PLC脈沖輸出指令的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

王旭東

(天津開(kāi)發(fā)區(qū)職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子信息學(xué)院，天津 300457)

在生產(chǎn)機(jī)械的自動(dòng)控制領(lǐng)域，PLC(Programmable Logic Controller)控制系統(tǒng)的應(yīng)用非常廣泛。其功能已遠(yuǎn)超出了邏輯控制、順序控制的范圍，它與計(jì)算機(jī)有效結(jié)合，可以進(jìn)行模擬量控制，具有遠(yuǎn)程通信等功能，是現(xiàn)代工業(yè)控制的三大支柱(PLC、機(jī)器人、CAD/CAM)之一。目前可編程序控制器簡(jiǎn)稱(chēng)PLC已廣泛應(yīng)用于冶金、礦業(yè)、機(jī)械，輕工等領(lǐng)域，為工業(yè)自動(dòng)化提供了有力的工具［1］。本文以自動(dòng)針布機(jī)控制系統(tǒng)為例實(shí)現(xiàn)脈沖輸出指令設(shè)計(jì)。

本文摒棄了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)形式，利用可編程控制器PLC系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行控制，匹配抗干擾光電隔離輸入/輸出接口，取代了工業(yè)上傳統(tǒng)的繼電器邏輯控制系統(tǒng)，使設(shè)計(jì)更加簡(jiǎn)潔，操作更加方便、可靠［2］。另一特點(diǎn)就是系統(tǒng)構(gòu)造簡(jiǎn)單，抗干擾能力強(qiáng)，大幅提高了精度要求。

1 PLC的基本結(jié)構(gòu)

PLC采用典型的計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)，主要包括 CPU、RAM、ROM和輸入/輸出接口電路等。如果把PLC看作是一個(gè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)由輸入變量－PLC－輸出變量組成，外部的各種開(kāi)關(guān)信號(hào)、模擬信號(hào)、傳感器檢測(cè)信號(hào)均作為PLC的輸入變量，它們經(jīng)PLC外部端子輸入到內(nèi)部寄存器中，經(jīng)PLC內(nèi)部邏輯運(yùn)算或其他各種運(yùn)算、處理后送到輸出端子，它們是PLC的輸出變量，由這些輸出變量對(duì)外圍設(shè)備進(jìn)行各種控制［3］。

可編程控制器的工作過(guò)程采用周期循環(huán)掃描。用戶(hù)程序通過(guò)編程器或其他輸入設(shè)備輸入存放在PLC的用戶(hù)存儲(chǔ)器中。當(dāng)PLC開(kāi)始運(yùn)行時(shí)，CPU根據(jù)系統(tǒng)監(jiān)控程序的規(guī)定順序，通過(guò)掃描完成各輸入點(diǎn)的狀態(tài)采集或輸入數(shù)據(jù)采集、用戶(hù)程序的執(zhí)行、各輸出點(diǎn)狀態(tài)的更新、編程器鍵入響應(yīng)和顯示更新以及CPU自檢等功能［4］。

2 控制方法及研究

2.1 CPM2A的特殊功能簡(jiǎn)介

日本OMRON(立石)公司的CPMA系列小型機(jī)目前有CPM1A、CPM2A兩種機(jī)型。它的機(jī)箱小巧，但集成了豐富的控制功能，主要包括同步脈沖控制、中斷輸入、脈沖輸出、模擬量設(shè)定和時(shí)鐘定時(shí)控制等功能。CPMA型小型機(jī)的CPU單元又是一個(gè)獨(dú)立的控制單元，能處理大范圍的控制信息，所以還可以用作設(shè)備內(nèi)安裝的控制單元。由于自動(dòng)針布機(jī)控制系統(tǒng)的性能要求，選用CPM2A型PLC作為核心控制部件。

CPM2A型PLC體積小、價(jià)格低、功能先進(jìn)，具有良好的性能價(jià)格比。CPM2A型具有其他PLC所具有的功能:邏輯運(yùn)算、定時(shí)器功能、位移、加減運(yùn)算、條件判別、分支、跳轉(zhuǎn)、暫存、譯碼、編碼、BCD數(shù)轉(zhuǎn)換等功能，另外還增加了其他低檔PLC所不具備的功能［5］。

2.1.1 脈沖輸出

CPM2A型PLC10通道的00輸出點(diǎn)和01輸出點(diǎn)專(zhuān)門(mén)用于產(chǎn)生脈沖信號(hào)的輸出端口，脈沖頻率可通過(guò)軟件編程進(jìn)行調(diào)節(jié)，其輸出頻率范圍為20 Hz2 kHz，可以對(duì)頻率高達(dá)2 kHz的輸入脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)。脈沖輸出可以設(shè)置成連續(xù)模式或獨(dú)立模式。在連續(xù)模式下，由指令控制脈沖輸出的停止;在獨(dú)立模式下，當(dāng)輸出的脈沖數(shù)達(dá)到指定數(shù)目(1～16 777 215)時(shí)，脈沖輸出停止［5］。

CPM2A型PLC內(nèi)設(shè)計(jì)了同步脈沖輸出，這種設(shè)計(jì)可使外圍設(shè)備與檢測(cè)裝置實(shí)現(xiàn)同步運(yùn)行。通過(guò)PLC的控制，使得脈沖編碼器檢測(cè)到的速度信號(hào)能直接驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)基本的位置控制。正是利用這一特點(diǎn)，PLC與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器相連，來(lái)控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向以及轉(zhuǎn)數(shù)。

2.1.2 中斷功能

不僅如此，CPM2A還增加了中斷功能、間隔計(jì)時(shí)器中斷功能，可進(jìn)行分散控制和模擬量控制。它有兩種中斷類(lèi)型:一種是外部中斷，另一種是內(nèi)部中斷。

2.1.3 輸入延時(shí)濾波

CPM2A的輸入端采用輸入延時(shí)濾波，可防止因開(kāi)關(guān)機(jī)械抖動(dòng)帶來(lái)的不可靠性，其延時(shí)時(shí)間可根據(jù)要求進(jìn)行調(diào)節(jié)。

2.2 控制步進(jìn)電機(jī)的硬件設(shè)計(jì)

在控制系統(tǒng)中，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)主要用于控制工作臺(tái)前進(jìn)和后退的移動(dòng)量，所以選用結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單的兩相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，其步距角為1.8°?？删幊炭刂破鱌LC與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器及電動(dòng)機(jī)的連接如圖1所示［6］。

圖1中，M為開(kāi)關(guān)量，控制電機(jī)的運(yùn)行方向;M=1為順序分配即正轉(zhuǎn);M=0為逆序分配即反轉(zhuǎn);CP為矩形波，控制電機(jī)的啟、停、運(yùn)行速度和長(zhǎng)度，脈沖寬度＞10μs。OPTO端為3路信號(hào)的公共正端［7］。

圖1 PLC與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器的連接示意圖

由圖1可以看出，將PLC脈沖輸出端的公共端COM0和輸出點(diǎn)的公共端COM1皆與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器COM公共端相連。驅(qū)動(dòng)器的脈沖信號(hào)輸入端CP外接2 kΩ限流電阻接至PLC的脈沖輸出觸點(diǎn)01000。PLC的01001觸點(diǎn)用于控制步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向，外接2 kΩ的限流電阻連接至方向電平輸入端M。驅(qū)動(dòng)器的公共陽(yáng)端OPTO外加2 kΩ限流電阻接至+24 V直流電源上。

2.3 控制步進(jìn)電機(jī)的軟件設(shè)計(jì)

在控制系統(tǒng)中，步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)數(shù)、方向及時(shí)間等參數(shù)是變量，需要根據(jù)針布上鋼釘?shù)姆植记闆r和鋼釘?shù)拈L(zhǎng)短來(lái)進(jìn)行設(shè)定。這些參數(shù)只需要在更換生產(chǎn)針布品種之前設(shè)定一次參數(shù)，不需要每次操作都設(shè)置。根據(jù)針布機(jī)的操作要求，確定各個(gè)動(dòng)作的順序和相互之間的關(guān)系，畫(huà)出程序流程圖，再由PLC輸入輸出的邏輯關(guān)系編寫(xiě)出梯形圖［8－9］。脈沖輸出指令為PULS(65)和SPED(64)［10］。將輸出點(diǎn)01001置1，控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)，設(shè)置相應(yīng)脈沖數(shù)，啟動(dòng)脈沖輸出指令MOV(21)，PULS(65)，SPED(64)［11］，觸點(diǎn) 01000 輸出脈沖數(shù)為520，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)。步進(jìn)電機(jī)停轉(zhuǎn)后，01000常開(kāi)觸點(diǎn)閉合，CNT010計(jì)一次數(shù);常開(kāi)觸點(diǎn)TIM003接通，重復(fù)進(jìn)行以上動(dòng)作，直到CNT010計(jì)滿3次數(shù)時(shí)，CNT010常開(kāi)觸點(diǎn)接通，觸發(fā)下一控制動(dòng)作運(yùn)行。當(dāng)定時(shí)器TIM007定時(shí)結(jié)束后，TIM007常閉觸點(diǎn)斷開(kāi)，01001觸點(diǎn)斷開(kāi)，使步進(jìn)電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，行輸出960個(gè)脈沖。計(jì)數(shù)器CNT011計(jì)數(shù)兩次，計(jì)數(shù)結(jié)束后，進(jìn)行輸出1 200個(gè)脈沖。當(dāng)定時(shí)器TIM009定時(shí)結(jié)束，常開(kāi)觸點(diǎn)TIM009閉合，觸點(diǎn)00002接通，進(jìn)行下一次循環(huán)?？刂铺菪螆D如圖2所示。

圖2 控制梯形圖

3 結(jié)束語(yǔ)

采用PLC來(lái)控制電磁閥和步進(jìn)電機(jī)后，使控制電路的復(fù)雜連線和時(shí)間繼電器等元件在其內(nèi)部進(jìn)行軟連接，可大幅提高設(shè)備的可靠性，減少故障率。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)性能可靠穩(wěn)定，可滿足各項(xiàng)工藝要求，生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量均有所提高。實(shí)踐證明，以PLC為核心的自動(dòng)控制系統(tǒng)，是一種簡(jiǎn)單有效、成本低廉的解決方案。

系統(tǒng)安裝和維修都很方便。只需把提供輸入信號(hào)的按鈕、限位開(kāi)關(guān)、光電開(kāi)關(guān)和無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)等元件與PLC的輸入接口相連;把功率輸出元件電磁閥、電磁鐵和接觸器等與PLC的輸出接口相連，即安裝完畢;修理檢查方便快捷［12］。

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