)且成本高，不利于改造后設備的維護和使用。我們結合自己設備的特點(diǎn)提出了新的改造方案，就是用PLC的高速計數器功能結合變頻器的多段速功能實(shí)現定位控制，并利用HMI（人機界面Human Machine InteRFace）進(jìn)行裁切參數設定和完成一些手動(dòng)動(dòng)作。

2 改造的可行性分析

現在的大多PLC都具有高速計數器功能，不需增加特殊功能單元就可以處理頻率高達幾十或上百KHz的脈沖信號，而切紙機對進(jìn)給系統的精度和響應速度要求不是很高?？梢酝ㄟ^(guò)對切紙機進(jìn)給系統相關(guān)參數的計算，合理的選用編碼器，讓脈沖頻率即能在PLC處理的范圍內又可以滿(mǎn)足進(jìn)給的精度要求。在進(jìn)給過(guò)程中，讓PLC對所接收的脈沖數與設定數值進(jìn)行比較，根據比較結果驅動(dòng)相應的輸出點(diǎn)對變頻器進(jìn)行輸出頻率的控制，實(shí)現接近設定值時(shí)進(jìn)給速度變慢，從而減小系統慣性，達到精確定位的目的。另外當今變頻器技術(shù)取得了長(cháng)足的發(fā)展，使電機在低速時(shí)的轉矩大幅度提升，從而也保證了進(jìn)給定位時(shí)低速推進(jìn)的可行性。

3 主要控制部件的選取

3.1 PLC的選取

設備需要的輸入輸出信號如下：
x0脈沖輸入
x1脈沖輸入
x2前限位
x3后限位 y3 前進(jìn)!
x4前減速位 y4 后退
x5電機運轉信號 y5 高速
x6刀上位 y6 中速
x7滑刀保護 y7 低速
x10壓紙器上位 y10
x11光電保護 y11
x12小車(chē)后位 y12 進(jìn)給離合
x13雙手下刀按鈕 y13 壓板下
x14停止按鈕 y14 刀離合
x15連桿保護 y15 電機禁啟動(dòng)
x16刀回復到位

針對這些必需的輸入點(diǎn)數，選用了FX1s－30MR的PLC，因為選用了人機界面，其它一些手動(dòng)動(dòng)作，如前進(jìn)、后退、換刀等都通過(guò)人機界面實(shí)現，不需占用PLC輸入點(diǎn)，從而為選用低價(jià)位的FX1s系列PLC成為可能，因為FX1s系列PLC輸入點(diǎn)最多只有16點(diǎn)。另外此系列PLC的高速計數器具有處理頻率高達60千赫的脈沖的能力，足可以滿(mǎn)足切紙機對精度的要求。

3.2 編碼器的選取

編碼器的選取要符合兩個(gè)方面，一是PLC接收的最高脈沖頻率，二是進(jìn)給的精度。我們選用的是編碼器分辨率是500P/R（每轉每相輸出500個(gè)脈沖）的。通過(guò)驗正可以知道此分辨率可以滿(mǎn)足上面兩個(gè)條件。驗證所需的參數：電機最高轉速是1500轉/分（25轉/秒）、進(jìn)給絲桿的導程是10mm/轉。驗證如下：
本系統脈沖最高頻率＝25轉/秒×500個(gè)/轉×2（A/B兩相）＝25KHz
理論進(jìn)給分辨率＝10mm/500=0.02mm
同時(shí)由上面的數據知道進(jìn)給系統每走1mm編碼器發(fā)出50（此數據很重要，在PLC程序的數據處理中要用到）個(gè)脈沖信號。由于此工程中對編碼器的A/B相脈沖進(jìn)行了分別計數，使用了兩個(gè)高速計數器，且在程序中應用了高速定位指令，則此PLC可處理的最高脈沖頻率為30千赫，因此滿(mǎn)足了第一個(gè)條件;我們的切紙機的載切精度要求是0.2mm，可知理論精度完全滿(mǎn)足此要求。

3.3 變頻器和HMI的選取

這兩個(gè)部件我們都選用了三菱公司的產(chǎn)品，分別是FR-E540-0.75K-CH和F920GOT-BBD-K-C。
4 F920GOT-BBD-K-C的特點(diǎn):
F920GOT是帶按鍵型的HMI，它的使用和編程非常簡(jiǎn)單方便。它具有以下特點(diǎn)：1）可以方便的實(shí)現和PLC的數據交換；2）通過(guò)本身自帶的6個(gè)功能按鍵開(kāi)關(guān)，可以控制PLC內部的軟繼電器，從而可以減少PLC輸入點(diǎn)的使用;3）具有兩個(gè)通訊口，一個(gè)RS232C（用于和個(gè)人電腦通訊）和一個(gè)RS422（用于和PLC通訊），利用電腦和F920GOT相連后不僅可以對HMI進(jìn)行程序的讀取和上傳，還可以直接對PLC的程序進(jìn)行上傳下載、調整和監控。
　
5 PLC和HMI程序的編寫(xiě)

此工程中程序的難點(diǎn)主要在于數據的處理上。在切紙機工作過(guò)程中除手動(dòng)讓進(jìn)給定位機構前進(jìn)后退外，還要實(shí)現等分裁切功能和指定具體位置定位功能，并且HMI上還要即時(shí)顯示定位機構的當前位置。我們?yōu)榱撕?jiǎn)化程序中的計算，采用了兩個(gè)高速計數器C235和C236。C236通過(guò)計算前進(jìn)后退的脈沖數，再進(jìn)行換算后用于顯示進(jìn)給機構的當前位置；C235用于進(jìn)行精確定位。定位過(guò)程是這樣的，每次進(jìn)給機構需要定位工作時(shí)，通過(guò)計算把需要的脈沖數送到C235，不論進(jìn)給機構前進(jìn)還是后退C235進(jìn)行減計數，同時(shí)對C235中的數值進(jìn)行比較，根據比較結果驅動(dòng)相應的輸出點(diǎn)對變頻器進(jìn)行輸出頻率的控制，實(shí)現接近設定值時(shí)進(jìn)給速度變慢，從而達到精確定位。因為任何系統都有慣性和時(shí)間上的遲滯，所以變頻器停止輸出的時(shí)間并不是C235中的計數值減小到0時(shí)，而是讓C235和一個(gè)數據寄存器D130比較，當C235中的值減小到D130中的設定值時(shí)PLC控制變頻器停止輸出。D130的值可通過(guò)人機界面進(jìn)行修改和設定，在調試時(shí)通過(guò)修改這個(gè)值，以達到定位準確的目的。顯示定位機構當前位置的程序見(jiàn)下圖1。