利用光電編碼器和PLC高速計數(shù)器進行定位控制

.利用光電編碼器和PLC高速計數(shù)器進行定位控制在往返式傳動控制系統(tǒng)中，很多時候都會涉及到多點定位問題。即要求在不同的定位點啟動不同的機械動作。但由于機械慣性的作用，常常會給系統(tǒng)帶來定點誤差。本系統(tǒng)以龍門刨床的機械傳動為例，采用plc作為控制器，通過變頻器調節(jié)速度，利用光電編碼器和plc高速計數(shù)器進行定位控制，從而實現(xiàn)精確定位。變頻器；plc；高速計數(shù)器；光電編碼器1 龍門刨床的機械傳動控制要求圖1所示的龍門刨床的機械傳動示意圖。傳動系統(tǒng)從原點啟動，中速行駛到1000mm，開始高速行駛，高速行駛到3000mm，開始低速爬行，低速爬行到終點（3200mm）停車。停頓2s。反向高速行駛，高速行駛到距原點200mm處開始低速爬行。到達原點停車，停頓2s后重新開始往返。在原點和終點低速爬行的目的是為了避免系統(tǒng)慣性帶來的定點誤差，做到原點和終點的精確定位停車。2 龍門刨床機械傳動的plc控制系統(tǒng)硬件設計2.1 系統(tǒng)對變頻器的控制要求變頻器的正反轉由繼電器k1、k2控制，速度的切換由繼電器k3、k4完成。變頻器故障報警輸出觸點（30a、30c觸點）用于立即停止高速計數(shù)器運行，并由指示燈hr指示。變頻器具有多段速度設定功能，當k3、k4兩個繼電器觸點都斷開時，高速行駛（第一速度）；k3閉合，k4斷開時，中速行駛（第二速度）；k3斷開，k4閉合時，低速行駛（第三速度）；k3、k4都閉合時，手動調節(jié)行駛（第四速度）。旋鈕sf用于手動/自動切換，并用指示燈hg1表示自動狀態(tài)。手動時，能夠通過按鈕sa1（電機正轉）和sa2（電機反轉）手動調節(jié)傳動系統(tǒng)的位置。按鈕sa用于傳動系統(tǒng)在自動狀態(tài)下的啟動/停止控制。采用“一鍵開關機”方式實現(xiàn)啟動/停止控制，用指示燈hg2表示啟動狀態(tài)。行程開關sq用于自動啟動時，確定傳動系統(tǒng)在原點位置，自動停止時，傳動系統(tǒng)必須返回原點。行程開關sq1、sq2用于傳動系統(tǒng)的兩端限位，確保傳動系統(tǒng)不能脫離設備。2.2 plc系統(tǒng)硬件系統(tǒng)的構成及連接為了實現(xiàn)對龍門刨床機械傳動的精確定位，本系統(tǒng)采用plc作為控制器，通過變頻器進行速度調節(jié)，采用光電編碼器和plc高速計數(shù)器進行定位控制。根據(jù)龍門刨床的機械傳動控制要求，系統(tǒng)中有開關量輸入點8個，開關量輸出點7個，光電編碼器a相輸入一個，因此選用siemens的cpu224作為控制器，其i/o點的分配及系統(tǒng)接線如圖2所示。3 plc梯形圖程序的設計plc的梯形圖程序設計包含主程序（用于實時調用手動子程序sbr_0和自動子程序sbr_1）、子程序sbr_0（用于實現(xiàn)對系統(tǒng)的手動控制）和sbr_1（用于實現(xiàn)對系統(tǒng)的自動控制）和中斷處理程序int_0程序（用于處理高速計數(shù)器計數(shù)當前值到達不同預置值的處理）。由于篇幅所限，以下將以中斷處理程序int_0程序為例，說明變頻器對速度的控制和調節(jié)。其梯形圖如下。4 梯形圖設計過程中要注意的幾個關鍵問題4.1通過多次更改高速計數(shù)器的中斷和預置值實現(xiàn)多點定位實現(xiàn)多點定位控制的關鍵包括兩點，第一點是設置高速計數(shù)器中斷事件12（計數(shù)器當前值=計數(shù)器預置值），另一點就是在中斷處理程序中更改高速計數(shù)器預置值。定位控制需要測量定位點與原點的距離，然后將單位距離（mm）轉換成脈沖量，通過光電編碼器和plc高速計數(shù)器記錄脈沖量的變化。本系統(tǒng)中，光電編碼器的機械軸和電動機同軸。傳動比=10，用于驅動設備的傳動輥直徑=100mm，光電編碼器每轉脈沖數(shù)=600個/轉?？梢杂嬎愠雒亢撩拙嚯x的脈沖數(shù)為：每毫米距離的脈沖數(shù)=600（101003.14）0.19108脈沖/mm定點位和預置值比較，必須采用高速計數(shù)器中斷方式，而不能采用一般的比較指令。因為一般的比較指令無法捕捉高速變化的事件。所以，必須通過atch和eni指令將高速計數(shù)器中斷事件號12（計數(shù)器當前值=計數(shù)器預置值）與中斷處理程序int_0連接。在中斷處理程序int_0中，到達預置值時，重新裝載下一次的預置值，并執(zhí)行工藝要求的繼電器輸出，處理變頻器的運行速度。在自動子程序sbr_1中，將高速計數(shù)器hc0設置為單相計數(shù)輸入，沒有外部控制功能。在原點和終點通過更改計數(shù)方向，便于中斷處理程序int_0判斷變頻器的運行方向。4.2 在中斷處理程序int_0中不能使用等于比較指令由于在一個中斷處理程序int_0中判斷處理多個預置值。需要比較指令和計數(shù)方向來判斷目前高速計數(shù)器計數(shù)當前值在哪個階段，根據(jù)判斷來決定執(zhí)行那一段指令。但是，判斷不能使用等于比較指令，應該使用大于或小于指令判斷。盡管中斷事件（計數(shù)器當前值=計數(shù)器預置值）發(fā)生時，plc立即中斷當前主程序、子程序，執(zhí)行中斷處理程序int_0中的指令。但是，在中斷處理程序int_0中，plc仍然是按照逐條逐行的掃描機制執(zhí)行。而高速變化的計數(shù)值不可能和中斷處理程序執(zhí)行同步，如果采用等于比較指令，plc在執(zhí)行中斷處理程序時，可能會錯過等于值，使plc在中斷處理程序中無法判斷設備運行到哪個階段。4.3 在自動運行時，高速計數(shù)器的初始值寄存器寫入必須禁止由于多點定位需要多次裝載預置值，寫入預置值必須執(zhí)行hsc指令。執(zhí)行hsc寫入指令，不單單是寫入預置值，如果在控制字節(jié)中不加以限制，初始值寄存器smd38中的值同樣寫入。而smd38=0，這樣，就會使高速計數(shù)器計數(shù)當前值置0。因此，在自動運行時，必須設置控制字節(jié)smb37的第七位sm37.6為0，在裝載預置值時，禁止寫入初始值。但是，在高速計數(shù)器初始設置和返回原點重新開始運行時，又必須寫入初始值，使初始值置0，避免機械原因帶來的誤差。因此，控制字節(jié)必須多次修改。遵循的原則是：允許寫入初始值、執(zhí)行hsc指令后，必須馬上修改控制字節(jié)，禁止初始值寫入，并再次執(zhí)行hsc指令，中間不能有其它指令存在。4.4 多點定位的輸出線圈盡量采用立即指令采用高速計數(shù)器進行多點定位，主要為了精確定位。定位精度既決定于高速計數(shù)器的測量，同時也決定于執(zhí)行機構的執(zhí)行快速性。如果采用普通輸出指令，在一個掃描周期的程序執(zhí)行階段，改變的僅僅是輸出映像存儲器，plc的輸出點不會立即刷新，只有在程序執(zhí)行完畢后，plc的輸出映像存儲器才能對輸出點刷新，執(zhí)行輸出。為了增加定位精度，盡量采用立即輸出指令。立即輸出指令不受plc掃描周期階段的限制，在改變輸出映像存儲器的同時，立即刷新plc輸出點。4.5自動/手動程序采用for-next循環(huán)指令和子程序指令實現(xiàn)本系統(tǒng)中的自動/手動功能通過采用for-next指令和子程序指令實現(xiàn)。自動程序和手動程序實際上就是兩個循環(huán)指令的循環(huán)體。而循環(huán)指令僅執(zhí)行一次循環(huán)掃描刷新。手動子程序sbr_0和自動子程序sbr_1用于整個程序的分段，便于程序的理解，增加程序的可讀性。for-next循環(huán)指令的作用是使輸出線圈能夠重復使用，簡化程序。當變頻器正向運行（由sm36.5判斷，增計數(shù)為正向運行，sm36.5=1），高速計數(shù)器當前值等于19108（1000mm）時，繼電器k3（q0.2）、k4（q0.3）斷開，變頻器速度設定為高速正向行駛（第一速度）。同時將高速計數(shù)器預置值更改為57325（3000mm）。當變頻器正向運行，高速計數(shù)器當前值等于59325（3000mm）時，繼電器k3（q0.2）斷開、k4（q0.3）接通，變頻器速度設定為低速正向爬行行駛（第三速度）。同時將高速計數(shù)器預置值更改為61146（3200mm）。當變頻器正向運行，高速計數(shù)器當前值等于61146（3200mm）時，表明達到終點，繼電器k1（q0.0）、k2（q0.1）、k3（q0.2）、k4（q0.3）全部復位斷開，變頻器立即停止運行。同時，發(fā)出終點到達信號m0.1，讓子程序sbr_1處理停頓2s時間，并由sbr_1處理反向運行設置。當變頻器反向運行（由sm36.5判斷，減計數(shù)為反向運行，sm36.5=0），高速計數(shù)器當前值等于3822（200mm）時，繼電器k3（q0.2）斷開、k4（q0.3）接通，變頻器速度設定為低速反向爬行行駛（第三速度）。同時將高速計數(shù)器預置值更改為0。當變頻器反向運行（由sm36.5判斷，減計數(shù)為反向運行，sm36.5=0），高速計數(shù)器當前值等于0時，表明變頻器返回到達原點。繼電器k1（q0.0）、k2（q0.1）、k3（q0.2）、k4（q0.3）全部復位斷開，變頻器立即停止運行。同時，發(fā)出原點到達信號m0.0，讓子程序sbr_1處理停頓2s時間，并由sbr_1處理正向重新運行設置。本文創(chuàng)新點：往返式傳動控制系統(tǒng)的多點定位是一個較難解決的問題，本系統(tǒng)采用plc作為控制器，通過變頻調速，利用光電編碼器和plc高速計數(shù)器進行定位控制，克服了往返式傳動控制系統(tǒng)中由于機械慣性的作用給系統(tǒng)帶來的定點誤差，從而實現(xiàn)了精確定位。 PLC為什么要設有高速計數(shù)器功能呢?這要從PLC的掃描周期來理解。PLC內部的普通計數(shù)器的計數(shù)方式是PLC在進行輸入掃描而得到的信號變化時計一次數(shù)。但是PLC在程序執(zhí)行過程中，是不進行輸入掃描的。也就是說，PLC掃描一次輸入信號的狀態(tài)后（專業(yè)語言應該是：輸入刷新）進入程序執(zhí)行過程，程序執(zhí)行過程中輸入再有變化，PLC就不會知道了，程序也不會做出影響。這種狀態(tài)，我們用普通計數(shù)器對高速輸入脈沖就無能為力了。如你回家后關上門對家人講，你在外面看到有一個人醉漢倒在大街上（關門前看到的就是輸入掃描）。你想打電話告訴醫(yī)院來救他（由于有醉漢在的條件，讓你有一個打電話的輸出動作），而家人說，你還是再看看醉漢現(xiàn)在的狀態(tài)再說吧。于是你放下電話（沒有輸出）開門出去再看一次（由于家人這個中間繼電器的參預，你把程序直接跳轉到結束，再一次輸入掃描），回到家后又關門告訴家人醉漢現(xiàn)在的狀況。家人還要堅持讓你再出門看一次，你不耐煩了，說“我現(xiàn)在就認為他還躺在那，等我打完電話再出去看吧”（屏蔽中間繼電器的參預，繼續(xù)執(zhí)行程序），電話打完了（程序執(zhí)行結束），你又一次打開門出去看，醉漢已經走了。沒辦法，你還得回來打電話告訴醫(yī)院不用來了（又一次程序執(zhí)行結束）。然后你又出門了，看到醉漢又躺在了老地方，氣死你了。于是你就想在門外安裝一個視頻頭接到層里的一個顯示器上隨時觀察醉漢的狀態(tài)。來控制你是否打電話。（我說話羅嗦吧，誰讓我先聲明是家常聊天方式呢。）高速計數(shù)器屬于硬件計數(shù)器,其計數(shù)方式與程序的掃描是沒有關系的.實時接受外部脈沖信號的變化而計數(shù)(當然它的響應也是有一定限制,FX的是 50kHZ).FX系列PLC內置高速計數(shù)器按其編號分別分配給X0-X7,X0-X7不可重復使用.下面以分配給輸入X0的高速計數(shù)器為例寫一個簡單的程序.分配給X0的高速計數(shù)器有:C235,C241,C244,C246,C247,C249,C251,C252,C254(每個高速計數(shù)器計數(shù)方式各不相同,這里暫不敘述.看附表自己理解.)如果我們使用C235計數(shù)器,其他的計數(shù)器就不可以再使用了.LD M0 OUT C235 K10000LD C235OUT Y0LD M1RST C235END當M0處于斷開狀態(tài)時,C235不得電所以不能開始計數(shù),當M0閉合時高速C235計數(shù)器一直是處于得電等待計數(shù)狀態(tài).前面說了,C235是分配給X0的高速計數(shù)器.那么它就是接收X0的輸入脈沖信號,每當X0有一個上升沿到來時,C235就計數(shù)一次.當計數(shù)到10000時,C235的常開觸點閉合使Y0 得電.當M1閉合時C235復位,其常開觸點斷開.要注意的是：1、只有C235的當前值由9999變化到10000計數(shù)器輸出點才動作。人為改變C235的值等于10000，其觸點是不動作的。2、高速計數(shù)器計數(shù)不受掃描周期的影響，但他的觸點的閉合狀態(tài)還得程序掃描到LD C235時Y0才動作。如果想讓高速計數(shù)器到達計數(shù)值立即進行輸出處理，得用HSCS指令。高速計數(shù)與普通計數(shù)相比要注意的幾點：一是高速計數(shù)輸入是指定的；不是所有輸入點都可以；二是輸入頻率比較低的還是不要用高速計數(shù)；三高速計數(shù)的數(shù)據(jù)一般都是32位的；四是對應的所有高速計數(shù)頻率相加不能大于PLC所允許的最大值；也就是32位停電保持增型、減型計數(shù)器，只對特定輸入端子的信號計數(shù)。分單向單計數(shù) 單向雙計數(shù) 雙向雙計數(shù) 三種PLC 高速計數(shù)器 編碼器 開門機 設計改造一、引言自動開門機是車庫和倉庫常用的設備。其控制核心是單軸定位控制。我公司有一臺美國馬斯特自動開門機，其驅動定位系統(tǒng)是由單片機控制的。因電腦板子的電源部分和幾塊集成塊都被燒掉，又找不到同型號或能代換的集成塊，板子無法修復。此控制系統(tǒng)是早期產品，廠家也沒有此系統(tǒng)的配件，只能采取改造這一途徑。于是我想利用三菱PLC的高速計數(shù)器功能結合編碼器和三菱PLC的CALL, HSCS應用指令對自動開門機進行程序設計和改造。二、改造的可行性分析馬斯特開門機的工作原理：該馬斯特開門機是利用單片機首先通過加、減、調整三個按鈕手動調整好門的上限位和下限位，同時由編碼器把門在上限位和下限位時的門的驅動電機的脈沖數(shù)送入單片機儲存記憶起來。在要開門和關門時按開門或關門的按鈕，由帶機械離合器的直流電機驅動帶動卷閘門上升或下降，在上升到單片機記憶的上限位或下降到單片機記憶的下限位時電機停轉，并由機械離合器抱閘制動。現(xiàn)在的大多數(shù)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，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足升降的精度要求。利用PLC對驅動電機進行脈沖計數(shù)成為可能;而開門機對上升，下將系統(tǒng)的精度和響應速度要求不是很高。可以通過PLC對開門機升降系統(tǒng)驅動電機的上升和下降脈沖數(shù)的計算，在升降過程中，讓PLC對所接收的兩個脈沖數(shù)與設定好的兩個脈沖數(shù)值進行比較，根據(jù)比較結果確定是否到達門限，控制電機是否運轉。從而保證了門的升降的可行性;所有PLC都具有可擦寫的軟元件，使軟元件中的內容可根據(jù)要求隨時動態(tài)更新。在需要更改上限位和下限位時可把手動調整的上限位和下限位的驅動電機分別的脈沖數(shù)存儲到PLC的輔助繼電器中記憶起來，使用PLC做開門機的電子定位也成為可能。在控制系統(tǒng)中，可以利用原來的24V直流電源(電源部分的電容，二極管有配件，24V電源可修復)作為需要24V的控制系統(tǒng)和直流電機的供給電源。從而簡化了直流電源部分。還有可以利用開門機的四個按鈕，不需另外增加輸入按鈕。三、 主要控制部件的選取(一) PLC的選取首先確定PLC的輸入輸出點數(shù)及分配情況。開門、關門要分別各用一個輸入點，調試要用一輸入點，防上限位沖程，防下限位沖程要分別各用一個輸入點，停止要用一個輸入點，高速計數(shù)器要占用兩個輸入點，合計要用8個輸入點。驅動電機正轉要用一個輸出點，驅動電機反轉要用一個輸出點，合計要用2個輸出點。共計輸入8點輸出2點。因沒有用到PWM脈沖輸出，只用繼電器控制卷閘門電機的正反轉，所以選用繼電器輸出型，再加上220V電源方便提取，因此要選用交流輸入型PLC。在這里我選用三菱的可編程序控制器，由于輸入要有8點，輸出要2點，所以我選用FX1S-14MR-001，F(xiàn)X1S - 14MR-001的輸入點有8點，6點繼電器輸出(交流220V供電)，它帶有高速計數(shù)器指令，高速計數(shù)器等功能，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，再加上FX1S -14MR -001的性價比高，因此選用FX1S-14MR-001完全可以滿足開門機的要求。開門機需要的輸入輸出點分配如下：X0：脈沖輸入 X1：脈沖輸入 X2：下降X3：上升 X4：停止 X5：調試X6：防下限位超程 X7：防上限位超程 Y1：下降Y2：上升(二)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。我選用旋轉編碼器，旋轉編碼器是一種光電式旋轉測量裝置，它將被測的角位移直接轉換成數(shù)字信號(高速脈沖信號)。因些可將旋轉編碼器的輸出脈沖信號直接輸入給PLC，利用PLC的高速計數(shù)器對其脈沖信號進行計數(shù)，以獲得測量結果。不同型號的旋轉編碼器，其輸出脈沖的相數(shù)也不同，有的旋轉編碼器輸出A、B、Z三相脈沖，有的只有A、B相兩相，最簡單的只有A相。輸出兩相脈沖的旋轉編碼器有4條引線，其中2條是脈沖輸出線，1條是COM端線，1條是電源線。編碼器的電源可以是外接電源，也可直接使用PLC的DC24V電源。電源 - 端要與編碼器的COM端連接， + 與編碼器的電源端連接。編碼器的COM端與PLC輸入COM端連接，A、B兩相脈沖輸出線直接與PLC的輸入端連接，連接時要注意PLC輸入的響應時間。有的旋轉編碼器還有一條屏蔽線，使用時要將屏蔽線接地。我選用的是宜科 EB28 A4 H6微型增量型編碼器。編碼器EB是宜科的EB系列，A是代表法蘭式，4代表軸徑4mm,H6代表10V30V供電,分辨率是500P/R(每轉每相輸出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)：電機最高轉速是1500轉/分(25轉/秒)、門高是3m。 本系統(tǒng)脈沖最高頻率=25轉/秒500個/轉2(A/B兩相)=25KHz 。由于此工程中對編碼器的A/B兩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比較置位指令，則此PLC可處理的最高脈沖頻率為60/2=30(千赫)，30千赫大于25千赫，因此滿足要求。四、PLC程序的編寫此工程中程序的難點主要在于數(shù)據(jù)的記憶與比較處理上。在開門機工作過程中，要用一個上升按鈕或下降按鈕分別設定上限位和下限位，還要用同一個上升按鈕或下降按鈕來控制門的上升和下將。為了簡化程序中的計算，采用了兩個高速計數(shù)器C235和C236。C236通過增、減計數(shù)方式計算上升、下降進行的脈沖數(shù)，再把上升、下降的脈沖數(shù)分別儲存到PLC的數(shù)據(jù)寄存器D210,D200中。C235用于計數(shù)正常工作中的上升、下降脈沖數(shù)。當門下降時，C235減計數(shù)的脈沖數(shù)等于D200中的數(shù)據(jù)時，M50常閉觸點斷開，下降到位自動停止。當上升時，C235增計數(shù)的脈沖數(shù)等于D210中的數(shù)據(jù)時，M60常閉觸點斷開，上升到位自動停止。設定上、下門限的控制程序段見下圖：開、關門動作的控制程序段見下圖：另外，還要用到子程序調用指令：CALL，SRET。在進行門的上下限設定時就調用設定上下門限的控制程序段，設定完成后返回主程序執(zhí)行。PLC與編碼器的接線圖如下：五、操作說明在設定下限門限位時，要先按住X5,再按X2點動門到合適的下限位置時，先松掉X2，在沒設定下限門限位時不能松掉調試按鈕X5;在設定下限門限位時，也要先按住調試按鈕X5，再按X3點動門到合適的上限位置，再松掉X3，最后才能松掉X5.在設定門限的動作中千萬不要松開X5。否則不能完成設定門限記憶。在工作中按停止，驅動電機中間停止，或緊急停止。在門停止時，由開門機原本有的機械離合器自動制動停機，并鎖住電機軸，確保卷閘門不會因自身重量掉下來。還有，利用了它以前配有的手動鏈條離合器，在控制系統(tǒng)壞了，或沒電時，可以用手拉動鏈條，使離合器分離，并帶動電機主軸旋轉，從而帶動門的主軸旋轉，完成開門或關門動作。在開門或關門過程中，都有程序定位保護，當門開或關到程序記憶的數(shù)值時使電機停止，完成開門或關門動作，但萬一系統(tǒng)故障沒有停機時，還有加裝在門上檔和門的下檔的兩個限位超程開關可完成停機動作，確保門不會沖出外面或門頂牢地面而使電機過載。還有在電機主電路有短路和過載保險進行保護。六、結束語通過上述的設計改造過程，我只花了一千來塊就能替代5千多元的開門機系統(tǒng)，并能完全恢復了我廠開門機的功能。解決了要急于使用卷閘門而開門機故障不能使卷閘門打開的緊急問題。由這個應用實例可以看出利用編碼器結合PLC的高速計數(shù)器、傳送指令，合理的進行應用，可以作為具有記憶功能的電子限位使用，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。一、光電編碼器與高速計數(shù)器1、光電編碼器的工作原理光電編碼器是一種新型的轉速及定位控制用傳感器，其工作故事可以用光電碼盤說明。光電碼盤是沿圓周開有均勻的孔或齒的圓盤，一組發(fā)光元件及光敏元件分置在盤的兩邊，當圓盤轉動時，光時而通過孔或齒隙照到光敏元件上，時而被圓盤阻擋，這樣光敏元件上就產生了脈沖串波形的電信號。將該信號放大、整形，就能用來測量轉速及位移。光電編碼器在旋轉一周時可以產生數(shù)千以至上萬的脈沖以滿足高精度的轉速及定位要求(在選擇編碼器追求高精度時，也要考慮控制器的接收頻率！)。在電梯的應用中，對于編碼器的分辨率要求并不高，轎廂運動1mm能產生數(shù)個脈沖就可以了。我們希望的是編碼器在產生脈沖的同時能解決轉向判斷的問題，那么如今的編碼器一般都是設有兩套(或是三套-零位測量用)光電裝置的，兩套光電裝置產生的脈沖的相位有一定的差別，就也就產生了方向信號，如A裝置產生脈沖相位超前于B相時為正轉。反之，為反轉。為了方便論述，我們選擇轎廂運行1mm，編碼器產生1個脈沖。2、PLC的高速計數(shù)器及高速計數(shù)指令(以三菱FX系列論述)高速計數(shù)器是PLC的編程軟元件。相對普通計數(shù)器，高速計數(shù)器用于頻率高于機內掃描頻率的機外脈沖計數(shù)(建議認真了解一下PLC掃描周期的概念)。由于計數(shù)信號頻率高，計數(shù)以中斷方式，計數(shù)器的啟動、復位、或計數(shù)方向的變化也多使用機外信號。PLC的高速計數(shù)器分為三種：1、單相單計數(shù)輸入高速計數(shù)器，2、單相雙計數(shù)輸入高速計數(shù)器，3、雙相雙計數(shù)輸入高速計數(shù)器。如單相單計數(shù)輸入高速計數(shù)器C235是采集X0的輸入信號。(PLC有其自己的規(guī)定，具體參照使用手冊。)高速計數(shù)器有兩種工作方式。第一種利用自身觸點的動作為信號，高速計數(shù)器和普通32們增減計數(shù)器一樣，在增計數(shù)到達設定值時，觸點動作并保持，在做減計數(shù)達到設定值時(如觸點已置位)觸點復位。這種方式的缺點是控制受掃描周期的影響。高速計數(shù)器的第二種工作方式為中斷方式，這需使用高速計數(shù)器的專用指令。FX2N有三條是關于高速計數(shù)器的指令：1、高速計數(shù)器置位指令(HSCS)，2、高速計數(shù)器的復位指令(HSCR)，3、高速計數(shù)器區(qū)間比較指令(HSZ),此三條指令均為32位指令，均為中斷方式執(zhí)行。結合五層電梯的控制，選擇FX2N-64MRPLC為控制器，選取雙相雙計數(shù)輸入高速計數(shù)器C254作為轎廂的定位計數(shù)器。其A相脈沖輸入端為X000，B相脈沖輸入端為X0001，處復位端為X0002，外啟動端為X0006。二、基于高速計數(shù)器的轎廂位置確定電梯運行時，高速計數(shù)器在光電編碼器的驅動下完成計數(shù)工作，當轎廂上升時加計數(shù)，當轎廂下降時減計數(shù)，高速成計數(shù)器的當前值即是轎廂在井道中的準確位置，如樓層高度為5M，正常運行時計數(shù)范圍為0-20000的數(shù)值，可設高速計數(shù)器設定值為30000或其他大于20000的數(shù)值，由于本程序并不打算利用當前值等于預置值事件，便可以設個永遠不可能達到的數(shù)值。轎廂位置的確定有多重用處。其一是實現(xiàn)門廳及轎廂內樓層數(shù)字指示，二是用于運行定向，三是用于確定平層制動的時刻。在每層樓上下各安排200mm轎廂當前位置批示切換區(qū)間，當轎廂到達該區(qū)間時，將轎廂當前位置數(shù)據(jù)送到層樓當前值存儲單元中保存，用來作為門廳及轎廂處樓層顯示數(shù)據(jù)。為了電梯運行之初的調試及維修時修正機械原因及建筑原因帶來的樓層計數(shù)器定位誤差，可在程序中安排定位自學習程序。通過檢修運行獲得各層的準確數(shù)據(jù)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備，其推進定位系統(tǒng)的實現(xiàn)是利用單片機控制，當接收編碼器的脈沖信號達到設定值后，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，剎車制動推進系統(tǒng)的慣性，從而實現(xiàn)精確定位。由于設備的單片機控制系統(tǒng)老化，造成定位不準，切紙動作紊亂，不能正常生產。但此控制系統(tǒng)是早期產品，沒有合適配件可替換，只能采取改造這一途徑。目前國內進行切紙設備進給定位系統(tǒng)改造主要有兩種方式，一是利用單片機結合變頻器實現(xiàn)，一是利用單片機結合伺服系統(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。我們結合自己設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)設定和完成手動操控。 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。切紙機對進給系統(tǒng)的精度和響應速度要求不是很高，可以通過對切紙機進給系統(tǒng)相關參數(shù)的計算，合理的選用編碼器，讓脈沖頻率即能在plc處理的范圍內又可以滿足進給的精度要求。在進給過程中，plc對所接收的脈沖數(shù)與設定數(shù)值進行比較，根據(jù)比較結果驅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。另外當今變頻器技術取得了長足的發(fā)展，使電機在低速時的轉矩大幅度提升，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 表1plc輸入輸出分配表針對這些必需的輸入點數(shù)，選用了fx1s30mr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。 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)：電機最高轉速是1500轉/分（25轉/秒）、進給絲桿的導程是10mm/轉。驗證如下： 本系統(tǒng)脈沖最高頻率25轉/秒500個/轉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品，分別是fr-e540-0.75k-ch和f920got-bbd-k-c。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，可以控制plc內部的軟繼電器，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、調整和監(jiān)控。 4 plc和hmi程序的設計 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的當前位置。我們?yōu)榱撕喕绦蛑械挠嬎悖捎昧藘蓚€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)比較結果驅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，在調試時通過修改這個值，以達到定位準確的目的。 1）顯示定位機構當前位置的程序 2）實現(xiàn)定位控制的程序段3）參數(shù)設定時的小數(shù)點位問題。實際工作中在設定位置時要精確到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)的設置和plc的程序編寫達到了所見即所得的效果。hmi中主要是對數(shù)值的格式要設定好。hmi中的設置畫面如圖1所示。例如等分裁切10.5mm的紙，就可以在hmi上設定為10.5，而不是像公司的類似其它設備上要設為105，但plc的寄存器d128的內容是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，不能再應用于其它地方，否則會出現(xiàn)問題。） 而不是用：muld128k50d10。 4）編程中其它應注意的問題 雙線圈問題。本工程中利用條件跳轉和步進指令避免了雙線圈問題。 誤差信號問題。編碼器是一種比較精密的光電產品，受振動時不可避免的會出現(xiàn)誤差信號，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)行機構當前位置的顯示都會不準確。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。 5 變頻器的參數(shù)設置 此工程中需設定的變頻器的主要參數(shù)見下。參數(shù) 號名 稱設定值 0 轉矩提升 8%（低速時電機轉矩不足時可提高此數(shù)字） 43 速設定（高速） 30Hz 53 速設定（中速） 10Hz 63 速設定（低速） 2Hz 7 加速時間 0.5s8 減速時間 0.5s 24 多段速設定（4速）50Hz 79 操作模式 2（只執(zhí)行外部操作）在調試過程中為了達到定位速度和精度的完美結合，應對三段速設定值，加減速時間和HMI中D130、D200和D202的數(shù)值進行相應調整。 表2變頻器主要參數(shù)設置一覽表 6 結束語 通過改造過程，完全恢復了我們切紙機的功能，試用三個月以來運行非常穩(wěn)定。由這個應用實例可以看出結合plc的高速計數(shù)器功能，合理的進行應用，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，并且由于選用通用開放的plc變頻器集成方案，為企業(yè)后期自主設備管理帶來長遠的效益。PLC內置高速計數(shù)器根據(jù)特定的輸入執(zhí)行中斷處理高速動作，它與PLC的掃描無關。本文以三菱FX系列PLC為例說說高速計數(shù)器的使用方法。 不會使用高速計數(shù)器的很大原因是對上面的圖理解不細，編程手冊上已經講得很清楚，本文只是大致說說，給您拋磚引玉。 如C235下面的U/D對應的是X0，也就表示C235是對輸入X0的脈沖信號進行計數(shù)，當X0有OFF-ON的變化時，C235在驅動的情況下自動計數(shù)。 同理：C241，C244，C246，C247，C249，C251，C252，C254都是針對X0進行計數(shù)的。 明白了C235的計數(shù)目標，從上圖就不難看出C236，C237的計數(shù)目標 知道了高速計數(shù)器的計數(shù)目標，還需要知道高速計數(shù)器的計數(shù)方向。從上圖可看出M8235是控制高速計數(shù)器C235的計數(shù)方向的，M8235=OFF時是增計數(shù)，M8235=ON時是減計數(shù)。 同理：M8236-M8245分別是控制高速計數(shù)器C236-C245的計數(shù)方向。 M8235-M8245初始是斷開狀態(tài)，所以C235等高速計數(shù)器默認是增計數(shù)。 上圖中 1、當M0閉合時，C235得電計數(shù)X0動作了217次，其設定值為100，所以C235的常開點閉合.從上圖可以看出：C235的計數(shù)值超過其設定值后照樣計數(shù)下去。 2、在C235計數(shù)過程中M0斷開，C235失電停止計數(shù)，但其計數(shù)值與觸點狀態(tài)不變。 注：C235的驅動點斷開并不能起到復位的作用！ 3、當M2閉合時，C235的計數(shù)值清零，其觸點狀態(tài)也斷開。 上圖中的高速計數(shù)器的編程并不合理，因為C235觸點的狀態(tài)改變受到程序掃描周期的影響。 三菱FX系列PLC的高速計數(shù)器(HSC)功能簡介 1高速計數(shù)器概述 21點高速計數(shù)器C235C255共用PLC的8個高速計數(shù)器輸入端X0X7，某一輸入端同時只能供一個高速計數(shù)器使用。這21個計數(shù)器均為32位加/減計數(shù)器(見表37)。不同類型的高速計數(shù)器可以同時使用，但是它們的高速計數(shù)器輸入不能沖突。高速計數(shù)器的運行建立在中斷的基礎上，這意味著事件的觸發(fā)與掃描時間無關。在對外部高速脈沖計數(shù)時，梯形圖中高速計數(shù)器的線圈應一直通電，以表示與它有關的輸入點已被使用，其他高速計數(shù)器的處理不能與它沖突?？捎眠\行時一直為ON的M8000的常開觸點來驅動高速計數(shù)器的線圈。例如在圖1中，當X14為ON時，選擇了高速計數(shù)器C235，從表37可知，C235的計數(shù)輸入端是X0，但是它并不在程序中出現(xiàn)，計數(shù)信號不是X14提供的。表1給出了各高速計數(shù)器對應的輸入端子的元件號，表中的U、D分別為加、減計數(shù)輸入，A、B分別為A、B相輸入，R為復位輸入，S為置位輸入。2一相高速計數(shù)器C235C240為一相無起動/復位輸入端的高速計數(shù)器，C24lC245為一相帶起動/復位端的高速計數(shù)器，可用M8235M8245來設置C235C2415的計數(shù)方向，M為ON時為減計數(shù)，為OFF時為加計數(shù)。C235C240只能用RST指令來復位。圖1中的C244是1相帶起動/復位端的高速計數(shù)器，由表1可知，Xl和X6分別為復位輸入端和起動輸入端，它們的復位和起動與掃描工作方式無關，其作用是立即的和直接的。如果X12為ON，一旦X6變?yōu)镺N，立即開始計數(shù)，計數(shù)輸入端為X0。X6變?yōu)镺FF，立即停止計數(shù)，C244的設定值由D0和D1指定。除了用Xl來立即復位外，也可以在梯形圖中用復位指令復位。3. 兩相雙向計數(shù)器兩相雙向計數(shù)器(C246C250)有一個加計數(shù)輸入端和一個減計數(shù)輸入端，例如C246的加、減計數(shù)輸入端分別是X0和Xl，在計數(shù)器的線圈通電時，在X0的上升沿，計數(shù)器的當前值加1，在X1的上升沿，計數(shù)器的當前值減l。某些計數(shù)器還有復位和起動輸入端。4A-B相型雙計數(shù)輸入高速計數(shù)器 C25lC255為AB相型雙計數(shù)輸入高速計數(shù)器，它們有兩個計數(shù)輸入端，某些計數(shù)器還有復位和起動輸入端。圖2中的X12為ON時，C25l通過中斷，對X0輸入的A相信號和X1輸入的B相信號的動作計數(shù)。X11為ON時C251被復位，當計數(shù)值大于等于設定值時，Y2的線圈通電，若計數(shù)值小于設定值，Y2的線圈斷電。A/B相輸入不僅提供計數(shù)信號，根據(jù)它們的相對相位關系，還提供了計數(shù)的方向。利用旋轉軸上安裝的A/B相型編碼器，在機械正轉時自動進行加計數(shù)，反轉時自動進行減計數(shù)。A相輸入為ON時，若B相輸入由OFF變?yōu)镺N，為加計數(shù)(見圖2b)；A相為ON時，若B相由ON變?yōu)镺FF，為減計數(shù)（見圖2c）。通過M8251可監(jiān)視C251的加/減計數(shù)狀態(tài)，加計數(shù)時M8251為OFF，減計數(shù)時M8251為ON。5高速計數(shù)器的計數(shù)速度 一般的計數(shù)頻率：單相和雙向計數(shù)器最高l0kHz，A/B相計數(shù)器最高為5kHz。最高的總計數(shù)頻率：FXlS和FXlN為60kHz，F(xiàn)X2N和FX2NC為20kHZ，計算總計數(shù)頻率時A/B相計數(shù)器的頻率應加倍。FX2N和FX2NC的X0和X1因為具有特殊的硬件，供單相或雙相計數(shù)時(C235，C236或C246)最高為60kHz，用C25l兩相計數(shù)時最高為30kHz。應用指令SPD(速度檢測，F(xiàn)UC56)具有高速計數(shù)器和輸入中斷的特性，X0X5可能被SPD指令使用，SPD指令使用的輸入點不能與高速計數(shù)器和中斷使用的輸入點沖突。在計算高速計數(shù)器總的計數(shù)頻率時，應將SPD指令視為l相高速計數(shù)器PLC 中高速計數(shù)器的運用特點摘要:可編程控制器中的計數(shù)器是基本編程元件之一,本文以FX2 系列可編程控制器為例,介紹了不同類型計數(shù)器的運用特點及高速計數(shù)器的兩個應用實計數(shù)器是PLC 中的基本編程元件,它數(shù)量多、類型雜。例如FX2 系列PLC 中,可用于編程的計數(shù)器元件達256 個,類型有16 位、32 位計數(shù)器,有通用型和高速型,高速型還可分四種。計數(shù)器使用靈活,編程方便,它既可作為計數(shù)器用,又可與時間繼電器組合成具有延時的功能。它既可作為基本指令的操作數(shù),也可用于功能指令的操作數(shù)。但是,在實際中發(fā)現(xiàn),普通計數(shù)器和高速計數(shù)器在某些條件下不能互用,并且在編程過程中編寫兩者的程序也有差異。下面, 筆者介紹FX2 系列PLC 中計數(shù)器的運用特點。1 普通型計數(shù)器的運用特點FX2 系列PLC 中有普通型計數(shù)器256 個,其中C0C99 為16 位遞加型,C200C234 為32 位雙向型。圖1 、圖2 所示為遞加型和雙向型計數(shù)器的梯形圖。圖1 中,計數(shù)器C0 對X11 的通斷次數(shù)進行累積,當累積值與設定值K值相等時,C0 接點閉合,Y0 有輸出。當X10 由OFF ON ,C0 復位。在圖1 中設定值K 只能取正數(shù),不能取負數(shù),若取負數(shù),則為無效值,C0 不工作。圖1 遞加型計數(shù)器梯形圖圖2 雙向型計數(shù)器梯形圖圖2 中是雙向(遞加/ 遞減) 型計數(shù)器梯形圖。圖中M8200 狀態(tài)決定C200 計數(shù)方向,若M8200 “1”,C200 遞減計數(shù)。若M8200 “0”,C200 遞加計數(shù)。設定值K 可雙向取值,既可正值,也可取負值,正、負均為有效值。例如,當設定值K為- 10 時,若X12 閉合,C200 則以遞減方式計數(shù);當C200 當前值由- 9 變- 10 時,C200 接點閉合,Y1 有輸出;當X12 斷開,C200 則以遞加方式計數(shù);當C200 計數(shù)當前值由- 11 變?yōu)? 10 ,C200 接點閉合。由圖1 、圖2 可看出,兩種不同類型的計數(shù)器,除了計數(shù)容量不同外,兩計數(shù)器在計數(shù)方向也有不同,設定值的取值也不同。在圖2 中,若不設置計數(shù)方向控制,計數(shù)器將以遞加方式計數(shù)。所以說,雙向型計數(shù)器初始計數(shù)方向是遞加計數(shù)。 27 計算機PLC 應用PLC 中高速計數(shù)器的運用特點機床電器200415從上兩圖的分析中可以發(fā)現(xiàn),雖然兩類計數(shù)器在計數(shù)方向,設定值的取值方向各有其特點。但它們都是對輸入元件的通、斷次數(shù)進行計數(shù)。所以,這類計數(shù)器又稱內部信號計數(shù)器。2 高速計數(shù)器運用特點FX2 系列高速計數(shù)器有21 個(C235C255) ,根據(jù)工作原理上的差異,FX2 系列中的高速計數(shù)器又可分為四類:a . 1 相無啟動/ 復位端子高速計數(shù)器;b. 1 相帶啟動/ 復位端子高速計數(shù)器;c . 2 相兩輸入高速計數(shù)器;d. 2 相兩輸入(A、B 相) 高速計數(shù)器。圖3 、圖4 、圖5 、圖6 分別表示以上四類計數(shù)器梯形圖。圖3 1 相無啟動/ 復位端子高速計數(shù)器圖4 1 相帶啟動/ 復位端子高速計數(shù)器圖5 2 相兩輸入高速計數(shù)器圖6 2 相兩輸入(A、B 相) 高速計數(shù)器四類高速計數(shù)器的梯形圖與普通計數(shù)器