【導(dǎo)讀】PLC控制器一向是工業(yè)控制中應(yīng)用最廣泛的。PLC控制器以其穩(wěn)定性高、可靠性高、編程環(huán)境友好的特性使得各種工業(yè)控制直觀、經(jīng)濟(jì)、可靠。本文主要闡述的是基于S7-200PLC的位置控制器的實(shí)現(xiàn)。
對于由伺服電機(jī)帶動(dòng)的旋轉(zhuǎn)物體進(jìn)行位置控制，通常采用套軸式的電磁旋轉(zhuǎn)變壓器加復(fù)雜的處理電路來實(shí)現(xiàn)角度的編碼，再由角度編碼進(jìn)行位置的閉環(huán)控制。上述的位置控制多用于測角精度要求高的場合中，設(shè)備構(gòu)成復(fù)雜、成本較高。在某些實(shí)際應(yīng)用中，需要進(jìn)行較為簡單的位置定位。比如在一個(gè)由伺服電機(jī)帶動(dòng)的機(jī)械機(jī)構(gòu)需要在360°的旋轉(zhuǎn)范圍內(nèi)進(jìn)行4個(gè)或多個(gè)檔位的定位，實(shí)際應(yīng)用中像建筑行業(yè)中控制閥門的大小來對給水量、水泥量、沙石量進(jìn)行控制或軍工工程控制，這樣的定位控制精度要求不高，采用上述的方法進(jìn)行位置控制顯然不夠經(jīng)濟(jì)，成本過高。
PLC在工業(yè)控制中應(yīng)用廣泛。其高可靠性、高穩(wěn)定性、友好的編程環(huán)境以及輔以觸摸式人機(jī)界面，使得各種工業(yè)控制更方便直觀、經(jīng)濟(jì)可靠。這里主要闡述了基于S7-200PLC實(shí)現(xiàn)位置控制方法。
系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
該系統(tǒng)是以PLC控制器為核心的位置控制系統(tǒng)，包含伺服電機(jī)、光電編碼器、操作及顯示屏、上位計(jì)算機(jī)、伺服電機(jī)控制電路和狀態(tài)返回電路。其硬件總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。
圖1：系統(tǒng)框圖
該系統(tǒng)設(shè)計(jì)核心部件采用西門子S7-200系列的PLC，該系列PLC功能豐富，具有多種功能模塊，可方便通過人機(jī)界面對設(shè)備進(jìn)行操作和監(jiān)視其狀態(tài)，高版本的PLC主機(jī)擁有2個(gè)通訊端口，在使用人機(jī)界面對設(shè)備進(jìn)行操作的同時(shí)還可通過RS-485接口和計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)邏輯運(yùn)算及狀態(tài)管理，對設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制和監(jiān)視。該系統(tǒng)使用S7-200 PLC的一個(gè)重要的功能：高速可逆計(jì)數(shù)。光電編碼器和伺服電機(jī)同軸連接，伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)光電編碼器產(chǎn)生連續(xù)的脈沖串，PLC通過輸入點(diǎn)讀取光電編碼器產(chǎn)生的脈沖，實(shí)現(xiàn)高速可逆計(jì)數(shù)。例如設(shè)置高、中、低3個(gè)給水量檔位并進(jìn)行控制。在調(diào)試階段應(yīng)先驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)進(jìn)行3個(gè)給水量的位置標(biāo)定，也就是說，高、中、低3個(gè)檔位分別對應(yīng)唯一的脈沖數(shù)。應(yīng)該注意的是，由于采用的是增量式光電編碼器，也就是說，當(dāng)編碼器掉電后并不能將當(dāng)前的脈沖數(shù)保存。所以在旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)上還要設(shè)置2個(gè)限位開關(guān)，一來保護(hù)機(jī)械結(jié)構(gòu)；二來把逆向的限位開關(guān)的位置定為零位，這樣相對于這個(gè)零位的高、中、低3個(gè)給水檔位從光電編碼器讀到的脈沖數(shù)即為這3個(gè)檔位的位置。這3個(gè)位置可通過PLC編程對其控制。圖2給出S7-200 PLC高速可逆計(jì)數(shù)器的時(shí)序圖。
圖2：S7-200 PLC高速計(jì)數(shù)器時(shí)序圖
光電編碼器
光電編碼器，是一種通過光電轉(zhuǎn)換將輸出軸上的機(jī)械幾何位移量轉(zhuǎn)換成脈沖或數(shù)字量的傳感器。這是目前應(yīng)用最多的傳感器，光電編碼器是由光柵盤和光電檢測裝置組成。光柵盤是在一定直徑的圓板上等分地開通若干個(gè)長方形孔。由于光電碼盤與電動(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，此外，為判斷旋轉(zhuǎn)方向，碼盤還可提供相位相差90°的兩路脈沖信號。圖3為在實(shí)際項(xiàng)目中采用光電編碼器的時(shí)序圖，從圖中可以看出此光電編碼器的相位判斷角度為90°±45°；另外圖中標(biāo)識(shí)的CW（順時(shí)針）和CCW（逆時(shí)針）可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用在PLC程序中自行定義。圖4為在實(shí)際項(xiàng)目中采用光電編碼器的內(nèi)部電路和外部引線圖。
圖3：光電編碼器時(shí)序圖
圖4 光電編碼器的內(nèi)部電路和外部引線
工程應(yīng)用情況這種設(shè)計(jì)方法被利用在某軍用雷達(dá)工程的衰減器控制的4位置定位系統(tǒng)中，系統(tǒng)要求驅(qū)動(dòng)機(jī)械部件在0°～360°內(nèi)的4個(gè)位置往返定位，定位精度要求O.1°。在具體的設(shè)計(jì)中驅(qū)動(dòng)電機(jī)選用型號為55TYD02的交流電機(jī)，編碼機(jī)構(gòu)選用型號為OMRON E6B2的相對式光電碼盤。位置的行程范圍360°對應(yīng)于8 400個(gè)脈沖，則使用S7-200 PLC高速計(jì)數(shù)器讀入的位置分辨率為360°/8400=0.043°；根據(jù)機(jī)械結(jié)構(gòu)實(shí)際標(biāo)定位置允差值設(shè)置為2個(gè)脈沖，此定位系統(tǒng)的控制精度可達(dá)到0.86°，滿足系統(tǒng)定位精度0.1°的要求，電機(jī)正向或反向運(yùn)轉(zhuǎn)一次到位，快速準(zhǔn)確。
并將激光二極管的陰極與去耦電容以一個(gè)短路徑相連。由于導(dǎo)線的電感，即使選用一個(gè)非常好的旁路電容也會(huì)受到響應(yīng)限制，因此有必要在電源旁放置一個(gè)電感，并且在電感旁接一個(gè)去耦電容來防止供應(yīng)線上的切換電流產(chǎn)生的電磁干擾。并將激光二極管的陰極與去耦電容以一個(gè)短路徑相連。由于導(dǎo)線的電感，即使選用一個(gè)非常好的旁路電容也會(huì)受到響應(yīng)限制，因此有必要在電源旁放置一個(gè)電感，并且在電感旁接一個(gè)去耦電容來防止供應(yīng)線上的切換電流產(chǎn)生的電磁干擾。并將激光二極管的陰極與去耦電容以一個(gè)短路徑相連。由于導(dǎo)線的電感，即使選用一個(gè)非常好的旁路電容也會(huì)受到響應(yīng)限制，因此有必要在電源旁放置一個(gè)電感，并且在電感旁接一個(gè)去耦電容來防止供應(yīng)線上的切換電流產(chǎn)生的電磁干擾。并將激光二極管的陰極與去耦電容以一個(gè)短路徑相連。由于導(dǎo)線的電感，即使選用一個(gè)非常好的旁路電容也會(huì)受到響應(yīng)限制，因此有必要在電源旁放置一個(gè)電感，并且在電感旁接一個(gè)去耦電容來防止供應(yīng)線上的切換電流產(chǎn)生的電磁干擾。
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