通過S7-200高速計(jì)數(shù)器和編碼器進(jìn)行定位控制

張偉

（新疆喀拉通克礦業(yè)有限責(zé)任公司富蘊(yùn)836100）

通過S7-200高速計(jì)數(shù)器和編碼器進(jìn)行定位控制

張偉

（新疆喀拉通克礦業(yè)有限責(zé)任公司富蘊(yùn)836100）

在往返式傳動(dòng)控制系統(tǒng)中，我們經(jīng)常會遇到多點(diǎn)定位問題。文中以撈渣機(jī)往返運(yùn)動(dòng)定位控制為例，采用西門子公司S7-200PLCCPU224控制器，利用旋轉(zhuǎn)編碼器和PLC高速計(jì)數(shù)器進(jìn)行精確的定位控制。經(jīng)過現(xiàn)場測試運(yùn)行，這種定位控制可靠性高，運(yùn)行效果好。

自動(dòng)控制高速計(jì)數(shù)器旋轉(zhuǎn)編碼器S7-200

1 前言

撈渣機(jī)是有色冶金行業(yè)最常用的設(shè)備之一，其中一個(gè)用途就是將水淬后的高冰鎳從冷卻水中分離出來。經(jīng)過轉(zhuǎn)爐吹煉后的高冰鎳熔體經(jīng)過冷卻水水淬后變成細(xì)渣，經(jīng)過撈渣機(jī)打撈，通過電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)鋼絲繩拉著撈渣機(jī)運(yùn)行到固定位置，然后電機(jī)反轉(zhuǎn)將撈渣機(jī)運(yùn)行到初始位置，繼續(xù)打撈高冰鎳，就這樣一直做往返運(yùn)動(dòng)。我公司原有的撈渣機(jī)的控制是采用人工控制，通過人肉眼觀察撈渣機(jī)的運(yùn)行位置，然后手動(dòng)調(diào)節(jié)電位器，以調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，在接近預(yù)設(shè)定的裝、卸載位置后，人為停止運(yùn)行，但此種方法因人工操作的熟練程度不一樣，時(shí)常造成過卷和過放，給安全生產(chǎn)帶來一定的隱患?，F(xiàn)采用西門子S7-200 PLCCPU224控制器，利用分辨率為1024P∕R的旋轉(zhuǎn)編碼器，然后通過CPU224高速計(jì)數(shù)器對脈沖個(gè)數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)，并換算成撈渣機(jī)的運(yùn)行距離，最終實(shí)現(xiàn)撈渣機(jī)到達(dá)固定位置時(shí)自動(dòng)停下。

2 編碼器

編碼器是用來測量轉(zhuǎn)速的裝置，它是一種將旋轉(zhuǎn)位移轉(zhuǎn)換成一串?dāng)?shù)字脈沖信號的旋轉(zhuǎn)式傳感器，又稱旋轉(zhuǎn)編碼器。旋轉(zhuǎn)編碼器通過光電轉(zhuǎn)換，可將輸出軸的角位移、角速度等機(jī)械量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電脈沖。將編碼器與齒輪條或螺旋杠結(jié)合在一起，就可用于測量直線位移。編碼器輸出脈沖，再通過PLC高速計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，最終經(jīng)過處理轉(zhuǎn)換成直線位移也是現(xiàn)在編碼器用來測量位移的一種主要方式。當(dāng)控制對象發(fā)生位置變化時(shí)，編碼器便會發(fā)出A、B兩相正交計(jì)數(shù)脈沖，脈沖個(gè)數(shù)與位移量成比例關(guān)系，通過對脈沖計(jì)數(shù)就能計(jì)算出相應(yīng)的位移。絕對編碼器光碼盤上有許多道刻線，每道刻線依次以2線、4線、8線、16線……編排，這樣，在編碼器的每一個(gè)位置，通過讀取每道刻線的通、暗，獲得一組從20～2n-1的唯一的2進(jìn)制編碼（格雷碼），這就稱為n位絕對編碼器。這樣的編碼器是由碼盤的機(jī)械位置決定的，它不受停電、干擾的影響。絕對編碼器由機(jī)械位置決定的每個(gè)位置的唯一性，它無需記憶，無需找參考點(diǎn)，而且不用一直計(jì)數(shù)，什么時(shí)候需要知道位置，什么時(shí)候就去讀取它的位置。這樣，編碼器的抗干擾特性、數(shù)據(jù)的可靠性大大提高了。

編碼器按照工作原理可以分為增量式和絕對式兩種。增量式編碼器是將位移轉(zhuǎn)換成周期性的電信號，再把這個(gè)電信號轉(zhuǎn)變成計(jì)數(shù)脈沖，用脈沖的個(gè)數(shù)表示位移的大小，文中所使用的編碼器就是增量式編碼器。絕對式編碼器的每一個(gè)位置對應(yīng)一個(gè)確定的數(shù)字碼。而絕對編碼器光碼盤上有許多道刻線，每道刻線依次以2線、4線、8線、16線……編排，這樣，在編碼器的每一個(gè)位置，通過讀取每道刻線的通、暗，獲得一組從20～2n-1的唯一的2進(jìn)制編碼（格雷碼），這就稱為n位絕對編碼器。這樣的編碼器是由碼盤的機(jī)械位置決定的，它不受停電、干擾的影響，適用于對位置計(jì)量要求較高的場合及要求抗干擾要求高的位置。

3 西門子S7-200PLC高速計(jì)數(shù)器

西門子200PLC高速計(jì)數(shù)器用于對CPU掃描速率無法控制的高速事件進(jìn)行計(jì)數(shù)，最多可配置12種不同的操作模式。如表1所示：S7-200的CPU22X中共有6種高速計(jì)數(shù)器HSC0-HSC5，其中CPU222和CPU221沒有HSC1和HSC2，高速計(jì)數(shù)器的工作模式通過高速計(jì)數(shù)器指令設(shè)定。

表1 西門子S7-200CPU高速計(jì)數(shù)器分類

高速計(jì)數(shù)器指令包括：定義高速計(jì)數(shù)器指令HDEF和執(zhí)行高速計(jì)數(shù)指令HSC，見圖1。

圖1 西門子S7-200CPU定義高速計(jì)數(shù)器指令

定義高速計(jì)數(shù)器指令HDEF功能是為某個(gè)要使用的高速計(jì)數(shù)器選定一種工作模式。每個(gè)高速計(jì)數(shù)器在使用前，都要用HDEF指令來定義工作模式，并且只能用一次。它有兩個(gè)輸入端：HSC為要使用的高速計(jì)數(shù)器編號，數(shù)據(jù)類型為字節(jié)型，數(shù)據(jù)范圍為0～5的常數(shù)，分別對應(yīng)HC0～HC5;MODE為高速計(jì)數(shù)的工作模式，數(shù)據(jù)類型為字節(jié)型，數(shù)據(jù)范圍為0～11的常數(shù)，分別對應(yīng)12種工作模式。當(dāng)準(zhǔn)許輸入使能EN有效時(shí)，為指定的高速計(jì)數(shù)器HSC定義工作模式MODE。

執(zhí)行高速計(jì)數(shù)器指令HSC功能是根據(jù)與高速計(jì)數(shù)器相關(guān)的特殊繼電器確定在控制方式和工作狀態(tài)，使高速計(jì)數(shù)器的設(shè)置生效，按照指令的工作模式的工作模式執(zhí)行計(jì)數(shù)操作。它有一個(gè)數(shù)據(jù)輸入端N：N為高速計(jì)數(shù)器的編號，數(shù)據(jù)類型的字型，數(shù)據(jù)范圍為0～5的常數(shù)，分別對應(yīng)高速計(jì)數(shù)器HC0～HC5.當(dāng)準(zhǔn)許輸入EN使能有效時(shí)，啟動(dòng)N號高速計(jì)數(shù)器工作。

在使用西門子200系列PLC高速計(jì)數(shù)器要尤其注意的是，高速計(jì)數(shù)器的輸入端不像普通輸入端那樣由用戶自己定義，而是由系統(tǒng)指定的輸入點(diǎn)輸入信號，每個(gè)高速計(jì)數(shù)器對它所支持的脈沖輸入端，方向控制，復(fù)位和啟動(dòng)都有專用的輸入點(diǎn)，通過比較或中斷完成預(yù)定的操作。每個(gè)高速計(jì)數(shù)器輸入點(diǎn)見表2。

表2 西門子S7-200CPU高速計(jì)數(shù)器輸入點(diǎn)

文中使用的是HC0高速計(jì)數(shù)器，它的輸入點(diǎn)I0.0和I0.1為編碼器A、B兩相正交脈沖輸入點(diǎn)，I0.2為計(jì)數(shù)器HC0外部復(fù)位信號輸入點(diǎn)。

4 硬件結(jié)構(gòu)

工藝要求見圖2，撈渣機(jī)在渣池和漏斗之間往返運(yùn)行，電機(jī)正向運(yùn)行帶動(dòng)KM1工作鋼絲繩拉著撈渣斗向下運(yùn)行，電機(jī)反向運(yùn)行帶動(dòng)KM2工作鋼絲繩拉著撈渣斗向上運(yùn)行；編碼器連接至與電機(jī)相連的減速機(jī)輸出軸上，跟著電機(jī)一起轉(zhuǎn)動(dòng)，撈渣機(jī)在渣池和漏斗罐之間的運(yùn)行距離經(jīng)過測量為50m，編碼器投運(yùn)后，經(jīng)過多次測試，撈渣機(jī)從渣池運(yùn)行到漏斗罐編碼器輸出的脈沖個(gè)數(shù)為105600±100個(gè),編碼器分辨率為1024P∕R，即編碼器旋轉(zhuǎn)一圈輸出1024個(gè)脈沖。工藝要求通過編碼器的采集脈沖數(shù)換算成撈渣機(jī)的運(yùn)行的位移，并且將撈渣機(jī)運(yùn)行的距離（0～50m）轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的4～20mA模擬量信號輸出，通過二次顯示儀顯示出撈渣機(jī)的位移（便于人員手動(dòng)控制使用），撈渣機(jī)便于操作人員準(zhǔn)確控制撈渣機(jī)的啟停位置，同時(shí)此控制系統(tǒng)電控部分采用變頻器控制，通過相應(yīng)轉(zhuǎn)換按鈕可實(shí)現(xiàn)手動(dòng)、自動(dòng)切換，同時(shí)根據(jù)PLC的位置反饋對電機(jī)啟停進(jìn)行控制。

圖2 工藝示意圖

根據(jù)上述要求，編碼器硬件接線見圖3，現(xiàn)場使用的是西門子CPU226控制器，高數(shù)計(jì)數(shù)器為HC0，所以編碼器A、B兩相正交脈沖輸入點(diǎn)為I0.0和I0.1.外部計(jì)數(shù)器復(fù)位信號輸入點(diǎn)為I0.2。Q0.0為撈渣機(jī)運(yùn)行到漏斗罐上停止電機(jī)1轉(zhuǎn)動(dòng)的DO點(diǎn)，Q0.1為撈渣機(jī)運(yùn)行回渣池停止電機(jī)2轉(zhuǎn)動(dòng)的DO點(diǎn)。

圖3 編碼器接線圖

5 軟件編程

選用高速計(jì)數(shù)器HSC0，A∕B相正交計(jì)數(shù)，外部信號復(fù)位，對高數(shù)計(jì)數(shù)器清零，所以選擇計(jì)數(shù)器工作模式為“10”。當(dāng)計(jì)數(shù)值HC0=105600時(shí)，產(chǎn)生中斷，給當(dāng)前計(jì)數(shù)器清零。

圖4中PLC上電啟動(dòng)，執(zhí)行一次子程序SBR_0，SBR_0為定義高數(shù)計(jì)數(shù)器工作模式，主程序初始化HSC0。

圖4初始化計(jì)數(shù)器

圖5 中將高速計(jì)數(shù)器0的脈沖數(shù)HC0的值轉(zhuǎn)換成撈渣機(jī)實(shí)際運(yùn)行的距離，存儲在VD28這個(gè)地址中，撈渣機(jī)運(yùn)行的最大距離為50m，編碼器輸出的最大脈沖數(shù)量為105600。

圖5 脈沖數(shù)轉(zhuǎn)換為撈渣機(jī)運(yùn)行距離

圖6 撈渣機(jī)運(yùn)行距離轉(zhuǎn)化為4～20ma標(biāo)準(zhǔn)電流信號

圖7 通過計(jì)數(shù)脈沖控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)

圖8 子程序SBR_0設(shè)定高速計(jì)數(shù)器模式

如圖6所示，將撈渣機(jī)運(yùn)行距離轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)的4～20ma信號輸出AQW0，并通過EM235模擬量輸出模塊輸出給數(shù)顯儀顯示，便于操作人員監(jiān)控。

如圖7所示，通過脈沖計(jì)數(shù)，在鋼絲繩子拉動(dòng)撈渣機(jī)運(yùn)行到上部漏時(shí)，給出一個(gè)DO點(diǎn)Q0.0停止電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)信號，Q0.1為撈渣機(jī)運(yùn)行回渣池停止電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的DO點(diǎn)。

如圖8所示，通過子程序SBR_0設(shè)定高數(shù)計(jì)數(shù)器工作模式，并在主程序中初始化調(diào)用。

6 結(jié)語

本文通過使用編碼器和西門子S7-200PLC高速計(jì)數(shù)器，實(shí)現(xiàn)了對撈渣機(jī)的定位控制，優(yōu)化了生產(chǎn)工藝流程，方便了現(xiàn)場操作人員使用。同時(shí)，通過對該方案的實(shí)施，也讓我對西門子S7-200PLC高速計(jì)數(shù)器的工作原理和旋轉(zhuǎn)編碼器的使用都有了更深刻的認(rèn)識。西門子S7-200PLC高速計(jì)數(shù)器功能的靈活性及實(shí)用性，使其在自動(dòng)化領(lǐng)域的應(yīng)用前景越來越廣闊，相信隨著自動(dòng)化水平的不斷發(fā)展，PLC高速計(jì)數(shù)器的功能也將更加完善。

收稿：2015-03-19

10.16206∕j.cnki.65-1136∕tg.2015.06.037