西门子6ES7223-1PL22-0XA8产品特点

西门子6es7223-1pl22-0xa8产品特点

在往返式传动控制系统中，很多时候都会涉及到多点定位问题。即要求在不同的定位点启动不同的机械动作。但由于机械惯性的作用，常常会给系统带来定点误差。本系统以龙门刨床的机械传动为例，采用plc作为控制器，通过变频器调节速度，利用光电编码器和plc高速计数器进行定位控制，从而实现jingque定位。

关键字：变频器; plc; 高速计数器; 光电编码器

1 龙门刨床的机械传动控制要求

图1 往返式机械传动示意图

　　图1所示的龙门刨床的机械传动示意图。传动系统从原点启动，中速行驶到1000mm，开始高速行驶，高速行驶到3000mm，开始低速爬行，低速爬行到终点（3200mm）停车。停顿2s。反向高速行驶，高速行驶到距原点200mm处开始低速爬行。到达原点停车，停顿2s后重新开始往返。在原点和终点低速爬行的目的是为了避免系统惯性带来的定点误差，做到原点和终点的jingque定位停车。

2 龙门刨床机械传动的plc控制系统硬件设计

　　2.1 系统对变频器的控制要求

　　变频器的正反转由继电器k1、k2控制，速度的切换由继电器k3、k4完成。变频器故障报警输出触点（30a、30c触点）用于立即停止高速计数器运行，并由指示灯hr指示。

　　变频器具有多段速度设定功能，当k3、k4两个继电器触点都断开时，高速行驶（速度）;k3闭合，k4断开时，中速行驶（第二速度）;k3断开，k4闭合时，低速行驶（第三速度）;k3、k4都闭合时，手动调节行驶（第四速度）。

　　旋钮sf用于手动/自动切换，并用指示灯hg1表示自动状态。手动时，能够通过按钮sa1（电机正转）和sa2（电机反转）手动调节传动系统的位置。

　　按钮sa用于传动系统在自动状态下的启动/停止控制。采用“一键开关机”方式实现启动/停止控制，用指示灯hg2表示启动状态。

　　行程开关sq用于自动启动时，确定传动系统在原点位置，自动停止时，传动系统必须返回原点。行程开关sq1、sq2用于传动系统的两端限位，确保传动系统不能脱离设备。

　　2.2 plc系统硬件系统的构成及连接

　　为了实现对龙门刨床机械传动的jingque定位，本系统采用plc作为控制器，通过变频器进行速度调节，采用光电编码器和plc高速计数器进行定位控制。根据龙门刨床的机械传动控制要求，系统中有开关量输入点8个，开关量输出点7个，光电编码器a相输入一个，因此选用siemens的cpu224作为控制器，其i/o点的分配及系统接线如图2所示。

图2 龙门刨床机械传动plc控制系统接线图

3 plc梯形图程序的设计

　　plc的梯形图程序设计包含主程序（用于实时调用手动子程序sbr_0和自动子程序sbr_1）、子程序sbr_0（用于实现对系统的手动控制）和sbr_1（用于实现对系统的自动控制）和中断处理程序int_0程序（用于处理高速计数器计数当前值到达不同预置值的处理）。由于篇幅所限，以下将以中断处理程序int_0程序为例，说明变频器对速度的控制和调节。其梯形图如下。

4 梯形图设计过程中要注意的几个关键问题

　　4.1通过多次更改高速计数器的中断和预置值实现多点定位

　　实现多点定位控制的关键包括两点，点是设置高速计数器中断事件12（计数器当前值=计数器预置值），另一点就是在中断处理程序中更改高速计数器预置值。

　　定位控制需要测量定位点与原点的距离，然后将单位距离（mm）转换成脉冲量，通过光电编码器和plc高速计数器记录脉冲量的变化。本系统中，光电编码器的机械轴和电动机同轴。传动比=10，用于驱动设备的传动辊直径=100mm，光电编码器每转脉冲数=600个/转。可以计算出每毫米距离的脉冲数为：

　　每毫米距离的脉冲数=600÷（10×100×3.14）≈0.19108脉冲/mm

　　定点位和预置值比较，必须采用高速计数器中断方式，而不能采用一般的比较指令。因为一般的比较指令无法捕捉高速变化的事件。

　　所以，必须通过atch和eni指令将高速计数器中断事件号12（（计数器当前值=计数器预置值）与中断处理程序int_0连接。在中断处理程序int_0中，到达预置值时，重新装载下一次的预置值，并执行工艺要求的继电器输出，处理变频器的运行速度。

　　在自动子程序sbr_1中，将高速计数器hc0设置为单相计数输入，没有外部控制功能。在原点和终点通过更改计数方向，便于中断处理程序int_0判断变频器的运行方向。

　　4.2 在中断处理程序int_0中不能使用等于比较指令

　　由于在一个中断处理程序int_0中判断处理多个预置值。需要比较指令和计数方向来判断目前高速计数器计数当前值在哪个阶段，根据判断来决定执行那一段指令。但是，判断不能使用等于比较指令，应该使用大于或小于指令判断。

　　尽管中断事件（计数器当前值=计数器预置值）发生时，plc立即中断当前主程序、子程序，执行中断处理程序int_0中的指令。但是，在中断处理程序int_0中，plc仍然是按照逐条逐行的扫描机制执行。而高速变化的计数值不可能和中断处理程序执行同步，如果采用等于比较指令，plc在执行中断处理程序时，可能会错过等于值，使plc在中断处理程序中无法判断设备运行到哪个阶段。

　　4.3 在自动运行时，高速计数器的初始值寄存器写入必须禁止

　　由于多点定位需要多次装载预置值，写入预置值必须执行hsc指令。

　　执行hsc写入指令，不单单是写入预置值，如果在控制字节中不加以限制，初始值寄存器smd38中的值同样写入。而smd38=0，这样，就会使高速计数器计数当前值置0。因此，在自动运行时，必须设置控制字节smb37的第七位sm37.6为0，在装载预置值时，禁止写入初始值。

　　但是，在高速计数器初始设置和返回原点重新开始运行时，又必须写入初始值，使初始值置0，避免机械原因带来的误差。因此，控制字节必须多次修改。遵循的原则是：允许写入初始值、执行hsc指令后，必须马上修改控制字节，禁止初始值写入，并再次执行hsc指令，中间不能有其它指令存在。

　　4.4 多点定位的输出线圈尽量采用立即指令

　　采用高速计数器进行多点定位，主要为了jingque定位。定位精度既决定于高速计数器的测量，同时也决定于执行机构的执行快速性。

　　如果采用普通输出指令，在一个扫描周期的程序执行阶段，改变的仅仅是输出映像存储器，plc的输出点不会立即刷新，只有在程序执行完毕后，plc的输出映像存储器才能对输出点刷新，执行输出。

　　为了增加定位精度，尽量采用立即输出指令。立即输出指令不受plc扫描周期阶段的限制，在改变输出映像存储器的同时，立即刷新plc输出点。

　　4.5自动/手动程序采用for-next循环指令和子程序指令实现

　　本系统中的自动/手动功能通过采用for-next指令和子程序指令实现。自动程序和手动程序实际上就是两个循环指令的循环体。而循环指令仅执行一次循环扫描刷新。

　　手动子程序sbr_0和自动子程序sbr_1用于整个程序的分段，便于程序的理解，增加程序的可读性。for-next循环指令的作用是使输出线圈能够重复使用，简化程序。

　　中断处理程序：int_0

　　

　　当变频器正向运行（由sm36.5判断，增计数为正向运行，sm36.5=1），高速计数器当前值等于19108（1000mm）时，继电器k3（q0.2）、k4（q0.3）断开，变频器速度设定为高速正向行驶（速度）。同时将高速计数器预置值更改为57325（3000mm）。

　　当变频器正向运行，高速计数器当前值等于59325（3000mm）时，继电器k3（q0.2）断开、k4（q0.3）接通，变频器速度设定为低速正向爬行行驶（第三速度）。同时将高速计数器预置值更改为61146（3200mm）。

　　当变频器正向运行，高速计数器当前值等于61146（3200mm）时，表明达到终点，继电器k1（q0.0）、k2（q0.1）、k3（q0.2）、k4（q0.3）全部复位断开，变频器立即停止运行。同时，发出终点到达信号m0.1，让子程序sbr_1处理停顿2s时间，并由sbr_1处理反向运行设置。

　　当变频器反向运行（由sm36.5判断，减计数为反向运行，sm36.5=0），高速计数器当前值等于3822（200mm）时，继电器k3（q0.2）断开、k4（q0.3）接通，变频器速度设定为低速反向爬行行驶（第三速度）。同时将高速计数器预置值更改为0。

　　当变频器反向运行（由sm36.5判断，减计数为反向运行，sm36.5=0），高速计数器当前值等于0时，表明变频器返回到达原点。继电器k1（q0.0）、k2（q0.1）、k3（q0.2）、k4（q0.3）全部复位断开，变频器立即停止运行。同时，发出原点到达信号m0.0，让子程序sbr_1处理停顿2s时间，并由sbr_1处理正向重新运行设置。

本文创新点：

　　往返式传动控制系统的多点定位是一个较难解决的问题，本系统采用plc作为控制器，通过变频调速，利用光电编码器和plc高速计数器进行定位控制，克服了往返式传动控制系统中由于机械惯性的作用给系统带来的定点误差，从而实现了jingque定位。

切纸机械是印刷和包装行业常用的设备之一。切纸机完成的基本动作是把待裁切的材料送到指定位置，然后进行裁切。其控制的核心是一个单轴定位控制。我公司引进欧洲一家公司的两台切纸设备，其推进定位系统的实现是利用单片机控制，当接收编码器的脉冲信号达到设定值后，单片机系统输出信号，断开进给电机的接触器，同时电磁离合制动器的离合分离，刹车制动推进系统的惯性，从而实现jingque定位。由于设备的单片机控制系统老化，造成定位不准，切纸动作紊乱，不能正常生产。但此控制系统是早期产品，没有合适配件可替换，只能采取改造这一途径。目前国内进行切纸设备进给定位系统改造主要有两种方式，一是利用单片机结合变频器实现，一是利用单片机结合伺服系统实现，不过此两种改造方案成本都在两万元以上。并且单片机系统是由开发公司设计，技术保守，一旦出现故障只能交还原公司维修或更换，维修周期长且成本高，不利于改造后设备的维护和使用。我们结合自己设备的特点提出了新的改造方案，就是用plc的高速计数器功能结合变频器的多段速功能实现定位控制，并利用hmi（人机界面human machine interface）进行裁切参数设定和完成手动操控。

2 改造的可行性分析
    现在的大多plc都具有高速计数器功能，不需增加特殊功能单元就可以处理频率高达几十或上百khz的脉冲信号。切纸机对进给系统的精度和响应速度要求不是很高，可以通过对切纸机进给系统相关参数的计算，合理的选用编码器，让脉冲频率即能在plc处理的范围内又可以满足进给的精度要求。在进给过程中，plc对所接收的脉冲数与设定数值进行比较，根据比较结果驱动相应的输出点对变频器进行输出频率的控制，实现接近设定值时进给速度变慢，从而减小系统惯性，达到jingque定位的目的。另外当今变频器技术取得了长足的发展，使电机在低速时的转矩大幅度提升，从而也保证了进给定位时低速推进的可行性。

3 主要控制部件的选取
3.1 plc的选取
    设备需要的输入输出信号如表1所示。

表1 plc输入输出分配表

    针对这些必需的输入点数，选用了fx1s－30mr的plc，因为选用了人机界面，其它一些手动动作，如前进、后退、换刀等都通过人机界面实现，不需占用plc输入点，从而为选用低价位的fx1s系列plc成为可能，因为fx1s系列plc输入点多只有16点。另外此系列plc的高速计数器具有处理频率高达60千赫的脉冲的能力，足可以满足切纸机对精度的要求。
3.2 编码器的选取
    编码器的选取要符合两个方面，一是plc接收的高脉冲频率，二是进给的精度。我们选用的是编码器分辨率是500p/r（每转每相输出500个脉冲）的。通过验正可以知道此分辨率可以满足上面两个条件。验证所需的参数：电机高转速是1500转/分（25转/秒）、进给丝杆的导程是10mm/转。验证如下：

    本系统脉冲高频率＝25转/秒×500个/转×2（a/b两相）＝25khz

    理论进给分辨率＝10mm/500=0.02mm

    同时由上面的数据知道进给系统每走1mm编码器发出50（此数据很重要，在plc程序的数据处理中要用到）个脉冲信号。由于此工程中对编码器的a/b相脉冲进行了分别计数，使用了两个高速计数器，且在程序中应用了高速定位指令，则此plc可处理的高脉冲频率为30千赫，因此满足了个条件;我们的切纸机的载切精度要求是0.2mm，可知理论精度完全满足此要求。
3.3 变频器和hmi的选取
    这两个部件我们都选用了三菱公司的产品，分别是fr-e540-0.75k-ch和f920got-bbd-k-c。f920got是带按键型的hmi，它的使用和编程非常简单方便。它具有以下特点：（1）可以方便的实现和plc的数据交换；（2）通过本身自带的6个功能按键开关，可以控制plc内部的软继电器，从而可以减少plc输入点的使用；（3）具有两个通讯口，一个rs232c（用于和个人电脑通讯）和一个rs422（用于和plc通讯），利用电脑和f920got相连后不仅可以对hmi进行程序的读取和上传，还可以直接对plc的程序进行上传下载、调整和监控。

4 plc和hmi程序的设计
    此工程中程序的难点主要在于数据的处理上。在切纸机工作过程中除手动让进给定位机构前进后退外，还要实现等分裁切功能和指定具体位置定位功能，并且hmi上还要即时显示定位机构的当前位置。我们为了简化程序中的计算，采用了两个高速计数器c235和c236。c236通过计算前进后退的脉冲数，再进行换算后用于显示进给机构的当前位置；c235用于进行jingque定位。定位过程是这样的，每次进给机构需要定位工作时，通过计算把需要的脉冲数送到c235，不论进给机构前进还是后退c235进行减计数，同时对c235中的数值进行比较，根据比较结果驱动相应的输出点对变频器进行输出频率的控制，实现接近设定值时进给速度变慢，从而达到jingque定位。因为任何系统都有惯性和时间上的迟滞，所以变频器停止输出的时间并不是c235中的计数值减小到0时，而是让c235和一个数据寄存器d130比较，当c235中的值减小到d130中的设定值时plc控制变频器停止输出。d130的值可通过人机界面进行修改和设定，在调试时通过修改这个值，以达到定位准确的目的。
1）显示定位机构当前位置的程序

2）实现定位控制的程序段

3）参数设定时的小数点位问题。实际工作中在设定位置时要jingque到0.1mm。这个问题在一些单片机系统中常会遇到，常见的处理办法是加大一个数量级，就是设定数据时，在人机界面上用1代替0.1mm，10代替1mm。不过我们在处理此问题时通过hmi中对数据的设置和plc的程序编写达到了所见即所得的效果。hmi中主要是对数值的格式要设定好。hmi中的设置画面如图1所示。例如等分裁切10.5mm的纸，就可以在hmi上设定为10.5，而不是像公司的类似其它设备上要设为105，但plc的寄存器d128的内容是105而不是10.5，这样在计算需要的脉冲数时就要用下面一条命令：mul d128 k5 d10（此命令中尽管编程时d11不出现但实际上寄存器d11被占用，不能再应用于其它地方，否则会出现问题。）
    而不是用：mul d128 k50 d10。

4）编程中其它应注意的问题
● 双线圈问题。本工程中利用条件跳转和步进指令避免了双线圈问题。
● 误差信号问题。编码器是一种比较精密的光电产品，受振动时不可避免的会出现误差信号，而切纸机在执行裁切动作时会造成很大振动，如果忽视这个现象，定位精度和执行机构当前位置的显示都会不准确。本工程中处理方法参见上面例子程序图1，只有y3、y4接通，即只有进给机构前进和后退时才让c236进行计数，这样就屏蔽了裁切时震动造成的误信号。

5 变频器的参数设置
    设定的变频器的主要参数见表2。在调试过程中为了达到定位速度和精度的完美结合，应对三段速设定值，加减速时间和hmi中d130、d200和d202的数值进行相应调整。

表2 变频器主要参数设置一览表

6 结束语
    通过改造过程，完全恢复了我们切纸机的功能，试用三个月以来运行非常稳定。由这个应用实例可以看出结合plc的高速计数器功能，合理的进行应用，在一定场合可以取代高成本的定位控制系统，实现控制系统优的性价比，并且由于选用通用开放的plc—变频器集成方案，为企业后期自主设备管理带来长远的效益