淺談PLC的高速計數(shù)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。甩刀切紙機包括由上刀、下刀組成的縱切機構(gòu)，回轉(zhuǎn)長刀與固定底刀組成的橫切機構(gòu)?？赏瑫r分切6~10個紙卷。平刀切紙機是平臺上有可升降的閘刀，將平張紙再切規(guī)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，種類繁多，自動化程度不一。目前國內(nèi)進行切紙設備進給定位系統(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，不利于改造后設備的維護和使用。HMI是Human Machine Interface的縮寫，“人機接口”，也叫人機界面。人機界面（又稱用戶界面或使用者界面）是系統(tǒng)和用戶之間進行交互和信息交換的媒介，它實現(xiàn)信息的內(nèi)部形式與人類可以接受形式之間的轉(zhuǎn)換。凡參與人機信息交流的領域都存在著人機界面。

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(shù)據(jù)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(jù)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(tǒng)軟件和運行于PC機Windows操作系統(tǒng)下的畫面組態(tài)軟件（如JB－HMI畫面組態(tài)軟件）。使用者都必須先使用HMI的畫面組態(tài)軟件制作“工程文件”，再通過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(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)與設定數(shù)值進行比較，根據(jù)比較結(jié)果驅(qū)動相應的輸出點對變頻器進行輸出頻率的控制，實現(xiàn)接近設定值時進給速度變慢，從而減小系統(tǒng)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！

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60千赫的脈沖的能力，足可以滿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(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境應用而設計的。它采用一類可編程的存儲器，用于其內(nèi)部存儲程序，執(zhí)行邏輯運算，順序控制，定時，計數(shù)與算術(shù)操作等面向用戶的指令，并通過數(shù)字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程。是工業(yè)控制的核心部分。早期的可編程控制器稱作可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC），它主要用來代替繼電器實現(xiàn)邏輯控制。隨著技術(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)大大超過了邏輯控制的范圍，因此，今天這種裝置稱作可編程控制器，簡稱PC.但是為了避免與個人計算機（Personal Computer）的簡稱混淆，所以將可編程序控制器簡稱PLC，plc自1966年美國數(shù)據(jù)設備公司（DEC）研制出現(xiàn)，現(xiàn)行美國，日本，德國的可編程序控制器質(zhì)量優(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)動相應的輸出點對變頻器進行輸出頻率的控制，實現(xiàn)接近設定值時進給速度變慢，從而達到精確定位。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C235中的值減小到D130中的設定值時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定，在調(diào)試時通過修改這個值，以達到定位準確的目的。顯示定位機構(gòu)當前位置的程序見下圖1.


圖1顯示定位機構(gòu)當前位置程序段