利用單片機控制的推進定位控制系統(tǒng)設(shè)計

1 引言

切紙機械是印刷和包裝行業(yè)最常用的設(shè)備之一。切紙機完成的最基本動作是把待裁切的材料送到指定位置，然后進行裁切。其控制的核心是一個單軸定位控制。我公司引進歐洲一家公司的兩臺切紙設(shè)備，其推進定位系統(tǒng)的實現(xiàn)是利用單片機控制的?？刂七^程是這樣的，當(dāng)接收編碼器的脈沖信號達(dá)到設(shè)定值后，單片機系統(tǒng)輸出信號，斷開進給電機的接觸器，同時電磁離合制動器的離合分離，剎車起作用以消除推進系統(tǒng)的慣性，從而實現(xiàn)精確定位。由于設(shè)備的單片機控制系統(tǒng)老化，造成定位不準(zhǔn)，切紙動作紊亂，不能正常生產(chǎn)。但此控制系統(tǒng)是早期產(chǎn)品，沒有合適配件可替換，只能采取改造這一途徑。目前國內(nèi)進行切紙設(shè)備進給定位系統(tǒng)改造主要有兩種方式，一是利用單片機結(jié)合變頻器實現(xiàn)，一是利用單片機結(jié)合伺服系統(tǒng)實現(xiàn)，不過此兩種改造方案成本都在兩萬元以上。并且單片機系統(tǒng)是由專業(yè)開發(fā)公司設(shè)計，技術(shù)保守，一旦出現(xiàn)故障只能交還原公司維修或更換，維修周期長且成本高，不利于改造后設(shè)備的維護和使用。我們結(jié)合自己設(shè)備的特點提出了新的改造方案，就是用PLC的高速計數(shù)器功能結(jié)合變頻器的多段速功能實現(xiàn)定位控制，并利用HMI（人機界面HumanMachineInterface）進行裁切參數(shù)設(shè)定和完成一些手動動作。

2 改造的可行性分析

現(xiàn)在的大多PLC都具有高速計數(shù)器功能，不需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，而切紙機對進給系統(tǒng)的精度和響應(yīng)速度要求不是很高?？梢酝ㄟ^對切紙機進給系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)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(nèi)又可以滿足進給的精度要求。在進給過程中，讓PLC對所接收的脈沖數(shù)與設(shè)定數(shù)值進行比較，根據(jù)比較結(jié)果驅(qū)動相應(yīng)的輸出點對變頻器進行輸出頻率的控制，實現(xiàn)接近設(shè)定值時進給速度變慢，從而減小系統(tǒng)慣性，達(dá)到精確定位的目的。另外當(dāng)今變頻器技術(shù)取得了長足的發(fā)展，使電機在低速時的轉(zhuǎn)矩大幅度提升，從而也保證了進給定位時低速推進的可行性。

3 主要控制部件的選取

3.1 PLC的選取

設(shè)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！

x4前減速位 y4 后退

x5電機運轉(zhuǎn)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小車后位 y12 進給離合

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

x16刀回復(fù)到位

針對這些必需的輸入點數(shù)，選用了FX1s－30MR的PLC，因為選用了人機界面，其它一些手動動作，如前進、后退、換刀等都通過人機界面實現(xiàn)，不需占用PLC輸入點，從而為選用低價位的FX1s系列PLC成為可能，因為FX1s系列PLC輸入點最多只有16點。另外此系列PLC的高速計數(shù)器具有處理頻率高達(dá)60千赫的脈沖的能力，足可以滿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方面，一是PLC接收的最高脈沖頻率，二是進給的精度。我們選用的是編碼器分辨率是500P/R（每轉(zhuǎn)每相輸出500個脈沖）的。通過驗正可以知道此分辨率可以滿足上面兩個條件。驗證所需的參數(shù)：電機最高轉(zhuǎn)速是1500轉(zhuǎn)/分（25轉(zhuǎn)/秒）、進給絲桿的導(dǎo)程是10mm/轉(zhuǎn)。驗證如下：

本系統(tǒng)脈沖最高頻率＝25轉(zhuǎn)/秒×500個/轉(zhuǎn)×2（A/B兩相）＝25KHz

理論進給分辨率＝10mm/500=0.02mm

同時由上面的數(shù)據(jù)知道進給系統(tǒng)每走1mm編碼器發(fā)出50（此數(shù)據(jù)很重要，在PLC程序的數(shù)據(jù)處理中要用到）個脈沖信號。由于此工程中對編碼器的A/B 相脈沖進行了分別計數(shù)，使用了兩個高速計數(shù)器，且在程序中應(yīng)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，因此滿足了第一個條件;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足此要求。

3.3 變頻器和HMI的選取

這兩個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：

F920GOT是帶按鍵型的HMI，它的使用和編程非常簡單方便。它具有以下特點：1）可以方便的實現(xiàn)和PLC的數(shù)據(jù)交換；2）通過本身自帶的6個功能按鍵開關(guān)，可以控制PLC內(nèi)部的軟繼電器，從而可以減少PLC輸入點的使用;3）具有兩個通訊口，一個RS232C（用于和個人電腦通訊）和一個 RS422（用于和PLC通訊），利用電腦和F920GOT相連后不僅可以對HMI進行程序的讀取和上傳，還可以直接對PLC的程序進行上傳下載、調(diào)整和監(jiān)控。

5 PLC和HMI程序的編寫

此工程中程序的難點主要在于數(shù)據(jù)的處理上。在切紙機工作過程中除手動讓進給定位機構(gòu)前進后退外，還要實現(xiàn)等分裁切功能和指定具體位置定位功能，并且 HMI上還要即時顯示定位機構(gòu)的當(dāng)前位置。我們?yōu)榱撕喕绦蛑械挠嬎?，采用了兩個高速計數(shù)器C235和C236。C236通過計算前進后退的脈沖數(shù)，再進行換算后用于顯示進給機構(gòu)的當(dāng)前位置；C235用于進行精確定位。定位過程是這樣的，每次進給機構(gòu)需要定位工作時，通過計算把需要的脈沖數(shù)送到C235，不論進給機構(gòu)前進還是后退C235進行減計數(shù)，同時對C235中的數(shù)值進行比較，根據(jù)比較結(jié)果驅(qū)動相應(yīng)的輸出點對變頻器進行輸出頻率的控制，實現(xiàn)接近設(shè)定值時進給速度變慢，從而達(dá)到精確定位。因為任何系統(tǒng)都有慣性和時間上的遲滯，所以變頻器停止輸出的時間并不是C235中的計數(shù)值減小到0時，而是讓 C235和一個數(shù)據(jù)寄存器D130比較，當(dāng)C235中的值減小到D130中的設(shè)定值時PLC控制變頻器停止輸出。D130的值可通過人機界面進行修改和設(shè)定，在調(diào)試時通過修改這個值，以達(dá)到定位準(zhǔn)確的目的。顯示定位機構(gòu)當(dāng)前位置的程序見下圖1，

圖1顯示定位機構(gòu)當(dāng)前位置程序段

實現(xiàn)定位控制的程序段見下圖2。

圖2定位程序段

還有一個問題是參數(shù)設(shè)定時的小數(shù)點位問題，實際工作中在設(shè)定位置時要精確到0.1mm。這個問題在一些單片機系統(tǒng)中常會遇到，常見的處理辦法是加大一個數(shù)量級，就是設(shè)定數(shù)據(jù)時，在人機界面上用1代替0.1mm，10代替1mm。不過我們在處理此問題時通過HMI中對數(shù)據(jù)的設(shè)置和PLC的程序編寫達(dá)到了所見即所得的效果。HMI中主要是對數(shù)值的格式要設(shè)定好。HMI中的設(shè)置畫面見下圖。

圖3HMI中數(shù)據(jù)設(shè)置畫面

比如我要等分裁切10.5mm的紙，就可以在HMI上設(shè)定為10.5，而不是像我公司其它設(shè)備上要設(shè)為105，但PLC的寄存器D128的內(nèi)容是105而不是10.5，這樣在計算需要的脈沖數(shù)時就要用下面一條命令：

MULD128K5D10（此命令中盡管編程時D11不出現(xiàn)但實際上寄存器D11被占用，不能再應(yīng)用于其它地方，否則會出現(xiàn)問題。）

而不是用：

MULD128K50D10

編程中其它應(yīng)注意的問題。一是雙線圈問題。本工程中利用條件跳轉(zhuǎn)和步進指令避免了雙線圈問題。二是誤信號問題。編碼器是一種比較精密的光電產(chǎn)品，受振動時不可避免的會出現(xiàn)誤信號，而切紙機在執(zhí)行裁切動作時會造成很大振動，如果忽視這個現(xiàn)象，定位精度和執(zhí)行機構(gòu)當(dāng)前位置的顯示都會不準(zhǔn)確。本工程中處理方法參見上面例子程序圖1，只有Y3、Y4接通，即只有進給機構(gòu)前進和后退時才讓C236進行計數(shù)，這樣就屏蔽了裁切時震動造成的誤信號。

6 變頻器的參數(shù)設(shè)置

此工程中需設(shè)定的變頻器的主要參數(shù)見下。

參數(shù) 號名 稱設(shè)定值

0 轉(zhuǎn)矩提升 8%（低速時電機轉(zhuǎn)矩不足時可提高此數(shù)字）

43 速設(shè)定（高速） 30Hz

53 速設(shè)定（中速） 10Hz

63 速設(shè)定（低速） 2Hz

7 加速時間 0.5s

8 減速時間 0.5s

24 多段速設(shè)定（4速）50Hz

79 操作模式 2（只執(zhí)行外部操作）

在調(diào)試過程中為了達(dá)到定位速度和精度的完美結(jié)合，應(yīng)對三段速設(shè)定值，加減速時間和HMI中D130、D200和D202的數(shù)值進行相應(yīng)調(diào)整。

7 結(jié)論

通過上述的改造過程，完全恢復(fù)了我們切紙機的功能，試用三個月以來運行非常穩(wěn)定。由這個應(yīng)用實例可以看出結(jié)合PLC的高速計數(shù)器功能，合理的進行應(yīng)用，在一定場合可以取代高成本的定位控制系統(tǒng)，實現(xiàn)控制系統(tǒng)最優(yōu)的性價比。也迎合了我國當(dāng)前提出的建設(shè)節(jié)約型社會的宗旨。