PLC教程理论篇之PLC 用于运动控制三

PLC教程理论篇之PLC用于运动控制三一、开环控制关键词：独立运动控制、协调运动控制、累加直线插補、逐点比较圆弧插補、直接目标跟踪控制、跟踪运动控制开环控制有两种：一是程序控制，另一是比例控制。程序控制是指，一旦控制命令启动，将按预定程序进行控制，使运动部件按要求的速度、加速度控制或轨迹运动，直到控制任务完成。比例控制是指，使一个脉冲输出（控制量）跟踪另一个输入量变化，也称随动控制或同步运动。开环控制最大的优点是，简单，响应速度快，没有系统不稳定的问题。所以，NC也多是使用开环控制。开环控制用于定位与运动控制有单轴的，双轴的，还有多轴的。小型机多用于单轴，或双轴控制。以下将就单轴独立运动控制及双轴运动跟踪控制分别进行讨论。1．单段位置控制在单轴（某个坐标）上，当工作命令发出后，可使部件按指定速度（指定脉冲频率），完成指定位移量（指定脉冲数）的位移，即这里称的“位置控制”。组成这样系统的硬件可以是：小型PLC、步进电机及配套设施与运动部件。图13-7即为三种PLC实现这个控制的程序。其作用是当“工作”ON后，将使脉冲输出口发出1000个，频率为每秒10次的脉冲。进而使运动部件产生相应于1000个脉冲当量的运动。程序的算法是：先传送控制数据，然后执行相关脉冲输出指令。a–OMRONPLCb–西门子PLCc–三菱PLC图13-7位置控制程序图a为CPM2A用的程序。它先把1000个脉冲数传送给DM101（高位）、DM100（低位）。然后微分执行“PULS”指令，选择010。00为脉冲发送口，选择独立工作模式，选择用DM101（高位、0）、DM100（低位、1000）确定脉冲数。再把10传送给DM102，并执行“SPED”指令，选择010.00为脉冲发送口，选择独立工作模式，选择用DM102确定脉冲频率。显然，根据这组指令，即可使PLC向10.00口发出频率为10的1000个脉冲，进而使部件按上述要求运动。图b为S7-200的程序。它先对SM67设定，设为16#8D，指定单段PTO输出。使用Q0.0口输出脉冲，其输出周期设定为100毫秒（频率为10Hz），脉冲数为1000。图c为FX2N的程序。它使用Y000口输出脉冲，参数为即时数。指定输出出频率为10Hz，脉冲数为1000。提示：CPM2A的PLUS及SPED指令，S7-200的PLS指令微分执行，即可按设定的脉冲数输出脉冲。如一直执行，则不受脉冲数设定限制，将一直发送脉冲。当指令停止执行，还得把设定的脉冲发送完毕后，才停止发送脉冲。提示：与上不同，FX2N的“PLSY”指令必须连续执行，一旦停止执行，即使指定的脉冲数没有发送完毕，也不再发送脉冲。但是，一旦又恢复执行，脉冲将继续发送，直到设定脉冲数发送完毕。4．5．2．2加、减速度及位置控制在单轴（某个坐标）上，当工作命令发出后，为了工作平稳，可使部件按指定的加速度（指定脉冲频率增加率或指定加速时间），指定的目标速度（指定输出脉冲频率），指定减速度（指定脉冲频减小率或指定减速时间），完成指定位移量（指定脉冲数）的位移，即这里称的“加、减速度运动控制”。组成这样系统的硬件也可是：小型PLC、步进电机及配套设施与运动部件。PLC则是通过运行程序，用脉冲输出口设施这个控制。图13-8示的为加、减速度位置控制的一个例子。它要求用5秒时间，把输出脉冲频率增加到100Hz，减速时则是用5秒时间，从100Hz减速到最小频率。图13-8输出频率变化简图图13-9即为三种PLC实现这个控制的程序。其作用是当“工作”ON后，将使脉冲输出频率逐渐增加，5秒后达100Hz。输出脉冲总数20000个。当发送脉冲接近时，减速，于5秒后减速到最小值，并停止发送。程序的算法也是：先传送控制数据进行设定，然后执行相关脉冲输出指令。a–OMRONPLCb–西门子PLCc–三菱PLC图13-9加、减速度位置控制程序图a为CPM2A用的程序。它先把20传送给DM101（高位）、0传给DM100（低位）。然后微分执行“PULS”指令，选择010.00为脉冲发送口，选择独立工作模式，选择用DM101）、DM100确定脉冲数（即指定20000个脉冲）。再把20传送给DM110，把100传送给DM111，把20传送给DM112，并执行“ACC”指令，选择010.00为脉冲发送口，选择独立工作模式，选择用DM110确定脉冲频率增加率（即指定脉冲频率增加率为20），选择用DM111确定脉冲频率（即指定脉冲频率为100），选择用DM112确定脉冲频率减小率（即指定脉冲频率减小率为20）。显然，根据这组指令，即可使PLC向10.00口发出脉冲，进而使部件按上述要求运动。图c为S7-200的程序。先是执行初始化程序，数据传送，进行设定。VB67设定值为16进制数A8，意即多段脉冲输出，时基为毫秒。VD168设定值为500，意即多段输出偏移数为500。VB500（偏移指定开始地址）设定值为3，意即选定3段输出。VW501设定值为2510，意即选定第1段周期为2510毫秒。VW503设定值为-10，意即选定第1段每发一个脉冲周期减小为10毫秒。VD505设定值为250，意即选定第1段发送250个脉冲…等等。之后，当I0.0ON则执行PLS指令，将按上述设定，先是加速发送250个脉冲，进而等速率（周期100毫秒）发送19500个脉冲，最后减速率发送250个脉冲。也可实现上述要求。图b为FX2N的程序。它使用Y001口输出脉冲，参数为即时数，不必数据赋值。指定输出出频率为100Hz，脉冲数为20000，加、减频率时间为5000毫秒，即5秒。提示：三种PLC都可实现上述运动要求。图b最简单，但它的加速率与减速率，只能设为相等，不够灵活。提示：三种PLC频率设定上是有区别的。图a都是按脉冲频率设定。图c都是按脉冲周期设定。而图b，等速发送是按频率设定，但加、减速是按时间设定。为此，要实现同一要求，须作相应的换算。而且，以本程序为例，为了简化，在可实现上述运动要求时，还是略有差别的。图a开始频率为0，图c开始周期为2510（周期不能为无穷大，最大可设为65535，这里便于计算设为这个值），而图b开始频率由本讲式13-1计算确定（实际不必计算，自然形成的）。4．5．2．3多段位置控制以上介绍的运动控制程序只能做一次位移。如果要多次位移怎么办？它的算法是，先设定第1段数据，并启动第1段位移，待第1段完成后，开始第2段设定，再启动第2段位移…直到所有位移完毕。图13-10示的为2段位置控制简图。起动后先以频率20Hz发送20000个脉冲，之后，停留2秒，再以频率10Hz发送10000个脉冲。图13-10段位置控制简图实现这个控制算法的要点是：传送脉冲数及要求频率数据；使用脉冲输出指令；判断第1段是否到位，如到位，再传送脉冲数及要求频率数据；再使用脉冲输出指令，直到控制完成。图13-11示的为实现此算法，与图13-10对应的三种PLC程序。a–OMRONPLCb–西门子PLCc–三菱PLC图13-112段位置控制PLC程序图a为CPM2A机程序。参照图示，其中：①启动逻辑。②把脉冲数20000的20传送给DM5（高位）、DM10（低位）。③把脉冲频率20传送给DM6（单位为10Hz，故传送2）。④进行第1段输出脉冲与要求脉冲数比较，判断是否到位。由于CPM2A没有脉冲输出完成的标志，这里用硬件把输出脉冲信号输入给高速计数器（000.00点设为进行高速计数）。而特殊继电器248、249则记录着采集的脉冲数。故这里把248、249与设定脉冲数进行比较。⑤如比较相等，则LR0.00置位。⑥微分执行“PULS”指令，选择010.01为脉冲发送口，选择独立工作模式，选择用DM4、5确定脉冲数。⑦微分执行“SPED”指令，选择010.01为脉冲发送口，选择独立工作模式，选择用DM6确定脉冲频率。⑧如到位，延时2秒，作第2段控制，情况同第1段。⑨启动第2段程序。⑩复位LR0.00。提示：OMRONPLC没有检测设定的脉冲数是否发送完毕的标志。除了使用上述检测脉冲反馈的方法，还可用定时器或定时中断进行控制。图b为S7-200程序。它由两部分，主程序及中断程序，组成。参照图示，其中：①初始化，停止Q0.0正常输出，并启动第1段脉冲输出。②设定脉冲输出模式为PTO。③设定脉冲周期为50毫秒（频率20Hz）。④设定输出脉冲数为20000。⑤设定脉冲发送完成中断事件19与中断子程序1关联，即当脉冲发送完成，可调用断子程序1。⑥开中断。⑦执行“PLS”指令，选择口0，即Q0.0，输出脉冲。⑧定时程序，再设定频率、脉冲数，并重新微分执行“PLS”指令，进行第2段控制。⑨当脉冲发送完毕，执行中断程序1，使Q0.5置位。⑩中断关联解除。当地2段脉冲发送完毕，不再执行此中断程序。图c为FX2N机程序。参照图示，其中：①启动逻辑。②把脉冲数20000的20传送给D11（高位）、DM10（低位）。③把脉冲频率20传送给D12（单位为1Hz，故传送20）。④进行第1段输出脉冲与要求脉冲数比较，判断是否到位。由于FX2N的特殊寄存器D8140、8141存的是Y000已输出的脉冲数，用它与设定数比较。⑤如D8140、8141等于D10、11，则M11ON。⑥把脉冲数10000的20传送给D11（高位）、DM10（低位）。⑦把脉冲频率10传送给D12（单位为1Hz，故传送20。⑧进行第2段输出脉冲与要求脉冲数比较，判断是否到位。⑨如D8140、8141等于D10、11，则M21ON，使电路复原。2．协调运动控制协调运动控制是指，当控制对象在多轴上运动时，多轴间的位移进行协调，以使控制对象能按预定的轨迹运动。达到协调运动控制有两个方法：一是直线圆弧插补法，另一是直接目标跟踪法。直线圆弧插补法常见的是把要求的运动轨迹分解为若干小段的直线或圆弧。而每小段直线或圆弧轨迹则运用一定算法，控制对象在不同轴上一步步位移予以实现。常用的算法有逐点比较法、累加法等。如果运动轨迹可用数学方程式表示，也可直接目标跟踪法进行控制。它运用数学方程式直接进行计算，然后控制对象在不同轴上一步步位移予以实现。协调运动控制也称连续轨迹控制。在数控车、铣床，雕刻机、激光切割机、激光焊接机、激光雕刻机、数控冲压机床、快速成型机、超声焊接机、火焰切割机、等离子切割机、水射流切割机等等都有它的应用。结语：使用脉冲量可实现运动控制。主要有两种，一是闭环，这多与高速计数器配合，用开关量输出，常用于较简单的位移控制；另一为开环控制，较易实现多轴运动的插补运算，可实现曲线运动。关键是PLC的运算速度及有相应的运算指令是否能满足要求。较好的方案是用专用位置控制或运动模块，以至于用运动控制CPU。脉冲量还可用于过程控制，如使用VF（电压倒频率转换）技术，可检测脉冲频率反映电压值，再用PWM（脉宽调制）技术进行输出，则可很简单、经济地实现闭环控制。思考题：1．用脉冲量实现控制的优点有那些？2．从输入、输出搭配的特点看，脉冲量控制有那些类型？3．脉冲量控制有那些应用？练习题：1．设计一个按一定频率、用某个输出口、输出一定脉冲的程序。