PLC的點(diǎn)位控制

1、華南機(jī)械設(shè)計(jì)制造論壇.c n數(shù)控技術(shù)是綜合應(yīng)用了電子技術(shù)、計(jì)算技術(shù)、自動(dòng)控制與自動(dòng)檢測(cè)等現(xiàn)代科學(xué)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(jī)械加工行業(yè)中的應(yīng)用日益廣 泛。數(shù)控系統(tǒng)按其控制方式劃分有點(diǎn)位控制系統(tǒng)、直線控制系統(tǒng)、連續(xù)控制系統(tǒng)。在 機(jī)械加工時(shí)，數(shù)控系統(tǒng)的點(diǎn)位控制一般用在孔加工機(jī)床上（例如鉆孔、鉸孔、鏜 孔的數(shù)控機(jī)床），其特點(diǎn)是，機(jī)床移動(dòng)部件能實(shí)現(xiàn)由一個(gè)位置到另一個(gè)位置的精 確移動(dòng)，即準(zhǔn)確控制移動(dòng)部件的終點(diǎn)位置，但并不考慮其運(yùn)動(dòng)軌跡，在移動(dòng)過程 中刀具不切削工件。實(shí)現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)點(diǎn)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(jià)格卻很昂貴，而且許多功

2、能對(duì)點(diǎn)位控制來說是多余 的；二是采用單板機(jī)或單片機(jī)控制，這種方法除了要進(jìn)行軟件開發(fā)外，還要設(shè)計(jì) 硬件電路、接口電路、驅(qū)動(dòng)電路，特別是要考慮工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)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(yīng)用而設(shè)計(jì)的一種工業(yè)控制計(jì)算 機(jī)，具有抗干擾能力強(qiáng)、可靠性極高、體積小、是實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化的理想控制裝 置等顯著優(yōu)點(diǎn)，因此通過實(shí)踐與深入研究，本文提出了利用PLC控制步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)點(diǎn)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(rèn)識(shí)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(jì)思路，對(duì)于工礦企 業(yè)實(shí)現(xiàn)相關(guān)機(jī)床改造具有較高的應(yīng)用與參考價(jià)值。、控制系統(tǒng)研制中需要認(rèn)識(shí)與解決的若干

3、問題1、防止步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)失步和誤差 步進(jìn)電機(jī)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(diǎn)位控制中，可利用 步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)。在開環(huán)控制中，步進(jìn)電機(jī)由一定頻率的脈沖控制。由 P LC 直接產(chǎn)生脈沖來控制步進(jìn)電機(jī)可以有效地簡(jiǎn)化系統(tǒng)的硬件電路，進(jìn)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(jìn)電機(jī)不能在 高頻下工作。例如，若控制步進(jìn)電機(jī)的脈沖頻率為 4000HZ ，則脈沖周期為 0.2 5 毫秒，這樣脈沖周期的數(shù)量級(jí)就比掃描周期小很多，如采用此頻率來控制步進(jìn) 電機(jī)。則 PLC 在還未完成

4、輸出刷新任務(wù)時(shí)就已經(jīng)發(fā)出許多個(gè)控制脈沖，但步進(jìn) 電機(jī)仍一動(dòng)不動(dòng)，出現(xiàn)了嚴(yán)重的失步現(xiàn)象。若控制步進(jìn)電機(jī)的脈沖頻率為 100H Z ，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(jí)，步進(jìn)電機(jī)運(yùn) 行時(shí)亦可能會(huì)產(chǎn)生較大的誤差。因此用 PLC 驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)時(shí)，為防止步進(jìn)電機(jī) 運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)失步與誤差，步進(jìn)電機(jī)應(yīng)在低頻下運(yùn)行，脈沖信號(hào)頻率選為十至幾十 赫茲左右，這可以利用程序設(shè)計(jì)加以實(shí)現(xiàn)。2 、保證定位精度與提高定位速度之間的矛盾步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速與其控制脈沖的頻率成正比，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)在極低頻下運(yùn)行時(shí)，其 轉(zhuǎn)速必然很低。而為了保證系統(tǒng)的定位精度，脈沖當(dāng)量即步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)一個(gè)步距角 時(shí)刀具或工作臺(tái)移動(dòng)的

5、距離又不能太大， 這兩個(gè)因素合在一起帶來了一個(gè)突出問 題：定位時(shí)間太長(zhǎng)。例如若步進(jìn)電機(jī)的工作頻率為 20HZ ，即 50ms 走一步，取 脈沖當(dāng)量為0.01mm/步，則1秒鐘刀具或工作臺(tái)移動(dòng)的距離為 20x0.01 =0.2mm ，1分鐘移動(dòng)的距離為 60x0.2 = 12mm ,如果定位距離為120mm ,則 定位時(shí)間需要 10 分鐘，如此慢的定位速度在實(shí)際運(yùn)行中是難以忍受的。為了保證定位精度，脈沖當(dāng)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(shí)又能保證定位精度是一項(xiàng)需要認(rèn)真考慮并切實(shí)加以解決的問 題。3. 可變控制參數(shù)的在線修改PLC 應(yīng)用于點(diǎn)位控制時(shí)， 用戶顯然希望當(dāng)現(xiàn)

6、場(chǎng)條件發(fā)生變化時(shí)， 系統(tǒng)的某些控制 參數(shù)能作相應(yīng)的修改，例如步進(jìn)電機(jī)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(duì)控制系統(tǒng)可變參數(shù)的修改應(yīng)在線進(jìn)行。盡管使用編程器可以方便 快速地改變?cè)O(shè)定參數(shù)， 但編程器一般不能交現(xiàn)場(chǎng)操作人員使用； 雖然利用 PLC的輸入按鍵并配合軟件設(shè)計(jì)也能實(shí)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(dú)設(shè)計(jì)數(shù)碼輸入顯示電路，這又將極大地占用 PLC 的輸入點(diǎn)，導(dǎo)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(yīng) 考慮開發(fā)其他簡(jiǎn)便有效的方法實(shí)現(xiàn) PLC 的可變控制參數(shù)的在線修改。4. 其他問題為了實(shí)現(xiàn)點(diǎn)位控制過程中數(shù)字變化的顯示及故障

7、輸出代碼的顯示等要求， 另外還 得單獨(dú)設(shè)計(jì) PLC 的數(shù)碼輸出顯示電路。 由于目前 PLC I/O 點(diǎn)的價(jià)格仍較高， 因 此應(yīng)著重考慮選用能壓縮顯示輸出點(diǎn)的合適方法。此外，為保證控制系統(tǒng)的安全 與穩(wěn)定運(yùn)行，還應(yīng)解決控制系統(tǒng)的安全保護(hù)問題，如系統(tǒng)的行程保護(hù)、故障元件 的自動(dòng)檢測(cè)等。、控制系統(tǒng)方案1 、將定位過程劃分為脈沖當(dāng)量不同的兩個(gè)階段要獲得高的定位速度，同時(shí)又要保證定位精度，可以把整個(gè)定位過程劃分為兩個(gè) 階段：粗定位階段和精定位階段。這兩個(gè)階段均采用相同頻率的脈沖控制步進(jìn)電 機(jī)，但采用不同的脈沖當(dāng)量。 粗定位階段： 由于在點(diǎn)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(dāng)量，

8、如 0.1mm/ 步或 1mm/ 步，甚至更 高。例如步進(jìn)電機(jī)控制脈沖頻率為 20HZ ，脈沖當(dāng)量為 0.1mm/ 步，定位距離為 120mm ，則走完全程所需時(shí)間為 1 分鐘，這樣為速度顯然已能滿足要求。精定 位階段：當(dāng)使用較大的脈沖當(dāng)量使刀具或工作臺(tái)快速移動(dòng)至接近定位點(diǎn)時(shí)， （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(dāng)量進(jìn)入精定位階段， 讓刀具或工作臺(tái)慢慢趨近于定位點(diǎn)，例如取脈沖當(dāng)量為 0.01mm/ 步。盡管脈沖 當(dāng)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(huì)影響到定位速度。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，在機(jī)械方面，應(yīng)采用兩套變速機(jī)構(gòu)。在粗定位階段，

9、由步進(jìn) 電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)刀具或工作臺(tái)傳動(dòng)，在精定位階段，則采用降速傳動(dòng)。這兩套變速 機(jī)構(gòu)使用哪一套，由電磁離合器控制。2 、應(yīng)用功能指令實(shí)現(xiàn) BCD 碼撥盤數(shù)據(jù)輸入目前較為先進(jìn)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(duì)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(duì)匯編語言的一種抽象提高。 BCD 碼數(shù)據(jù)撥盤是計(jì)算機(jī) 控制系統(tǒng)中常用到的十進(jìn)制撥盤數(shù)據(jù)輸入裝置。 撥盤共有 09+ 個(gè)位置， 每一位 置都有相應(yīng)的數(shù)字指示。一個(gè)撥盤可代表一位十進(jìn)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

10、裝置應(yīng)用于 PLC 控制的系統(tǒng)， 這樣無需再設(shè)計(jì)數(shù)碼輸 入顯示電路，有效地節(jié)省了 PLC 的輸入點(diǎn)，簡(jiǎn)化了硬件電路，并利用先進(jìn)的功 能指令實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和傳輸，因此能極方便地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的在線輸入或修改（如 計(jì)數(shù)器設(shè)定值的修改等），若配合簡(jiǎn)單的硬件譯碼電路，就可顯示有關(guān)參數(shù)的動(dòng) 態(tài)變化（如電機(jī)步數(shù)的遞減變化等）。為避免在系統(tǒng)運(yùn)行中撥動(dòng)撥盤可能給系統(tǒng) 造成的波動(dòng)，最好設(shè)置一輸入鍵，當(dāng)確認(rèn)各片撥盤都撥到位后再按該鍵，這時(shí)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(diǎn)這一前提條件，采用“軟件編碼、硬件解碼”的方法設(shè)計(jì) PLC 的數(shù)碼輸出顯示電路。例如，對(duì)于 9 種及其以下的

11、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(diǎn)壓縮為 4 個(gè)，硬件電路包含 74L S04 、 74LS48 、共陰數(shù)碼管等器件。4、PLC 外部元件故障的自動(dòng)檢測(cè)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 P LC 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(diǎn)的熔 焊及氧化就分別對(duì)應(yīng)著短路故障及開路故障。系統(tǒng)一旦自動(dòng)檢測(cè)到元件故障，應(yīng) 不僅具有聲光報(bào)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(xiàng)內(nèi)容的程序設(shè)計(jì)思路見參考文獻(xiàn)。四、控制系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)軟件結(jié)構(gòu)根據(jù)控制要求而設(shè)

12、計(jì)，主要?jiǎng)澐譃槲宕竽K：即步進(jìn)電機(jī)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(dòng)檢測(cè)與報(bào)警模塊。由于整個(gè)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(shí)序脈沖，通過三相六拍環(huán)形分配器使三個(gè)輸出繼電器 Y430 、 Y431 、 Y432 按照單雙六拍的通電方式控制步進(jìn)電機(jī)。為實(shí)現(xiàn)定位控制，采用 不同的計(jì)數(shù)器分別控制粗定位行程和精定位行程，計(jì)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(tái)欲從 A點(diǎn)移至C點(diǎn)，已知AC = 200mm，把AC劃 分為AB與BC兩段，AB = 196mm , BC = 4mm , AB

13、段為粗定位行程，采用0. 1mm/步的脈沖當(dāng)量快速移動(dòng)，利用了 6位計(jì)數(shù)器(C660/C661)，而BC段為精定位行程，采用 0.01mm/ 步的脈沖當(dāng)量精確定位，利用了 3位計(jì)數(shù)器 C4 60 ，在粗定位結(jié)束進(jìn)入精定位的同時(shí)， PLC 自動(dòng)接通電磁離合器輸出點(diǎn) Y433 以實(shí)現(xiàn)變速機(jī)構(gòu)的更換。五、結(jié)束語系統(tǒng)試驗(yàn)表明，本文提出的應(yīng)用 PLC 控制步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)點(diǎn)位控制功能的方法能滿足控制要求，在實(shí)際運(yùn)行中是切實(shí)可行的。所研制的控制系統(tǒng)具有程 序設(shè)計(jì)思路清晰、硬件電路簡(jiǎn)單實(shí)用、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)，具有良好的性 能價(jià)格比等顯著優(yōu)點(diǎn)，其軟硬件的設(shè)計(jì)思路可應(yīng)用于工礦企業(yè)的相關(guān)機(jī)床改造PLC

14、作為一種特殊形式的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)， 是利用計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)的硬件邏輯 控制系統(tǒng)“繼電器控制”進(jìn)行 "硬件軟化 "的結(jié)果。但在運(yùn)行方式上， PLC 的軟件 邏輯也與繼電器控制系統(tǒng)的硬件邏輯存在根本性的區(qū)別。繼電器控制系統(tǒng)的硬件邏輯采用的是并行運(yùn)行的方式， 即如果一個(gè)繼電器的線圈 通電或者放電，該繼電器的所有觸點(diǎn)(不論是常開還是常閉、也不論其處于繼電 器線路的哪個(gè)位置上)都會(huì)立即同時(shí)動(dòng)作；而 PLC 的軟件邏輯是通過 CPU 逐行 掃描執(zhí)行用戶程序來實(shí)現(xiàn)的，即如果一個(gè)邏輯線圈被接通或斷開，該線圈的所有 觸點(diǎn)并不會(huì)立即動(dòng)作，必須等掃描到該觸點(diǎn)時(shí)才會(huì)動(dòng)作。為了消除兩者之間由于運(yùn)行方

15、式不同而造成的這種差異， PLC 在程序運(yùn)行方式、 輸入輸出操作、特殊功能模板等方面作了特別的考慮。1 、循環(huán)掃描：PLC 采用了一種不同于普通微型計(jì)算機(jī)的運(yùn)行方式 - 循環(huán)掃描方式。因?yàn)槔^電 器控制中各類觸點(diǎn)的動(dòng)作時(shí)間一般超過 100ms ，因此只要 PLC 運(yùn)行整個(gè)用戶程 序的時(shí)間“掃描周期”小于 100ms ，其運(yùn)行結(jié)果與繼電器控制就沒有什么差別。2 、建立 I/O 映像區(qū)：PLC 在輸入輸出操作上采用定時(shí)采樣、 定時(shí)輸出的方式。 即在一個(gè)掃描周期的固 定時(shí)刻（一般在掃描周期的開始或結(jié)束）采樣所有的輸入點(diǎn)，采樣結(jié)果存入 RA M 中一個(gè)區(qū)域（輸入映像區(qū)）。這樣在執(zhí)行程序時(shí)，所需的現(xiàn)場(chǎng)訊息

16、全部從輸入 映像區(qū)中取用，不直接從現(xiàn)場(chǎng)取樣。同樣控制訊息輸出也不是采取生成一個(gè)就輸 出一個(gè)的方法，而是先將它們存放在 RAM 中的一個(gè)區(qū)域（輸出映像區(qū)），掃描 周期結(jié)束時(shí)再將輸出映像區(qū)中控制訊息集中輸出。通過建立 I/O 映像區(qū)，使 PL C 成為一個(gè)真正的數(shù)字采樣控制系統(tǒng)； 雖然 PLC 不可能像繼電器控制那樣隨時(shí)根 據(jù)現(xiàn)場(chǎng)輸入實(shí)時(shí)控制現(xiàn)場(chǎng)輸出狀態(tài)， 但只要采樣周期足夠短， 即采樣頻率足夠高， 這樣的采樣系統(tǒng)應(yīng)該完全符合實(shí)際系統(tǒng)的需要。3 、特殊功能模板：由于 PLC 在掃描周期方面限制了用戶程序的長(zhǎng)度，這對(duì)于一般的數(shù)字量控制應(yīng) 該不成問題。但實(shí)際的生產(chǎn)過程對(duì) PLC 提出了更多得要求：仿真

17、量處理、死循 環(huán)控制、網(wǎng)絡(luò)通訊、 高速 I/O 等。對(duì)于模擬量輸入輸出以及簡(jiǎn)單的控制， 一般是 利用 PLC 的主 CPU 和一定的硬件支持，通過相應(yīng)的軟件來實(shí)現(xiàn)；其它情況由于 牽涉到比較的計(jì)算量和 CPU 運(yùn)算時(shí)間，以及 PLC 掃描周期的限制，一般采用自 帶 CPU 的專用模板， 由模板系統(tǒng)軟件完成相應(yīng)的控制任務(wù)。 這樣，這些模板與 P LC 主 CPU 并行工作，兩者之間通過總線接口進(jìn)行聯(lián)系，主 CPU 定期向模板發(fā) 送命令，模板也定期將自身的狀態(tài)訊息發(fā)送給主 CPU 。綜合以上所述， 在完成系統(tǒng)自身初始化以后， PLC 系統(tǒng)執(zhí)行用戶程序的循環(huán)掃描 方式可分為三個(gè)階段：輸入掃描、程序掃描

18、、輸出掃描。而計(jì)算量比較大或者響 應(yīng)實(shí)時(shí)性比較高的應(yīng)用則由自帶 CPU 的專用模板和專用軟件來實(shí)現(xiàn)。1 、功能強(qiáng)，性能價(jià)格比高一臺(tái)小型 PLC 內(nèi)有成百上千個(gè)可供用戶使用的編程元件，有很強(qiáng)的功能，可以 實(shí)現(xiàn)非常復(fù)雜的控制功能。與相同功能的繼電器相比，具有很高的性能價(jià)格比。 可篇程序控制器可以通過通信聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)分散控制，集中管理。2 、硬件配套齊全，用戶使用方便，適應(yīng)性強(qiáng)可編程序控制器產(chǎn)品已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化，系列化，模塊化，配備有品種齊全的各種硬件 裝置供用戶選用。用戶能靈活方便的進(jìn)行系統(tǒng)配置，組成不同的功能、不規(guī)模的 系統(tǒng)。楞編程序控制器的安裝接線也很方便，一般用接線端子連接外部接線。 P LC 有很

19、強(qiáng)的帶負(fù)載能力，可以直接驅(qū)動(dòng)一般的電磁閥和交流接觸器。3 、可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)中使用了大量的中間繼電器、時(shí)間繼電器。由于觸點(diǎn)接觸 不良，容易出現(xiàn)故障， PLC 用軟件代替大量的中間繼電器和時(shí)間繼電器，僅剩下 與輸入和輸出有關(guān)的少量硬件， 接線可減少互繼電器控制系統(tǒng)的 1/10-1/100 ， 因觸點(diǎn)接觸不良造成的故障大為減少。PLC 采取了一系列硬件和軟件抗干擾措施， 具有很強(qiáng)的抗干擾能力， 平均無故障 時(shí)間達(dá)到數(shù)萬小時(shí)以上， 可以直接用于有強(qiáng)烈干擾的工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)， PLC 已被廣 大用戶公認(rèn)為最可靠的工業(yè)控制設(shè)備之一。4 、系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試工作量少PLC 用軟件功能取代了繼電器控制系統(tǒng)中大量的中間繼電器、 時(shí)間繼電器、 計(jì)數(shù) 器等器件，使控制柜的設(shè)計(jì)、安裝、接線工作量大大減少。PLC 的梯形圖程序一般采用順序控