淺談PLC的高速計數器功能在定位控制中的應用

1引言

切紙機械是印刷和包裝行業(yè)最常用的設備之一。paper cutter造紙工業(yè)中切裁成平板紙的設備。分為甩刀切紙機（又分單刀和雙刀兩種）和平刀切紙機兩類(lèi)。甩刀切紙機包括由上刀、下刀組成的縱切機構，回轉長(cháng)刀與固定底刀組成的橫切機構?？赏瑫r(shí)分切6~10個(gè)紙卷。平刀切紙機是平臺上有可升降的閘刀，將平張紙再切規定的尺寸。用于將大張紙切成小尺寸紙用。切紙機械由生活用紙切紙機和工業(yè)用切紙機組成，種類(lèi)繁多，自動(dòng)化程度不一。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。HMI是Human Machine Interface的縮寫(xiě)，“人機接口”，也叫人機界面。人機界面（又稱(chēng)用戶(hù)界面或使用者界面）是系統和用戶(hù)之間進(jìn)行交互和信息交換的媒介，它實(shí)現信息的內部形式與人類(lèi)可以接受形式之間的轉換。凡參與人機信息交流的領(lǐng)域都存在著(zhù)人機界面。

機界面產(chǎn)品由硬件和軟件兩部分組成，硬件部分包括處理器、顯示單元、輸入單元、通訊接口、數據存儲單元等，其中處理器的性能決定了HMI產(chǎn)品的性能高低，是HMI的核心單元。根據HMI的產(chǎn)品等級不同，處理器可分別選用8位、16位、32位的處理器。HMI軟件一般分為兩部分，即運行于HMI硬件中的系統軟件和運行于PC機Windows操作系統下的畫(huà)面組態(tài)軟件（如JB－HMI畫(huà)面組態(tài)軟件）。使用者都必須先使用HMI的畫(huà)面組態(tài)軟件制作“工程文件”，再通過(guò)PC機和HMI產(chǎn)品的串行通訊口，把編制好的“工程文件”下載到HMI的處理器中運行。

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。

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。

PLC = Programmable Logic Controller，可編程邏輯控制器，一種數字運算操作的電子系統，專(zhuān)為在工業(yè)環(huán)境應用而設計的。它采用一類(lèi)可編程的存儲器，用于其內部存儲程序，執行邏輯運算，順序控制，定時(shí)，計數與算術(shù)操作等面向用戶(hù)的指令，并通過(guò)數字或模擬式輸入/輸出控制各種類(lèi)型的機械或生產(chǎn)過(guò)程。是工業(yè)控制的核心部分。早期的可編程控制器稱(chēng)作可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC），它主要用來(lái)代替繼電器實(shí)現邏輯控制。隨著(zhù)技術(shù)的發(fā)展，這種采用微型計算機技術(shù)的工業(yè)控制裝置的功能已經(jīng)大大超過(guò)了邏輯控制的范圍，因此，今天這種裝置稱(chēng)作可編程控制器，簡(jiǎn)稱(chēng)PC.但是為了避免與個(gè)人計算機（Personal Computer）的簡(jiǎn)稱(chēng)混淆，所以將可編程序控制器簡(jiǎn)稱(chēng)PLC，plc自1966年美國數據設備公司（DEC）研制出現，現行美國，日本，德國的可編程序控制器質(zhì)量?jì)?yōu)良，功能強大。

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.


圖1顯示定位機構當前位置程序段