基于PLC的定位控制功能的實現

王記昌，李 仁

（河南工業職業技術學院，河南 南陽473009）

定位控制是位置控制的一種形式，在機械設備控制中有很重要的地位。目前中國國內廣泛使用的是利用PLC或專用控制器控制步進電機或伺服電機實現定位控制[1]。其控制精度較高、控制性能好，尤其是伺服控制系統，但控制成本較高。所以在定位控制精度要求較低的情況下，可以采用對異步電機的控制來實現。本文結合物料分揀控制系統的設計，介紹該定位控制的實現過程。

1 任務描述

物料分揀系統的任務示意圖如圖1所示，即物料進入分揀系統后，輸送帶帶動物件開始移動，在移動的過程中，通過顏色傳感器檢測出是黑色或白色物料，使其進入不同的料倉中，完成分揀。

圖1 物料分揀系統任務表述示意圖

2 方案設計

要實現任務要求，關鍵點在于控制器需要計算物料是否移動到料倉中心軸線所在的位置上，這就涉及到定位控制的問題。為了保證定位的效果及實現過程經濟性的原則，確定的控制思路如下：物件放入入料口后，通過PLC控制，使異步電機運轉驅動傳送帶工作，把工件帶進分揀區，如果進入分揀區工件為白色，則顏色檢測傳感器動作，當物件移動到1號料倉中心位置時，對應的氣缸動作，物料推入料倉中；若為黑色，推到2號槽里，完成分揀。其整體控制框圖如圖2所示。

在圖2中，編碼器輸出的脈沖信號傳送給控制器PLC，通過PLC檢測物料移動的位置，從而實施定位控制。為了保證控制效果，在每次PLC上電運行時，通過PLC程序控制，計算編碼器的脈沖當量，并記錄電機在自由停止的過程中返回的脈沖數。

圖2 整體控制框圖

3 定位控制的實現

3.1 硬件電路的搭建

整個控制系統的硬件電路由主電路與控制電路構成，在主電路的設計上，考慮到編碼器脈沖當量的自動準確測量，采用能實現電動機正反轉的電路，如圖3所示。

圖3 主電路設計

在控制電路的設計上，需要重點考慮編碼器輸出脈沖的接收，由于其輸出脈沖頻率較高，需采用帶高速計數器的PLC。根據編碼器的輸出形式及計數模式的選擇，完成編碼器信號線與PLC的接線。為了避免主電路短路，控制電機正反轉的接觸器要進行互鎖。物料口物件及物件顏色檢測可以通過采用光電式接近開關和光纖式接近開關完成。在PLC的選擇上，需要考慮PLC外圍電路的輸入、輸出形式、技術參數及I/O點數的要求，同時要求選擇的控制器具備高速計數模塊的功能。根據選擇的PLC及外圍電路，確定電源的形式及電壓高低。編碼器選擇了增量式光電編碼器，輸出三組方波脈沖A、B和Z相，其中A、B兩路為正交脈沖信號，Z相為每轉一個脈沖，用于基準點定位。控制電路如圖4所示。

圖4 控制電路設計

3.2 程序設計

由于受傳送帶主動軸直徑（包括皮帶厚度）的測量誤差，傳送帶的安裝偏差、張緊度，分揀單元整體在工作臺面上定位偏差等因素的影響[2]，致使物料定位不準確，不能順利完成分揀。為了保證定位的準確，需要現場測試編碼器的脈沖當量值及在電機自由停車的過程中返回的脈沖值。程序由主程序和3個子程序程序構成，其中子程序1的功能用于計算每次PLC上電運行時編碼器的脈沖當量及自由停車過程中的脈沖值。子程序2的功能是利用子程序1返回的參數值，完成物件的準確分揀。子程序3的功能是完成高速計數器的初始化，包括控制字的設置、初始值、預置值的設置、高速計數器及模式選擇，該程序被主程序及子程序2調用。主程序的作用是判斷是否滿足分揀的條件，從而調用各子程序。主程序和子程序1、2的流程如圖5、6、7所示。

圖5 主程序流程圖

4 系統調試

被控制對象采用減速電機，其主要技術參數如下：功率20 W、額定電壓380 V、額定頻率50 Hz、額定電流0.18 A、額定轉速1 300 rpm、減速比1:10。控制器選擇西門子S7-200CPU222 CN AC/DC/RLY型號的PLC，本機集成8輸入/6輸出共14個數字量I/O，4個獨立的30KHz高速計數器，1個RS485通訊/編程口，具有PPI通訊協議、MPI通訊協議和自由方式通訊能力[3]。編碼器選用增量式光電編碼器，旋轉一周返回500個脈沖。根據圖3、4完成主電路及控制線路的安裝。

依據編程思路，在S7-200對應的編程軟件中完成程序的設計，編譯成功后，通過PPI電纜線下載到PLC控制器中。運行調試表明，可實現預定的功能。

圖6 子程序1流程圖

圖7 子程序2流程圖

5 結束語

在定位精度要求不高的情況下，通過對異步電動機的控制達到準確的定位效果，實現了物料的順利分揀。整個控制系統硬件電路易于實現，線路較為簡單，硬件成本低，整體經濟型好。為了避免機械部分在安裝過程中的誤差影響，保證定位準確，在軟件設計中，實現了脈沖當量及停車過程中脈沖數的自動測量。通過對軟硬件系統的調試，實現了預定的功能，取得良好的控制效果。

[1]陳嬋娟，薛 愷，常美蓉，等.基于PLC的步進電動機單雙軸運動控制的實現[J].機械設計與制造，2009（3）：178-180.

[2]呂景泉.自動化生產線安裝與調試[M].北京：中國鐵道出版社，2009.

[3]廖常初.S7-200PLC編程及應用[M].北京：機械工業出版社，2010.