利用單片機控制的推進定位控制系統設計

利用單片機控制的推進定位控制系統設計

工程師黃明星 發表於 2018-08-03 08:06:00

1 引言

切紙機械是印刷和包裝行業最常用的設備之一。切紙機完成的最基本動作是把待裁切的材料送到指定位置，然後進行裁切。其控制的核心是一個單軸定位控制。我公司引進歐洲一家公司的兩臺切紙設備，其推進定位系統的實現是利用單片機控制的。控制過程是這樣的，當接收編碼器的脈衝信號達到設定值後，單片機系統輸出信號，斷開進給電機的接觸器，同時電磁離合制動器的離合分離，剎車起作用以消除推進系統的慣性，從而實現精確定位。由於設備的單片機控制系統老化，造成定位不準，切紙動作紊亂，不能正常生產。但此控制系統是早期產品，沒有合適配件可替換，只能採取改造這一途徑。目前國內進行切紙設備進給定位系統改造主要有兩種方式，一是利用單片機結合變頻器實現，一是利用單片機結合伺服系統實現，不過此兩種改造方案成本都在兩萬元以上。並且單片機系統是由專業開發公司設計，技術保守，一旦出現故障只能交還原公司維修或更換，維修周期長且成本高，不利於改造後設備的維護和使用。我們結合自己設備的特點提出了新的改造方案，就是用PLC的高速計數器功能結合變頻器的多段速功能實現定位控制，並利用HMI（人機界面HumanMachineInterface）進行裁切參數設定和完成一些手動動作。

2 改造的可行性分析

現在的大多PLC都具有高速計數器功能，不需增加特殊功能單元就可以處理頻率高達幾十或上百KHz的脈衝信號，而切紙機對進給系統的精度和響應速度要求不是很高。可以通過對切紙機進給系統相關參數的計算，合理的選用編碼器，讓脈衝頻率即能在PLC處理的範圍內又可以滿足進給的精度要求。在進給過程中，讓PLC對所接收的脈衝數與設定數值進行比較，根據比較結果驅動相應的輸出點對變頻器進行輸出頻率的控制，實現接近設定值時進給速度變慢，從而減小系統慣性，達到精確定位的目的。另外當今變頻器技術取得了長足的發展，使電機在低速時的轉矩大幅度提升，從而也保證了進給定位時低速推進的可行性。

3 主要控制部件的選取

3.1 PLC的選取

設備需要的輸入輸出信號如下：

x0脈衝輸入

x1脈衝輸入

x2前限位

x3後限位 y3 前進！

x4前減速位 y4 後退

x5電機運轉信號 y5 高速

x6刀上位 y6 中速

x7滑刀保護 y7 低速

x10壓紙器上位 y10

x11光電保護 y11

x12小車後位 y12 進給離合

x13雙手下刀按鈕 y13 壓板下

x14停止按鈕 y14 刀離合

x15連杆保護 y15 電機禁啟動

x16刀回復到位

針對這些必需的輸入點數，選用了FX1s－30MR的PLC，因為選用了人機界面，其它一些手動動作，如前進、後退、換刀等都通過人機界面實現，不需佔用PLC輸入點，從而為選用低價位的FX1s系列PLC成為可能，因為FX1s系列PLC輸入點最多只有16點。另外此系列PLC的高速計數器具有處理頻率高達60千赫的脈衝的能力，足可以滿足切紙機對精度的要求。

3.2 編碼器的選取

編碼器的選取要符合兩個方面，一是PLC接收的最高脈衝頻率，二是進給的精度。我們選用的是編碼器解析度是500P/R（每轉每相輸出500個脈衝）的。通過驗正可以知道此解析度可以滿足上面兩個條件。驗證所需的參數：電機最高轉速是1500轉/分（25轉/秒）、進給絲杆的導程是10mm/轉。驗證如下：

本系統脈衝最高頻率＝25轉/秒×500個/轉×2（A/B兩相）＝25KHz

理論進給解析度＝10mm/500=0.02mm

同時由上面的數據知道進給系統每走1mm編碼器發出50（此數據很重要，在PLC程序的數據處理中要用到）個脈衝信號。由於此工程中對編碼器的A/B 相脈衝進行了分別計數，使用了兩個高速計數器，且在程序中應用了高速定位指令，則此PLC可處理的最高脈衝頻率為30千赫，因此滿足了第一個條件;我們的切紙機的載切精度要求是0.2mm，可知理論精度完全滿足此要求。

3.3 變頻器和HMI的選取

這兩個部件我們都選用了三菱公司的產品，分別是FR-E540-0.75K-CH和F920GOT-BBD-K-C。

4 F920GOT-BBD-K-C的特點：

F920GOT是帶按鍵型的HMI，它的使用和編程非常簡單方便。它具有以下特點：1）可以方便的實現和PLC的數據交換；2）通過本身自帶的6個功能按鍵開關，可以控制PLC內部的軟繼電器，從而可以減少PLC輸入點的使用;3）具有兩個通訊口，一個RS232C（用於和個人電腦通訊）和一個 RS422（用於和PLC通訊），利用電腦和F920GOT相連後不僅可以對HMI進行程序的讀取和上傳，還可以直接對PLC的程序進行上傳下載、調整和監控。

5 PLC和HMI程序的編寫

此工程中程序的難點主要在於數據的處理上。在切紙機工作過程中除手動讓進給定位機構前進後退外，還要實現等分裁切功能和指定具體位置定位功能，並且 HMI上還要即時顯示定位機構的當前位置。我們為了簡化程序中的計算，採用了兩個高速計數器C235和C236。C236通過計算前進後退的脈衝數，再進行換算後用於顯示進給機構的當前位置；C235用於進行精確定位。定位過程是這樣的，每次進給機構需要定位工作時，通過計算把需要的脈衝數送到C235，不論進給機構前進還是後退C235進行減計數，同時對C235中的數值進行比較，根據比較結果驅動相應的輸出點對變頻器進行輸出頻率的控制，實現接近設定值時進給速度變慢，從而達到精確定位。因為任何系統都有慣性和時間上的遲滯，所以變頻器停止輸出的時間並不是C235中的計數值減小到0時，而是讓 C235和一個數據寄存器D130比較，當C235中的值減小到D130中的設定值時PLC控制變頻器停止輸出。D130的值可通過人機界面進行修改和設定，在調試時通過修改這個值，以達到定位準確的目的。顯示定位機構當前位置的程序見下圖1，

圖1顯示定位機構當前位置程序段

實現定位控制的程序段見下圖2。

圖2定位程序段

還有一個問題是參數設定時的小數點位問題，實際工作中在設定位置時要精確到0.1mm。這個問題在一些單片機系統中常會遇到，常見的處理辦法是加大一個數量級，就是設定數據時，在人機界面上用1代替0.1mm，10代替1mm。不過我們在處理此問題時通過HMI中對數據的設置和PLC的程序編寫達到了所見即所得的效果。HMI中主要是對數值的格式要設定好。HMI中的設置畫面見下圖。

圖3HMI中數據設置畫面

比如我要等分裁切10.5mm的紙，就可以在HMI上設定為10.5，而不是像我公司其它設備上要設為105，但PLC的寄存器D128的內容是105而不是10.5，這樣在計算需要的脈衝數時就要用下面一條命令：

MULD128K5D10（此命令中儘管編程時D11不出現但實際上寄存器D11被佔用，不能再應用於其它地方，否則會出現問題。）

而不是用：

MULD128K50D10

編程中其它應注意的問題。一是雙線圈問題。本工程中利用條件跳轉和步進指令避免了雙線圈問題。二是誤信號問題。編碼器是一種比較精密的光電產品，受振動時不可避免的會出現誤信號，而切紙機在執行裁切動作時會造成很大振動，如果忽視這個現象，定位精度和執行機構當前位置的顯示都會不準確。本工程中處理方法參見上面例子程序圖1，只有Y3、Y4接通，即只有進給機構前進和後退時才讓C236進行計數，這樣就屏蔽了裁切時震動造成的誤信號。

6 變頻器的參數設置

此工程中需設定的變頻器的主要參數見下。

參數 號名 稱設定值

0 轉矩提升 8%（低速時電機轉矩不足時可提高此數字）

43 速設定（高速） 30Hz

53 速設定（中速） 10Hz

63 速設定（低速） 2Hz

7 加速時間 0.5s

8 減速時間 0.5s

24 多段速設定（4速）50Hz

79 操作模式 2（只執行外部操作）

在調試過程中為了達到定位速度和精度的完美結合，應對三段速設定值，加減速時間和HMI中D130、D200和D202的數值進行相應調整。

7 結論

通過上述的改造過程，完全恢復了我們切紙機的功能，試用三個月以來運行非常穩定。由這個應用實例可以看出結合PLC的高速計數器功能，合理的進行應用，在一定場合可以取代高成本的定位控制系統，實現控制系統最優的性價比。也迎合了我國當前提出的建設節約型社會的宗旨。

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