PLC脈沖輸出控制功能及其應用

劉英會，岳偉利，張宗彩

（1.朔州職業(yè)技術(shù)學院，山西 朔州 036000；2.中煤平朔發(fā)展集團有限公司，山西 朔州 036000；3.西北工業(yè)大學機電學院，西安 710072）

0 引言

隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，降低了PLC 的生產(chǎn)成本，同時PLC 功能不斷豐富。PLC 可用于基本的邏輯控制、電動機的運動控制、多路模擬量的溫度、壓力、流量等連續(xù)變化量的控制?，F(xiàn)代PLC 還具有豐富的數(shù)學運算功能，通信聯(lián)網(wǎng)功能，能夠滿足工廠生產(chǎn)自動化、柔性制造系統(tǒng)等發(fā)展的需要。而歐姆龍PLC 具有較高的性價比，多種控制功能，廣泛應用在各個行業(yè)。歐姆龍公司的CP1H 系列PLC，較以往產(chǎn)品處理速度大大提升。外形小巧緊湊，執(zhí)行指令僅僅需要0.1 ps，并且其內(nèi)置功能強大。尤其是其多樣的脈沖控制功能，即從PLC 輸出端子中發(fā)出的占空比固定和可調(diào)的脈沖輸出信號，并將脈沖輸入伺服電動機驅(qū)動器進行定位或速度控制，可實現(xiàn)復雜的運動控制。但不同廠家的CPU 脈沖控制方式不同，對歐姆龍公司同類型的PLC其脈沖輸出的模式也有單獨模式和連續(xù)模式兩種。除此之外，多樣的脈沖輸出控制用到的指令也種類繁多不易理解，這給工程人員對脈沖輸出控制功能的使用帶來了困難。如何在生產(chǎn)實際中正確使用歐姆龍PLC的脈沖輸出控制功能，快速高效地應用于生產(chǎn)實際控制運動過程進而實現(xiàn)機電設備的精確運行，就必須了解PLC 脈沖輸出控制功能的具體知識和用法，因此對脈沖控制的特點、控制模式、軟件設置方法、脈沖輸出指令進行深入研究具有重要意義[1]。

1 CP1H系列脈沖控制的特點

對于CP1H 的X/XA 型，可支持100 kHz 最大4 軸的脈沖輸出。脈沖信號通過內(nèi)置的輸出點發(fā)出，輸入到步進或伺服驅(qū)動器中。該脈沖信號可實現(xiàn)定位及速度的控制。其豐富的脈沖輸出功能體現(xiàn)在以下幾方面：（1）可以選擇脈沖輸出方式為CW/CCW 或脈沖輸出加方向控制。（2）建立絕對坐標系后，自動比較指令值和當前值，判斷運動方向。（3）在連續(xù)模式控制中，可通過中斷轉(zhuǎn)為單獨模式的脈沖數(shù)定位控制。（4）可使用指令控制輸出脈沖的占空比。（5）在當前定位過程中，可利用其他指令改變目標位置和目標速度等。

2 脈沖輸出控制

2.1 脈沖輸出端子的分配

CP1H 系列X/XA 型PLC，脈沖輸出0-3 所使用的端子編號也有所不同，其輸出端子排列如表1 所示。對于輸入端，輸入0CH 的00 端、01 端分別連接脈沖輸出0 原點輸入信號和原點附近輸入信號。對于輸出端，PLC 為脈沖輸出0 分配的端子為100CH 的00 端、01 端。脈沖輸出1-3也有對應的輸入輸出端子，使用時需要對應。

表1 脈沖端口對應PLC端子的分配

2.2 脈沖輸出的模式

根據(jù)輸出脈沖量是否指定，脈沖輸出有單獨和連續(xù)兩種模式。當單獨模式的脈沖輸出量達到設定數(shù)值時，工作停止。而處于連續(xù)模式時，脈沖持續(xù)輸出直到收到脈沖停止的指示。前者常用于定位，后者用于速度控制[2]。

2.3 特殊輔助繼電器區(qū)域的分配

使用脈沖輸出功能時，系統(tǒng)配置了固定的特殊輔助繼電器。脈沖輸出0的當前值保存區(qū)域在A276，A277兩個存儲單元，分別存放十六進制數(shù)的低4 位和高4 位。CW 界限時輸入信號為A540.08，CCW 界限對應的信號為A540.09。

2.4 脈沖輸出指令

脈沖輸出指令主要包括：PULS、SPED、PRV、ORG、PLS2、ACC、PWM 等，下面對各個指令的功能及參數(shù)做簡要闡述。

（1）PULS

PULS 為脈沖量設定指令，此指令需要設定3 個參數(shù)C1、C2 和S。C1 的作用是指定脈沖輸出端口。例如使用脈沖輸出0 時，設定值為十六進制數(shù)0000。C2 的作用是指定脈沖的類型。如果輸出為相對脈沖則設為0000，為絕對脈沖設定為0001。S 指定輸出脈沖的個數(shù)，可以給出具體的數(shù)字或是存儲單元。

（2）SPED指令

SPED為頻率設定指令，同樣具有3個參數(shù)，其中C1與上述PULS 指令相同，C2 的4 位數(shù)字含義各有不同。最高位是固定值0，次高位表示脈沖輸出的模式，0表示CW/CCW 模式，而1 表示脈沖和方向模式。次低位是運動方向指定，0表示向CW 正轉(zhuǎn)側(cè)運動，1表示向CCW 反轉(zhuǎn)側(cè)運動。最低位為0時是連續(xù)模式輸出，為1時是單獨模式輸出。而S 參數(shù)設定的是輸出脈沖的頻率，可直接給出數(shù)值或以D存儲單元的形式。

（3）PRV指令

PRV 為脈沖當前值讀取指令，參數(shù)C1 指定讀取端口，參數(shù)C2 指定讀取內(nèi)容，如0000 讀取當前值，0003讀取脈沖輸出頻率。參數(shù)D 存儲當前值數(shù)據(jù)。它是按C2指定的內(nèi)容從C1 端口讀取脈沖的當前值，結(jié)果保存在D通道中。

（4）ORG指令

在CPU 的脈沖輸出作用中，利用脈沖輸出功能驅(qū)動電機，電機帶動執(zhí)行部件運動，完成預定的動作后返回起始位置原點。ORG指令具有原點搜索和原點返回的功能。

①原點搜索功能

在PLC 設定選項中，可以設定原點搜索的參數(shù)，例如查找方向、查找高速度、查找接近速度等值。設定參數(shù)后，將位置信號連接好，包含原點輸入信號、CW/CCW 極限信號。對于原點輸入信號，需要與脈沖輸出0-3 相對應。如對于脈沖輸出0，輸入0CH 的00 端子固定接入原點輸入信號，01 端子固定接入原點附近信號。其他脈沖輸出點可參考表2。

表2 脈沖輸出對應的原點控制信號

完成參數(shù)設定和信號連接后，在梯形圖中執(zhí)行ORG指令，輸出脈沖，驅(qū)動電動機，搜索原點。在PLC 執(zhí)行原點搜索功能時，首先從啟動頻率逐漸加速到最高頻率，然后按照最高速度運行，遇到原點附近輸入信號時，脈沖逐漸減速，一直到原點搜索附近時速度開始保持，當原點輸入信號有效時，PLC 輸出脈沖停止，執(zhí)行部件找到了原點位置。

②原點返回功能

在執(zhí)行原點返回功能時，電動機帶動執(zhí)行機構(gòu)可由其他位置向原點返回。電動機的運行速度經(jīng)過加速，勻速，減速階段，其中原點返回功能可在PLC 設定中設置加減速比率以及返回速度的具體數(shù)值。

ORG 指令共3個參數(shù)，C1指定脈沖輸出端口，C2指定脈沖輸出模式，共4 位十六進制數(shù)，最低位和次低位始終為00 固定值。次高位選擇脈沖輸出方式，如為CW/CCW 脈沖輸出則為0，而脈沖加方向輸出則為1。最高位為設定工作模式，原點搜索模式設定為0，原點返回模式設定為1[3]。

（5）PLS2指令

PLS2指令為定位控制，共4個參數(shù)。參數(shù)C1指定脈沖輸出端口。參數(shù)C2 指定脈沖輸出模式，參數(shù)S1 指定脈沖的加減速比率、目標頻率和脈沖輸出量。參數(shù)S2指定輸出脈沖的啟動頻率。假設參數(shù)S1 存放于D100 單元中，那么D100 內(nèi)數(shù)值為加速比率，D101 內(nèi)數(shù)值為減速比率，D102 和D103 單元分別存放目標頻率的低位和高位。D104 和D105 單元存放脈沖輸出量設定值的低位和高位，由此可知，指定一個地址單元，而其他連續(xù)單元也同時被使用。使用此指令時，需要提前通過數(shù)據(jù)傳送指令給存儲單元賦值，指定以上參數(shù)具體的數(shù)值。

（6）ACC指令

ACC 指令用于頻率加減速控制，共3 個參數(shù)。C1 作用是指定脈沖輸出端口，C2 指定脈沖輸出模式，其中最高位固定為0，其余3位依次為脈沖輸出方式控制、脈沖方向指定、工作模式設定功能。參數(shù)S 指定脈沖的加減速比率和目標頻率。假設參數(shù)S1 存放于D100 單元中，那么D100 的值為加減速比率的值。D101 和D102 單元存放目標頻率的低位和高位。相比較PLS2指令而言，加減速比率由一個單元設定，并且沒有脈沖輸出量控制單元。

（7）PWM指令

PWM 為脈寬可調(diào)信號，參數(shù)C1 含義與以上指令相同，參數(shù)S1指定脈沖頻率值，參數(shù)S2指定占空比。例如脈沖占空比為25%，可將25輸入到S2參數(shù)的位置。

3 脈沖輸出控制功能的應用

脈沖輸出控制指令在應用時需要考慮以下內(nèi)容，首先選擇脈沖輸出端口，脈沖輸出方式；根據(jù)脈沖輸出端口號，選用對應的輸入輸出端子，對應的特殊功能繼電器區(qū)域；在編程軟件中對PLC 相應的脈沖輸出口進行參數(shù)設定；最后在編程軟件中，利用基本編程指令及脈沖輸出控制專用的指令進行程序編寫。在本研究中，使用脈沖輸出0，實現(xiàn)原點搜索，原點復位，脈沖和頻率輸出以及當前頻率顯示功能。脈沖輸入0 的原點輸入信號為0CH 的00 端子，脈沖輸出選用的100CH 的00 和01 端子，分別用于輸出CW和CCW脈沖[4]。

3.1 脈沖輸出0的設置

在編程軟件中，雙擊左邊工程工作區(qū)域中的“設置”，彈出PLC 設定對話框，如圖1 所示，在選項卡中選擇“脈沖輸出0”，該界面共分為3 部分，分別是基本設置，定義原點操作，原點返回。在基本設置中，設定未定義的原點為“保持”，限制輸入信號操作設定為“只查找”，表示極限信號只有在原點搜索時起作用。限值輸入信號為NO常開信號。

圖1 脈沖輸出0的設置

在定義原點操作中，勾選使用定義原點操作后可進行設置。設置查找方向為CCW 即反轉(zhuǎn)側(cè)。偵測模式為模式2，僅使用原點輸入信號，當其由OFF 到ON 時，脈沖輸出停止，此位置為原點。查找操作設為反轉(zhuǎn)1，此項設定執(zhí)行部件在CCW、原點、CW 的不同位置時，返回原點的不同方式[5]。操作模式設為模式1。原點輸入信號和接近信號都設為NO 常開信號。查找高速度設為600 p/s，查找接近速度設為200 p/s，加減速比率均設置為10。在原點返回設置中，設置原點返回速度為600 pps，加減速比率設置為10。如果選用脈沖1-3，則需要設置對應的選項卡[6]。

3.2 單獨模式控制

單獨模式即定位模式，按照指定頻率運行固定的脈沖數(shù)后停止。按照本研究上述需要實現(xiàn)的功能，需要使用ORG、 SPED、 PULS、PRV 四個指令。I0.02、I0.03 分別為CCW、CW側(cè)的界限輸入信號，按照上述特殊功能繼電器區(qū)域的定義，CW 側(cè)當I0.03 信號為ON 時，A540.08 信號接通為ON。同理，CCW 側(cè)I0.02信號為ON時，A540.09接通。這兩個信號為保護信號，當執(zhí)行部件到左右界限位置時停止運動[7]。程序內(nèi)容如圖2所示。

圖2 脈沖輸出控制單獨模式梯形圖

I0.01 信號接通時，執(zhí)行ORG原點搜索操作，第一個參數(shù)設為#0000，表示指定脈沖輸出端口0，第二個參數(shù)#0000，表示執(zhí)行原點搜索操作，脈沖輸出采用CW/CCW方式。結(jié)合PLC設定中的參數(shù)，已經(jīng)設好的搜索方向及模式，進行原點搜索，碰到I0.0信號時，執(zhí)行機構(gòu)停止，建立原點位置[8]。

I0.06 信號接通，執(zhí)行PULS 和SPED 指令。PULS 指令中的第一個參數(shù)#0000，指定輸出端口0，第二個參數(shù)#0001 表示絕對脈沖指定，以剛才建立原點為參考點[9]。D0 表示要輸出的脈沖數(shù)，可通過MOV 指令傳送一個固定值，也可在運行時寫入改變當前值。通過以上設置，確定了通過脈沖輸出通道輸出D0個脈沖。

SPED 指令第一個參數(shù)#0000 與以上作用相同。第二個參數(shù)#0001，表示脈沖輸出模式時CW/CCW 模式，執(zhí)行機構(gòu)的運動方向是CW 方向，運動模式為單獨模式。脈沖頻率為600 Hz[10]。

PRV 指令設置為一直接通，第一個參數(shù)#0000，與以上作用相同。第二個參數(shù)#0003 表示讀取脈沖輸出頻率。D1000 用于保存讀取的脈沖輸出頻率值?？稍谶\行時監(jiān)控狀態(tài)下顯示具體數(shù)值。

按下I0.05，ORG 執(zhí)行原點返回操作，第二個參數(shù)#1000的最高位1表示執(zhí)行原點返回操作[11]。

3.3 連續(xù)模式控制

連續(xù)模式即速度控制模式，按照設定的頻率運行，當頻率值為0時停止，或使用指令強制停止。

接通I0.01，SPED 指令接通，參數(shù)1 的#0000 表示脈沖輸出0 工作，參數(shù)2 的#0000 表示脈沖輸出方式為CW/CCW 方式，脈沖輸出方向為CW 方向，工作模式為連續(xù)模式[12]。參數(shù)S 為500，表示輸出頻率為500 Hz，執(zhí)行后PLC輸出固定頻率值的脈沖。

接通I0.02，ACC 指令接通。ACC 的參數(shù)1和參數(shù)2 的值均為#0000，含義與上述SPED指令相同。參數(shù)2 為D100，其含義在上述內(nèi)容已作了介紹。數(shù)據(jù)傳送指令MOV 將數(shù)值5 傳入D100 單元中，其含義為加減速比率為5[13]。數(shù)值1 000 傳入D101 單元中，表示最高頻率為1 000 Hz。通過此指令，設定了加減速比率，最高頻率值，使執(zhí)行機構(gòu)進行速度的變化。

當處于連續(xù)模式時，需通過指令停止脈沖輸出，執(zhí)行機構(gòu)停止運行。而I0.03接通，ACC 參數(shù)各個參數(shù)沒有改變，但通過數(shù)據(jù)傳送指令將0 存儲在D101 單元中，將最高運行頻率設置為0，可實現(xiàn)停止運行。在該程序運行時，也可以通過PRV 指令監(jiān)控當前脈沖的輸出值的變化。程序內(nèi)容如圖3所示[14]。

圖3 脈沖輸出控制連續(xù)模式梯形圖

4 結(jié)束語

在機電設備的運行中，運動控制是必不可少的。通過對CP1H 系列PLC 的脈沖輸出控制功能特點的分析，脈沖輸出控制端子的正確分配，在軟件中控制功能的正確設置，編程中多種指令的正確選用，最終實現(xiàn)對步進或伺服電動機的控制，并實現(xiàn)所連接的執(zhí)行部件的位置和速度控制。在使用過程中，按照以上的步驟可正確將PLC 的脈沖輸出控制功能應用于實際。并且通過使用脈沖輸出控制的不同指令，可實現(xiàn)步進或伺服電機工作在單獨模式或連續(xù)模式的固定速度或加減速運動控制。該類型的PLC接線方式簡單，設置界面簡潔易操作，脈沖輸出控制指令易掌握，是現(xiàn)代制造業(yè)從業(yè)者的理想選擇[15]。