PLC在數(shù)控系統(tǒng)點位控制中的應用

一、 引言

　　數(shù)控技術(shù)是綜合應用了電子技術(shù)、計算技術(shù)、自動控制與自動檢測等現(xiàn)代科學技術(shù)成就而發(fā)展起來的，目前在許多領(lǐng)域尤其是在機械加工行業(yè)中的應用日益廣泛。
　　數(shù)控系統(tǒng)按其控制方式劃分有點位控制系統(tǒng)、直線控制系統(tǒng)、連續(xù)控制系統(tǒng)。在機械加工時，數(shù)控系統(tǒng)的點位控制一般用在孔加工機床上（例如鉆孔、鉸孔、鏜孔的數(shù)控機床），其特點是，機床移動部件能實現(xiàn)由一個位置到另一個位置的精確移動，即準確控制移動部件的終點位置，但并不考慮其運動軌跡，在移動過程中刀具不切削工件。
　　實現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)點位控制的通常方法可以有兩種：一是采用全功能的數(shù)控裝置，這種裝置功能十分完善，但其價格卻很昂貴，而且許多功能對點位控制來說是多余的；二是采用單板機或單片機控制，這種方法除了要進行軟件開發(fā)外，還要設(shè)計硬件電路、接口電路、驅(qū)動電路，特別是要考慮工業(yè)現(xiàn)場中的抗干擾問題。
　　由于可編程控制器（PLC）是專為在工業(yè)環(huán)境下應用而設(shè)計的一種工業(yè)控制計算機，具有抗干擾能力強、可靠性極高、體積小、是實現(xiàn)機電一體化的理想控制裝置等顯著優(yōu)點，因此通過實踐與深入研究，本文提出了利用PLC控制步進電機實現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)點位控制功能的有關(guān)見解與方法，介紹了控制系統(tǒng)研制中需要認識與解決的若干問題，給出了控制系統(tǒng)方案及軟硬件結(jié)構(gòu)的設(shè)計思路，對于工礦企業(yè)實現(xiàn)相關(guān)機床改造具有較高的應用與參考價值。

二、控制系統(tǒng)研制中需要認識與解決的若干問題

　　1. 防止步進電機運行時出現(xiàn)失步和誤差
　　步進電機是一種性能良好的數(shù)字化執(zhí)行元件，在數(shù)控系統(tǒng)的點位控制中，可利用步進電機作為驅(qū)動電機。在開環(huán)控制中，步進電機由一定頻率的脈沖控制。由PLC直接產(chǎn)生脈沖來控制步進電機可以有效地簡化系統(tǒng)的硬件電路，進一步提高可靠性。由于PLC是以循環(huán)掃描方式工作，其掃描周期一般在幾毫秒至幾十毫秒之間，因此受到PLC工作方式的限制以及掃描周期的影響，步進電機不能在高頻下工作。例如，若控制步進電機的脈沖頻率為4000HZ，則脈沖周期為0.25毫秒，這樣脈沖周期的數(shù)量級就比掃描周期小很多，如采用此頻率來控制步進電機。則PLC在還未完成輸出刷新任務時就已經(jīng)發(fā)出許多個控制脈沖，但步進電機仍一動不動，出現(xiàn)了嚴重的失步現(xiàn)象。若控制步進電機的脈沖頻率為100HZ，則脈沖周期為10毫秒，與PLC的掃描周期約處于同一數(shù)量級，步進電機運行時亦可能會產(chǎn)生較大的誤差。因此用PLC驅(qū)動步進電機時，為防止步進電機運行時出現(xiàn)失步與誤差，步進電機應在低頻下運行，脈沖信號頻率選為十至幾十赫茲左右，這可以利用程序設(shè)計加以實現(xiàn)。

　　2. 保證定位精度與提高定位速度之間的矛盾
　　步進電機的轉(zhuǎn)速與其控制脈沖的頻率成正比，當步進電機在極低頻下運行時，其轉(zhuǎn)速必然很低。而為了保證系統(tǒng)的定位精度，脈沖當量即步進電機轉(zhuǎn)一個步距角時刀具或工作臺移動的距離又不能太大，這兩個因素合在一起帶來了一個突出問題：定位時間太長。例如若步進電機的工作頻率為20HZ，即50ms走一步，取脈沖當量為δ＝0.01mm/步，則1秒鐘刀具或工作臺移動的距離為20x0.01＝0.2mm，1分鐘移動的距離為60x0.2＝12mm，如果定位距離為120mm，則定位時間需要10分鐘，如此慢的定位速度在實際運行中是難以忍受的。
　　為了保證定位精度，脈沖當量不能太大，但卻影響了定位速度。因此如何既能提高定位速度，同時又能保證定位精度是一項需要認真考慮并切實加以解決的問題。

　　3. 可變控制參數(shù)的在線修改
　　PLC應用于點位控制時，用戶顯然希望當現(xiàn)場條件發(fā)生變化時，系統(tǒng)的某些控制參數(shù)能作相應的修改，例如步進電機步數(shù)的改變，速度的調(diào)整等。為滿足生產(chǎn)的連續(xù)性，要求對控制系統(tǒng)可變參數(shù)的修改應在線進行。盡管使用編程器可以方便快速地改變原設(shè)定參數(shù)，但編程器一般不能交現(xiàn)場操作人員使用；雖然利用PLC的輸入按鍵并配合軟件設(shè)計也能實現(xiàn)控制參數(shù)的在線修改，但由于PLC沒有提供數(shù)碼顯示單元，因此需要為此單獨設(shè)計數(shù)碼輸入顯示電路，這又將極大地占用PLC的輸入點，導致硬件成本增加，而且操作不便，數(shù)據(jù)輸入速度慢。所以，應考慮開發(fā)其他簡便有效的方法實現(xiàn)PLC的可變控制參數(shù)的在線修改。

　　4. 其他問題
　　為了實現(xiàn)點位控制過程中數(shù)字變化的顯示及故障輸出代碼的顯示等要求，另外還得單獨設(shè)計PLC的數(shù)碼輸出顯示電路。由于目前PLC I/O點的價格仍較高，因此應著重考慮選用能壓縮顯示輸出點的合適方法。此外，為保證控制系統(tǒng)的安全與穩(wěn)定運行，還應解決控制系統(tǒng)的安全保護問題，如系統(tǒng)的行程保護、故障元件的自動檢測等。

三、控制系統(tǒng)方案

　　1. 將定位過程劃分為脈沖當量不同的兩個階段
　　要獲得高的定位速度，同時又要保證定位精度，可以把整個定位過程劃分為兩個階段：粗定位階段和精定位階段。這兩個階段均采用相同頻率的脈沖控制步進電機，但采用不同的脈沖當量。粗定位階段：由于在點位過程中，刀具不切削工件，因此在這一階段，可采用較大的脈沖當量，如0.1mm/步或1mm/步，甚至更高。例如步進電機控制脈沖頻率為20HZ，脈沖當量為0.1mm/步，定位距離為120mm，則走完全程所需時間為1分鐘，這樣為速度顯然已能滿足要求。精定位階段：當使用較大的脈沖當量使刀具或工作臺快速移動至接近定位點時，（即完成粗定位階段），為了保證定位精度，再換用較小的脈沖當量進入精定位階段，讓刀具或工作臺慢慢趨近于定位點，例如取脈沖當量為0.01mm/步。盡管脈沖當量變小，但由于精定位行程很短（可定為全行程的五十分之一左右），因此并不會影響到定位速度。
　　為了實現(xiàn)上述目的，在機械方面，應采用兩套變速機構(gòu)。在粗定位階段，由步進電機直接驅(qū)動刀具或工作臺傳動，在精定位階段，則采用降速傳動。這兩套變速機構(gòu)使用哪一套，由電磁離合器控制。

　　2. 應用功能指令實現(xiàn)BCD碼撥盤數(shù)據(jù)輸入
　　目前較為先進的PLC不僅具有滿足順序控制要求的基本邏輯指令，而且還提供了豐富的功能指令。如果說基本邏輯指令是對繼電器控制原理的一種抽象提高的話，那么功能指令就象是對匯編語言的一種抽象提高。BCD碼數(shù)據(jù)撥盤是計算機控制系統(tǒng)中常用到的十進制撥盤數(shù)據(jù)輸入裝置。撥盤共有0~9+個位置，每一位置都有相應的數(shù)字指示。一個撥盤可代表一位十進制數(shù)據(jù)，若需輸入多位數(shù)據(jù)，可以用多片BCD碼撥盤并聯(lián)使用。
　　筆者選用BCD碼撥盤裝置應用于PLC控制的系統(tǒng)，這樣無需再設(shè)計數(shù)碼輸入顯示電路，有效地節(jié)省了PLC的輸入點，簡化了硬件電路，并利用先進的功能指令實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲和傳輸，因此能極方便地實現(xiàn)數(shù)據(jù)的在線輸入或修改（如計數(shù)器設(shè)定值的修改等），若配合簡單的硬件譯碼電路，就可顯示有關(guān)參數(shù)的動態(tài)變化（如電機步數(shù)的遞減變化等）。為避免在系統(tǒng)運行中撥動撥盤可能給系統(tǒng)造成的波動，最好設(shè)置一輸入鍵，當確認各片撥盤都撥到位后再按該鍵，這時數(shù)據(jù)才被PLC讀入并處理。

　　3. “軟件編碼、硬件解碼”
　　為滿足壓縮輸出點這一前提條件，采用“軟件編碼、硬件解碼”的方法設(shè)計PLC的數(shù)碼輸出顯示電路。例如，對于9種及其以下的故障狀態(tài)顯示，可采用8-4軟件編碼，4-8硬件解碼，使顯示故障的輸出點壓縮為4個，硬件電路包含74LS04、74LS48、共陰數(shù)碼管等器件。

　　4. PLC外部元件故障的自動檢測
　　由于PLC具有極高的可靠性，因此PLC控制系統(tǒng)中絕大部分的故障不是來自PLC本身，而是由于外部元件故障引起的，例如常見的按鈕或行程開關(guān)觸點的熔焊及氧化就分別對應著短路故障及開路故障。系統(tǒng)一旦自動檢測到元件故障，應不僅具有聲光報警功能，而且能立即顯示故障代碼，以便用戶據(jù)此迅速判斷出故障原因。為節(jié)省篇幅，此項內(nèi)容的程序設(shè)計思路見參考文獻。

四、控制系統(tǒng)的軟硬件結(jié)構(gòu)

　　1. 軟件結(jié)構(gòu)
　　軟件結(jié)構(gòu)根據(jù)控制要求而設(shè)計，主要劃分為五大模塊：即步進電機控制模塊、定位控制模塊、數(shù)據(jù)撥盤輸入及數(shù)據(jù)傳輸模塊、數(shù)碼輸出顯示模塊、元件故障的自動檢測與報警模塊。
　　由于整個軟件結(jié)構(gòu)較為龐大，脈沖控制器產(chǎn)生0.1秒的控制脈沖，使移位寄存器移位，提供六拍時序脈沖，通過三相六拍環(huán)形分配器使三個輸出繼電器Y430、Y431、Y432按照單雙六拍的通電方式控制步進電機。為實現(xiàn)定位控制，采用不同的計數(shù)器分別控制粗定位行程和精定位行程，計數(shù)器的設(shè)定值依據(jù)行程而定。例如，設(shè)刀具或工作臺欲從A點移至C點，已知AC＝200mm，把AC劃分為AB與BC兩段，AB＝196mm，BC＝4mm，AB段為粗定位行程，采用0.1mm/步的脈沖當量快速移動，利用了6位計數(shù)器（C660/C661），而BC段為精定位行程，采用0.01mm/步的脈沖當量精確定位，利用了3位計數(shù)器C460，在粗定位結(jié)束進入精定位的同時，PLC自動接通電磁離合器輸出點Y433以實現(xiàn)變速機構(gòu)的更換。

　　2. 硬件結(jié)構(gòu)

五、結(jié)束語

　　系統(tǒng)試驗表明，本文提出的應用PLC控制步進電機實現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)點位控制功能的方法能滿足控制要求，在實際運行中是切實可行的。所研制的控制系統(tǒng)具有程序設(shè)計思路清晰、硬件電路簡單實用、可靠性高、抗干擾能力強，具有良好的性能價格比等顯著優(yōu)點，其軟硬件的設(shè)計思路可應用于工礦企業(yè)的相關(guān)機床改造。