PLC高速計(jì)數(shù)器在傳送帶位置控制中的應(yīng)用

王麗平　李春亞

【摘 要】自動(dòng)化生產(chǎn)線中常常要求傳送帶上的工件在指定位置被推送到料槽內(nèi)進(jìn)行分流，因此工件的準(zhǔn)確定位非常重要。本文設(shè)計(jì)一個(gè)傳送帶位置控制系統(tǒng)，利用PLC內(nèi)置的高速計(jì)數(shù)器對編碼器發(fā)出的脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)傳送帶上工件的準(zhǔn)確位置控制。

【關(guān)鍵詞】位置控制；高速計(jì)數(shù)器；編碼器

0 引言

隨著自動(dòng)化水平的不斷提高，越來越多的工業(yè)場合需要精確的位置控制[1]。本文是以亞龍YL-335B型自動(dòng)化生產(chǎn)線為平臺(tái)，該生產(chǎn)線由供料、加工、裝配、分揀和輸送 5個(gè)單元組成。其中，分揀單元是 YL-335B生產(chǎn)線中的最末單元，對輸送單元送來的已加工、裝配好的工件進(jìn)行分揀。當(dāng)輸送單元送來工件放到傳送帶上并被入料口光電傳感器檢測到時(shí)，即啟動(dòng)變頻器，三相異步交流電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)傳送帶輸送工件，使不同顏色和材質(zhì)的工件在不同的位置從不同的料槽分流。因此，準(zhǔn)確的位置控制非常關(guān)鍵。

1 傳送帶位置控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 硬件組成

在YL-335B型自動(dòng)化生產(chǎn)線上，分揀站主要實(shí)現(xiàn)工件到指定料槽的分流。本文設(shè)計(jì)的傳送帶位置控制系統(tǒng)由PLC、三相交流異步電機(jī)、編碼器、變頻器及傳送帶機(jī)構(gòu)組成。其工作原理是變頻器啟動(dòng)后，控制電機(jī)以一定轉(zhuǎn)速運(yùn)行，驅(qū)動(dòng)傳送帶工作，利用旋轉(zhuǎn)編碼器將傳送帶上工件的位移轉(zhuǎn)化為脈沖數(shù)，用PLC內(nèi)置的高速計(jì)數(shù)器對編碼器發(fā)出的脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，對傳送帶上的工件進(jìn)行準(zhǔn)確位置控制，從而實(shí)現(xiàn)工件的分流。

PLC選用SIEMENS公司的S7-200-224 XP/DC/RLY型PLC，內(nèi)置HSC0～HSC5共6個(gè)高速計(jì)數(shù)器；編碼器選用增量式旋轉(zhuǎn)編碼器，分辨率為500線，工作電源為DC12～24V，與電動(dòng)機(jī)同軸聯(lián)接；驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用三相交流異步電動(dòng)機(jī)，功率為0.37Kw，額定電壓為380V，其作用是驅(qū)動(dòng)傳送帶輸送工件；變頻器采用西門子MM420機(jī)型，電源電壓為380V，額定功率為750W，用來控制三相交流異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。

1.2 增量式旋轉(zhuǎn)編碼器概述

增量式旋轉(zhuǎn)編碼器由碼盤和光電檢測裝置組成[2]。碼盤是在一定直徑的圓板上等分地開通若干個(gè)長方形狹縫。由于碼盤與電動(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裝置檢測輸出若干脈沖信號(hào)。為了反映電機(jī)旋轉(zhuǎn)的方向，通常利用光電轉(zhuǎn)換原理輸出三組方波脈沖A、B和Z相；A、B兩組脈沖相位差 90°。YL-335B 分揀單元的三相交流異步電動(dòng)機(jī)上就使用了這種具有 A、B 兩相 90°相位差的通用型旋轉(zhuǎn)編碼器。通過計(jì)算每秒旋轉(zhuǎn)編碼器輸出脈沖的個(gè)數(shù)就能反映當(dāng)前電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速；通過計(jì)算輸出脈沖的個(gè)數(shù)就能得到電機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度，從而得到傳送帶上工件移動(dòng)的位移。

1.3 三相交流異步電動(dòng)機(jī)和變頻器概述

三相交流異步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡單堅(jiān)固，價(jià)格低廉，在電力拖動(dòng)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。當(dāng)交流異步電動(dòng)機(jī)電源頻率為f1，磁極數(shù)為p，轉(zhuǎn)差率為s時(shí)，異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n=60f（1-s）/p。通常采用通用變頻器對電動(dòng)機(jī)電源頻率進(jìn)行改變，從而調(diào)節(jié)電機(jī)速度。本文所用的變頻器為西門子MM420 機(jī)型。變頻器有上千個(gè)設(shè)定參數(shù)，每個(gè)參數(shù)均有一定的選擇范圍，只有系統(tǒng)地、合適地、準(zhǔn)確地設(shè)置參數(shù)才能充分利用變頻器性能[3]。本文通過設(shè)定操作面板參數(shù)，并結(jié)合外部端子使電動(dòng)機(jī)按恒定頻率進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)。

設(shè)置變頻器參數(shù)之前，要對變頻器進(jìn)行復(fù)位。設(shè)置P0010=30，P0970=1，經(jīng)過大約60s，即可完成變頻器的參數(shù)復(fù)位。復(fù)位后，設(shè)置P0010=1，按照三相交流異步電動(dòng)機(jī)的具體參數(shù)對變頻器進(jìn)行快速調(diào)試。由于PLC的輸出端Q0.0與變頻器的外部端子DIN1相連接，從而實(shí)現(xiàn)對變頻器進(jìn)行啟動(dòng)停止控制，故應(yīng)設(shè)置命令源參數(shù)P0700=2，即命令源選擇“由端子排輸入”；設(shè)置P0701=16，即將DIN1功能設(shè)定為固定頻率。為了使交流電動(dòng)機(jī)按恒定頻率運(yùn)行，設(shè)置P1000為3，指定頻率設(shè)定值信號(hào)源為固定頻率；設(shè)置P1001=30，即將電機(jī)運(yùn)行的固定頻率值設(shè)定為30Hz。參數(shù)設(shè)置完成以后，當(dāng)PLC的Q0.0端輸出高電平信號(hào)時(shí)，變頻器啟動(dòng)運(yùn)行，電動(dòng)機(jī)按照30Hz的固定頻率旋轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)傳送帶工作。

1.4 硬件連接圖

編碼器的A、B 兩相輸出端直接連接到PLC的高速計(jì)數(shù)器輸入端I0.0和I0.1端。變頻器的數(shù)字輸入點(diǎn)DIN1連接到PLC的輸出端Q0.0。380V三相交流電源經(jīng)熔斷器、變頻器的L1、L2、L3端，輸出到交流電動(dòng)機(jī)的U、V、W端。變頻器和電動(dòng)機(jī)需接地，高速計(jì)數(shù)器的脈沖輸入端用屏蔽線，以防止外界干擾而產(chǎn)生計(jì)數(shù)誤差。其硬件連接如圖1所示。

2 軟件設(shè)計(jì)

2.1 控制要求

當(dāng)輸送單元送來工件放到傳送帶上并被入料口光電傳感器檢測到時(shí)，PLC的Q0.0端輸出高電平信號(hào)，啟動(dòng)變頻器，控制交流電機(jī)以30Hz的頻率運(yùn)行，編碼器開始發(fā)出脈沖信號(hào)，PLC的高速計(jì)數(shù)器開始對脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)。由于分揀單元主動(dòng)軸的直徑為 d=43 mm，編碼器為500線，故脈沖當(dāng)量μ=πd/500≈0.273 mm。按分揀單元上各部分的安裝尺寸，當(dāng)工件從下料口移至第一個(gè)料槽中心點(diǎn)時(shí)，約發(fā)出 614 個(gè)脈沖；移至第二個(gè)料槽中心點(diǎn)時(shí)，約發(fā)出 96個(gè)脈沖；移至第三個(gè)料槽中心點(diǎn)時(shí)，約發(fā)出 1284個(gè)脈沖。當(dāng)傳送帶上工件到到達(dá)指定位置時(shí)，推桿就會(huì)將其推到指定料槽內(nèi)。

2.2 高速計(jì)數(shù)器認(rèn)知

當(dāng)PLC需對比其掃描頻率高的輸入信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)時(shí)，為避免輸入脈沖信號(hào)丟失，需使用高速計(jì)數(shù)器來實(shí)現(xiàn)。在分揀單元的PLC中，高速計(jì)數(shù)器有6個(gè)，其地址編號(hào)為HSC0～HSC5。高速計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)頻率與PLC的掃描周期無關(guān)，有12種不同的工作模式。

高速計(jì)數(shù)器的HDEF 指令功能是選定工作模式；HSC 指令功能是啟動(dòng)高速計(jì)數(shù)器，使高速計(jì)數(shù)器的設(shè)置生效。高速計(jì)數(shù)器的輸入端由系統(tǒng)指定，每個(gè)高速計(jì)數(shù)器都劃分有不同的輸入點(diǎn)，每個(gè)輸入點(diǎn)有專用的功能如脈沖輸入，方向控制，復(fù)位和啟動(dòng)等。如高速計(jì)數(shù)器HSC0占用I0.0、I0.1和I0.2三個(gè)輸入點(diǎn)，若其工作模式為9時(shí)，則I0.0為A相脈沖輸入，I0.1為B相脈沖輸入，無復(fù)位啟動(dòng)功能。

2.3 程序編寫

旋轉(zhuǎn)編碼器輸出的脈沖信號(hào)形式為A/B相正交脈沖，無外部復(fù)位和啟動(dòng)信號(hào)。故采用工作模式為9，選用計(jì)數(shù)器為HSC0，B相脈沖從I0.0 輸入，A 相脈沖從I0.1輸入，計(jì)數(shù)倍頻設(shè)定為4倍頻。通過 STEP7-Micro/WIN 編程軟件進(jìn)行引導(dǎo)式編程，程序如圖2所示。

3 結(jié)束語

本文通過構(gòu)建一種簡單可行的位置控制系統(tǒng)，利用PLC的高速計(jì)數(shù)功能，讀取和三相交流異步電機(jī)同步的編碼器發(fā)出的高速脈沖信號(hào)，實(shí)現(xiàn)傳送帶上工件的精確位置控制。PLC的高速計(jì)數(shù)功能在實(shí)際中得到了很好的應(yīng)用，對設(shè)備自動(dòng)化控制具有理論和實(shí)際指導(dǎo)意義。

【參考文獻(xiàn)】

[1]楊奕.PLC高速計(jì)數(shù)器在傳送帶位置控制中的應(yīng)用[J].電氣自動(dòng)化，2007（4）：21-22/

[2]呂景泉.自動(dòng)化生產(chǎn)線安裝與調(diào)試[M].北京：中國鐵道出版社，2015.

[3]西門子（中國）有限公司.西門子變頻器手冊[Z].2003.

[責(zé)任編輯：楊玉潔]