基于S7-200 PLC的位置控制器設(shè)計(jì)

王鵬

（中電科技集團(tuán)公司 第39研究所，陜西 西安710065）

對(duì)于由伺服電機(jī)帶動(dòng)的旋轉(zhuǎn)物體進(jìn)行位置控制，通常采用套軸式的電磁旋轉(zhuǎn)變壓器加復(fù)雜的處理電路來實(shí)現(xiàn)角度的編碼，再由角度編碼進(jìn)行位置的閉環(huán)控制。上述的位置控制多用于測(cè)角精度要求高的場(chǎng)合中，設(shè)備構(gòu)成復(fù)雜、成本較高。在某些實(shí)際應(yīng)用中，需要進(jìn)行較為簡(jiǎn)單的位置定位。比如在一個(gè)由伺服電機(jī)帶動(dòng)的機(jī)械機(jī)構(gòu)需要在360°的旋轉(zhuǎn)范圍內(nèi)進(jìn)行4個(gè)或多個(gè)檔位的定位，實(shí)際應(yīng)用中像建筑行業(yè)中控制閥門的大小來對(duì)給水量、水泥量、沙石量進(jìn)行控制或軍工工程控制，這樣的定位控制精度要求不高，采用上述的方法進(jìn)行位置控制顯然不夠經(jīng)濟(jì)，成本過高。

PLC（Programmable Logic Controller）在工業(yè)控制中應(yīng)用廣泛。其高可靠性、高穩(wěn)定性、友好的編程環(huán)境以及輔以觸摸式人機(jī)界面，使得各種工業(yè)控制更方便直觀、經(jīng)濟(jì)可靠。這里主要闡述了基于S7-200PLC[1]實(shí)現(xiàn)位置控制方法。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)是以PLC控制器為核心的位置控制系統(tǒng)，包含伺服電機(jī)、光電編碼器、操作及顯示屏、上位計(jì)算機(jī)、伺服電機(jī)控制電路和狀態(tài)返回電路。其硬件總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件總體結(jié)構(gòu)框圖

1.1 S7-200 PLC

該系統(tǒng)設(shè)計(jì)核心部件采用西門子S7-200系列的PLC，該系列PLC功能豐富，具有多種功能模塊，可方便通過人機(jī)界面對(duì)設(shè)備進(jìn)行操作和監(jiān)視其狀態(tài)，高版本的PLC主機(jī)擁有2個(gè)通訊端口，在使用人機(jī)界面對(duì)設(shè)備進(jìn)行操作的同時(shí)還可通過RS-485接口和計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)邏輯運(yùn)算及狀態(tài)管理，對(duì)設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制和監(jiān)視。該系統(tǒng)使用S7-200 PLC的一個(gè)重要的功能：高速可逆計(jì)數(shù)。光電編碼器和伺服電機(jī)同軸連接，伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)光電編碼器產(chǎn)生連續(xù)的脈沖串，PLC通過輸入點(diǎn)讀取光電編碼器產(chǎn)生的脈沖，實(shí)現(xiàn)高速可逆計(jì)數(shù)。例如設(shè)置高、中、低3個(gè)給水量檔位并進(jìn)行控制。在調(diào)試階段應(yīng)先驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)進(jìn)行3個(gè)給水量的位置標(biāo)定，也就是說，高、中、低3個(gè)檔位分別對(duì)應(yīng)唯一的脈沖數(shù)。應(yīng)該注意的是，由于采用的是增量式光電編碼器，也就是說，當(dāng)編碼器掉電后并不能將當(dāng)前的脈沖數(shù)保存。所以在旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)上還要設(shè)置2個(gè)限位開關(guān)，一來保護(hù)機(jī)械結(jié)構(gòu)；二來把逆向的限位開關(guān)的位置定為零位，這樣相對(duì)于這個(gè)零位的高、中、低3個(gè)給水檔位從光電編碼器讀到的脈沖數(shù)即為這3個(gè)檔位的位置。這3個(gè)位置可通過PLC編程對(duì)其控制。圖2給出S7-200 PLC高速可逆計(jì)數(shù)器的時(shí)序圖。

圖2 S7-200 PLC高速計(jì)數(shù)器時(shí)序圖

1.2 光電編碼器

光電編碼器，是一種通過光電轉(zhuǎn)換將輸出軸上的機(jī)械幾何位移量轉(zhuǎn)換成脈沖或數(shù)字量的傳感器。這是目前應(yīng)用最多的傳感器，光電編碼器是由光柵盤和光電檢測(cè)裝置組成。光柵盤是在一定直徑的圓板上等分地開通若干個(gè)長(zhǎng)方形孔。由于光電碼盤與電動(dòng)機(jī)同軸，電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，光柵盤與電動(dòng)機(jī)同速旋轉(zhuǎn)，經(jīng)發(fā)光二極管等電子元件組成的檢測(cè)裝置檢測(cè)輸出若干脈沖信號(hào)，此外，為判斷旋轉(zhuǎn)方向，碼盤還可提供相位相差90°的兩路脈沖信號(hào)。圖3為在實(shí)際項(xiàng)目中采用光電編碼器的時(shí)序圖，從圖中可以看出此光電編碼器的相位判斷角度為90°±45°；另外圖中標(biāo)識(shí)的CW（順時(shí)針）和CCW（逆時(shí)針）可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用在PLC程序中自行定義。圖4為在實(shí)際項(xiàng)目中采用光電編碼器的內(nèi)部電路和外部引線圖。

圖3 光電編碼器時(shí)序圖

圖4 光電碼盤的內(nèi)部電路和外部引線

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

該系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的重點(diǎn)為：1）準(zhǔn)確配置高速計(jì)數(shù)器；2）位置控制器的允差設(shè)計(jì)，允差的選擇應(yīng)盡量小以提高伺服系統(tǒng)的控制精度，在滿足系統(tǒng)定位精度的前提下，允差的設(shè)計(jì)上還需要考慮于機(jī)械結(jié)構(gòu)定位的分辨率，以免設(shè)置值過小機(jī)械結(jié)構(gòu)控制不到位而引起驅(qū)動(dòng)電機(jī)反復(fù)轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)節(jié)，往往需要現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定；3）初始位置的精確標(biāo)定，需要注意的是初次標(biāo)定各檔位位置時(shí)應(yīng)使用手動(dòng)控制方式，并且要將機(jī)械限位開關(guān)狀態(tài)接入PLC。由于采用增量式光電編碼器，計(jì)數(shù)器當(dāng)前值要存在PLC的掉電可保存寄存器MD14中。

2.2 程序設(shè)計(jì)

在程序中首先需要將高速計(jì)數(shù)器配置為A/B相正交輸入，4倍計(jì)數(shù)速率，增計(jì)數(shù)，并使能高速計(jì)數(shù)器[2]，然后將標(biāo)定好的各檔位位置填入相應(yīng)的地址中，并且設(shè)置允差為兩個(gè)脈沖，也就是說各檔位的脈沖數(shù)加減2即為相應(yīng)的到位。伺服系統(tǒng)傳動(dòng)裝置的間隙是多樣性的，并且對(duì)伺服控制的性能有影響，設(shè)置允差的目的是為了消除由于伺服傳動(dòng)間隙引起的系統(tǒng)不穩(wěn)定，從而準(zhǔn)確定位[3-5]。位置定位程序的流程如圖5所示。

圖5 位置定位允差控制的程序流程

在程序設(shè)計(jì)時(shí)除順、逆限位和順轉(zhuǎn)、逆轉(zhuǎn)的互鎖程序外，重點(diǎn)在于如何用PLC實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)重復(fù)定位。主要設(shè)計(jì)程序如下：

3 工程應(yīng)用情況

這種設(shè)計(jì)方法被利用在某軍用雷達(dá)工程的衰減器控制的4位置定位系統(tǒng)中，系統(tǒng)要求驅(qū)動(dòng)機(jī)械部件在0°～360°內(nèi)的4個(gè)位置往返定位，定位精度要求0.1°。在具體的設(shè)計(jì)中驅(qū)動(dòng)電機(jī)選用型號(hào)為55TYD02的交流電機(jī)，編碼機(jī)構(gòu)選用型號(hào)為OMRON E6B2的相對(duì)式光電碼盤。位置的行程范圍360°對(duì)應(yīng)于8 400個(gè)脈沖，則使用S7－200 PLC高速計(jì)數(shù)器讀入的位置分辨率為360°/8 400=0.043°；根據(jù)機(jī)械結(jié)構(gòu)實(shí)際標(biāo)定位置允差值設(shè)置為2個(gè)脈沖，此定位系統(tǒng)的控制精度可達(dá)到0.86°，滿足系統(tǒng)定位精度0.1°的要求，電機(jī)正向或反向運(yùn)轉(zhuǎn)一次到位，快速準(zhǔn)確。

4 結(jié)束語(yǔ)

PLC適用于比較惡劣的工業(yè)環(huán)境，通過其通訊口和上位計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)通訊[6]，可以使操作人員在安全的環(huán)境下實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制；光電編碼器構(gòu)造原理簡(jiǎn)單，機(jī)械壽命可達(dá)幾萬(wàn)小時(shí)以上，抗干擾能力強(qiáng)。由兩者為核心構(gòu)成的硬件電路實(shí)現(xiàn)位置控制方法適用于具有多個(gè)設(shè)置點(diǎn)重復(fù)定位的機(jī)械旋轉(zhuǎn)控制設(shè)備，完全滿足一般的工業(yè)控制要求。這種設(shè)計(jì)原理清晰、硬件需求明確、易于實(shí)現(xiàn)、調(diào)試維護(hù)方便，具有很好實(shí)用和適用性。上述的位置控制方法已經(jīng)應(yīng)用于某軍用雷達(dá)工程的衰減器控制中，其控制精度可達(dá)到0.86°，滿足系統(tǒng)定位精度0.1°的要求，設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定可靠，效果良好。

[1]SIEMENS.深入淺出西門子S7－200 PLC[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2005.

[2]SIEMENS.西門子S7－200系統(tǒng)手冊(cè)[Z].蘇州：西門子（中國(guó)）有限公司，2003.

[3]張莉松，胡佑德，徐立新.伺服系統(tǒng)原理與設(shè)計(jì)[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2006.

[4]爾桂花，竇日軒.運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2002.

[5]唐永哲.電力傳動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，1997.

[6]常健生.檢測(cè)與轉(zhuǎn)換技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1983.