PLC的点位控制

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1、华南机械设计制造论坛.c n数控技术是综合应用了电子技术、计算技术、自动控制与自动检测等现代科学技 术成就而发展起来的，目前在许多领域尤其是在机械加工行业中的应用日益广 泛。数控系统按其控制方式划分有点位控制系统、直线控制系统、连续控制系统。在 机械加工时，数控系统的点位控制一般用在孔加工机床上（例如钻孔、铰孔、镗 孔的数控机床），其特点是，机床移动部件能实现由一个位置到另一个位置的精 确移动，即准确控制移动部件的终点位置，但并不考虑其运动轨迹，在移动过程 中刀具不切削工件。实现数控系统点位控制的通常方法可以有两种：一是采用全功能的数控装置，这 种装置功能十分完善，但其价格却很昂贵，而且许多功

2、能对点位控制来说是多余 的；二是采用单板机或单片机控制，这种方法除了要进行软件开发外，还要设计 硬件电路、接口电路、驱动电路，特别是要考虑工业现场中的抗干扰问题。由于可编程控制器（PLC）是专为在工业环境下应用而设计的一种工业控制计算 机，具有抗干扰能力强、可靠性极高、体积小、是实现机电一体化的理想控制装 置等显著优点，因此通过实践与深入研究，本文提出了利用PLC控制步进电机实现数控系统点位控制功能的有关见解与方法，介绍了控制系统研制中需要认识与解决的若干问题，给出了控制系统方案及软硬件结构的设计思路，对于工矿企 业实现相关机床改造具有较高的应用与参考价值。、控制系统研制中需要认识与解决的若干

3、问题1、防止步进电机运行时出现失步和误差 步进电机是一种性能良好的数字化执行元件，在数控系统的点位控制中，可利用 步进电机作为驱动电机。在开环控制中，步进电机由一定频率的脉冲控制。由 P LC 直接产生脉冲来控制步进电机可以有效地简化系统的硬件电路，进一步提高 可靠性。由于 PLC 是以循环扫描方式工作，其扫描周期一般在几毫秒至几十毫 秒之间，因此受到 PLC 工作方式的限制以及扫描周期的影响，步进电机不能在 高频下工作。例如，若控制步进电机的脉冲频率为 4000HZ ，则脉冲周期为 0.2 5 毫秒，这样脉冲周期的数量级就比扫描周期小很多，如采用此频率来控制步进 电机。则 PLC 在还未完成

4、输出刷新任务时就已经发出许多个控制脉冲，但步进 电机仍一动不动，出现了严重的失步现象。若控制步进电机的脉冲频率为 100H Z ，则脉冲周期为 10 毫秒，与 PLC 的扫描周期约处于同一数量级，步进电机运 行时亦可能会产生较大的误差。因此用 PLC 驱动步进电机时，为防止步进电机 运行时出现失步与误差，步进电机应在低频下运行，脉冲信号频率选为十至几十 赫兹左右，这可以利用程序设计加以实现。2 、保证定位精度与提高定位速度之间的矛盾步进电机的转速与其控制脉冲的频率成正比，当步进电机在极低频下运行时，其 转速必然很低。而为了保证系统的定位精度，脉冲当量即步进电机转一个步距角 时刀具或工作台移动的

5、距离又不能太大， 这两个因素合在一起带来了一个突出问 题：定位时间太长。例如若步进电机的工作频率为 20HZ ，即 50ms 走一步，取 脉冲当量为0.01mm/步，则1秒钟刀具或工作台移动的距离为 20x0.01 =0.2mm ，1分钟移动的距离为 60x0.2 = 12mm ,如果定位距离为120mm ,则 定位时间需要 10 分钟，如此慢的定位速度在实际运行中是难以忍受的。为了保证定位精度，脉冲当量不能太大，但却影响了定位速度。因此如何既能提 高定位速度，同时又能保证定位精度是一项需要认真考虑并切实加以解决的问 题。3. 可变控制参数的在线修改PLC 应用于点位控制时， 用户显然希望当现

6、场条件发生变化时， 系统的某些控制 参数能作相应的修改，例如步进电机步数的改变，速度的调整等。为满足生产的 连续性，要求对控制系统可变参数的修改应在线进行。尽管使用编程器可以方便 快速地改变原设定参数， 但编程器一般不能交现场操作人员使用； 虽然利用 PLC的输入按键并配合软件设计也能实现控制参数的在线修改，但由于PLC 没有提供数码显示单元，因此需要为此单独设计数码输入显示电路，这又将极大地占用 PLC 的输入点，导致硬件成本增加，而且操作不便，数据输入速度慢。所以，应 考虑开发其他简便有效的方法实现 PLC 的可变控制参数的在线修改。4. 其他问题为了实现点位控制过程中数字变化的显示及故障

7、输出代码的显示等要求， 另外还 得单独设计 PLC 的数码输出显示电路。 由于目前 PLC I/O 点的价格仍较高， 因 此应着重考虑选用能压缩显示输出点的合适方法。此外，为保证控制系统的安全 与稳定运行，还应解决控制系统的安全保护问题，如系统的行程保护、故障元件 的自动检测等。、控制系统方案1 、将定位过程划分为脉冲当量不同的两个阶段要获得高的定位速度，同时又要保证定位精度，可以把整个定位过程划分为两个 阶段：粗定位阶段和精定位阶段。这两个阶段均采用相同频率的脉冲控制步进电 机，但采用不同的脉冲当量。 粗定位阶段： 由于在点位过程中， 刀具不切削工件， 因此在这一阶段，可采用较大的脉冲当量，

8、如 0.1mm/ 步或 1mm/ 步，甚至更 高。例如步进电机控制脉冲频率为 20HZ ，脉冲当量为 0.1mm/ 步，定位距离为 120mm ，则走完全程所需时间为 1 分钟，这样为速度显然已能满足要求。精定 位阶段：当使用较大的脉冲当量使刀具或工作台快速移动至接近定位点时， （即 完成粗定位阶段） ，为了保证定位精度， 再换用较小的脉冲当量进入精定位阶段， 让刀具或工作台慢慢趋近于定位点，例如取脉冲当量为 0.01mm/ 步。尽管脉冲 当量变小，但由于精定位行程很短（可定为全行程的五十分之一左右），因此并 不会影响到定位速度。为了实现上述目的，在机械方面，应采用两套变速机构。在粗定位阶段，

9、由步进 电机直接驱动刀具或工作台传动，在精定位阶段，则采用降速传动。这两套变速 机构使用哪一套，由电磁离合器控制。2 、应用功能指令实现 BCD 码拨盘数据输入目前较为先进的 PLC 不仅具有满足顺序控制要求的基本逻辑指令，而且还提供 了丰富的功能指令。 如果说基本逻辑指令是对继电器控制原理的一种抽象提高的 话，那么功能指令就象是对汇编语言的一种抽象提高。 BCD 码数据拨盘是计算机 控制系统中常用到的十进制拨盘数据输入装置。 拨盘共有 09+ 个位置， 每一位 置都有相应的数字指示。一个拨盘可代表一位十进制数据，若需输入多位数据， 可以用多片 BCD 码拨盘并联使用。笔者选用 BCD 码拨盘

10、装置应用于 PLC 控制的系统， 这样无需再设计数码输 入显示电路，有效地节省了 PLC 的输入点，简化了硬件电路，并利用先进的功 能指令实现数据的存储和传输，因此能极方便地实现数据的在线输入或修改（如 计数器设定值的修改等），若配合简单的硬件译码电路，就可显示有关参数的动 态变化（如电机步数的递减变化等）。为避免在系统运行中拨动拨盘可能给系统 造成的波动，最好设置一输入键，当确认各片拨盘都拨到位后再按该键，这时数 据才被 PLC 读入并处理。3 、“软件编码、硬件解码”为满足压缩输出点这一前提条件，采用“软件编码、硬件解码”的方法设计 PLC 的数码输出显示电路。例如，对于 9 种及其以下的

11、故障状态显示，可采用 8-4 软件编码， 4-8 硬件解码， 使显示故障的输出点压缩为 4 个，硬件电路包含 74L S04 、 74LS48 、共阴数码管等器件。4、PLC 外部元件故障的自动检测由于 PLC 具有极高的可靠性，因此 PLC 控制系统中绝大部分的故障不是来自 P LC 本身，而是由于外部元件故障引起的，例如常见的按钮或行程开关触点的熔 焊及氧化就分别对应着短路故障及开路故障。系统一旦自动检测到元件故障，应 不仅具有声光报警功能，而且能立即显示故障代码，以便用户据此迅速判断出故 障原因。为节省篇幅，此项内容的程序设计思路见参考文献。四、控制系统的软件结构软件结构根据控制要求而设

12、计，主要划分为五大模块：即步进电机控制模块、定 位控制模块、数据拨盘输入及数据传输模块、数码输出显示模块、元件故障的自 动检测与报警模块。由于整个软件结构较为庞大， 脉冲控制器产生 0.1 秒的控制脉冲， 使移位寄存器 移位，提供六拍时序脉冲，通过三相六拍环形分配器使三个输出继电器 Y430 、 Y431 、 Y432 按照单双六拍的通电方式控制步进电机。为实现定位控制，采用 不同的计数器分别控制粗定位行程和精定位行程，计数器的设定值依据行程而定。例如，设刀具或工作台欲从 A点移至C点，已知AC = 200mm，把AC划 分为AB与BC两段，AB = 196mm , BC = 4mm , AB

13、段为粗定位行程，采用0. 1mm/步的脉冲当量快速移动，利用了 6位计数器(C660/C661)，而BC段为精定位行程，采用 0.01mm/ 步的脉冲当量精确定位，利用了 3位计数器 C4 60 ，在粗定位结束进入精定位的同时， PLC 自动接通电磁离合器输出点 Y433 以实现变速机构的更换。五、结束语系统试验表明，本文提出的应用 PLC 控制步进电机实现数控系统点位控制功能的方法能满足控制要求，在实际运行中是切实可行的。所研制的控制系统具有程 序设计思路清晰、硬件电路简单实用、可靠性高、抗干扰能力强，具有良好的性 能价格比等显著优点，其软硬件的设计思路可应用于工矿企业的相关机床改造PLC

14、作为一种特殊形式的计算机控制系统， 是利用计算机技术对传统的硬件逻辑 控制系统“继电器控制”进行 硬件软化 的结果。但在运行方式上， PLC 的软件 逻辑也与继电器控制系统的硬件逻辑存在根本性的区别。继电器控制系统的硬件逻辑采用的是并行运行的方式， 即如果一个继电器的线圈 通电或者放电，该继电器的所有触点(不论是常开还是常闭、也不论其处于继电 器线路的哪个位置上)都会立即同时动作；而 PLC 的软件逻辑是通过 CPU 逐行 扫描执行用户程序来实现的，即如果一个逻辑线圈被接通或断开，该线圈的所有 触点并不会立即动作，必须等扫描到该触点时才会动作。为了消除两者之间由于运行方式不同而造成的这种差异，

15、 PLC 在程序运行方式、 输入输出操作、特殊功能模板等方面作了特别的考虑。1 、循环扫描：PLC 采用了一种不同于普通微型计算机的运行方式 - 循环扫描方式。因为继电 器控制中各类触点的动作时间一般超过 100ms ，因此只要 PLC 运行整个用户程 序的时间“扫描周期”小于 100ms ，其运行结果与继电器控制就没有什么差别。2 、建立 I/O 映像区：PLC 在输入输出操作上采用定时采样、 定时输出的方式。 即在一个扫描周期的固 定时刻（一般在扫描周期的开始或结束）采样所有的输入点，采样结果存入 RA M 中一个区域（输入映像区）。这样在执行程序时，所需的现场讯息全部从输入 映像区中取用

16、，不直接从现场取样。同样控制讯息输出也不是采取生成一个就输 出一个的方法，而是先将它们存放在 RAM 中的一个区域（输出映像区），扫描 周期结束时再将输出映像区中控制讯息集中输出。通过建立 I/O 映像区，使 PL C 成为一个真正的数字采样控制系统； 虽然 PLC 不可能像继电器控制那样随时根 据现场输入实时控制现场输出状态， 但只要采样周期足够短， 即采样频率足够高， 这样的采样系统应该完全符合实际系统的需要。3 、特殊功能模板：由于 PLC 在扫描周期方面限制了用户程序的长度，这对于一般的数字量控制应 该不成问题。但实际的生产过程对 PLC 提出了更多得要求：仿真量处理、死循 环控制、网

17、络通讯、 高速 I/O 等。对于模拟量输入输出以及简单的控制， 一般是 利用 PLC 的主 CPU 和一定的硬件支持，通过相应的软件来实现；其它情况由于 牵涉到比较的计算量和 CPU 运算时间，以及 PLC 扫描周期的限制，一般采用自 带 CPU 的专用模板， 由模板系统软件完成相应的控制任务。 这样，这些模板与 P LC 主 CPU 并行工作，两者之间通过总线接口进行联系，主 CPU 定期向模板发 送命令，模板也定期将自身的状态讯息发送给主 CPU 。综合以上所述， 在完成系统自身初始化以后， PLC 系统执行用户程序的循环扫描 方式可分为三个阶段：输入扫描、程序扫描、输出扫描。而计算量比较

18、大或者响 应实时性比较高的应用则由自带 CPU 的专用模板和专用软件来实现。1 、功能强，性能价格比高一台小型 PLC 内有成百上千个可供用户使用的编程元件，有很强的功能，可以 实现非常复杂的控制功能。与相同功能的继电器相比，具有很高的性能价格比。 可篇程序控制器可以通过通信联网，实现分散控制，集中管理。2 、硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强可编程序控制器产品已经标准化，系列化，模块化，配备有品种齐全的各种硬件 装置供用户选用。用户能灵活方便的进行系统配置，组成不同的功能、不规模的 系统。楞编程序控制器的安装接线也很方便，一般用接线端子连接外部接线。 P LC 有很强的带负载能力，可以直接

19、驱动一般的电磁阀和交流接触器。3 、可靠性高，抗干扰能力强传统的继电器控制系统中使用了大量的中间继电器、时间继电器。由于触点接触 不良，容易出现故障， PLC 用软件代替大量的中间继电器和时间继电器，仅剩下 与输入和输出有关的少量硬件， 接线可减少互继电器控制系统的 1/10-1/100 ， 因触点接触不良造成的故障大为减少。PLC 采取了一系列硬件和软件抗干扰措施， 具有很强的抗干扰能力， 平均无故障 时间达到数万小时以上， 可以直接用于有强烈干扰的工业生产现场， PLC 已被广 大用户公认为最可靠的工业控制设备之一。4 、系统的设计、安装、调试工作量少PLC 用软件功能取代了继电器控制系统

20、中大量的中间继电器、 时间继电器、 计数 器等器件，使控制柜的设计、安装、接线工作量大大减少。PLC 的梯形图程序一般采用顺序控制设计方法。 这种编程方法很有规律， 很容易 掌握。对于复杂的控制系统，梯形图的设计时间比设计继电器系统电路图的时间 要少得多。PLC 的用户程序可以在实验室模拟调试，输入信号用小开关来模拟，通过 PLC 上的发光二极管可观察输出信号的状态。完成了系统的安装和接线后，在现场的 统调过程中发现的问题一般通过修改程序就可以解决， 系统的调试时间比继电器 系统少得多。5 、编程方法简单 梯形图是使用得最多的可编程序控制器的编程语言， 其电路符号和表达方式与继 电器电路原理图

21、相似，梯形图语言形象直观，易学易懂，熟悉继电器电路图的电 气技术人员只要花几天时间就可以熟悉梯形图语言，并用来编制用户程序。梯形图语言实际上是一种面向用户的一种高级语言， 可编程序控制器在执行梯形 图的程序时，用解释程序将它“翻译”成汇编语言后再去执行。6 、维修工作量少，维修方便PLC 的故障率很低， 且有完善的自诊断和显示功能。 PLC 或外部的输入装置和执 行机构发生故障时，可以根据 PLC 上的发光二极管或编程器提供的住处迅速的 查明故障的原因，用更换模块的方法可以迅速地排除故障。7 、体积小，能耗低 对于复杂的控制系统，使用 PLC 后，可以减少大量的中间继电器和时间继电器， 小型 PLC 的体积相当于几个继电器大小，因此可将开关柜的体积缩小到原来的 确 1/2-1/10 。PLC 的配线比继电器控制系统的配线要少得多，故可以省下大量的配线和附件， 减少大量的安装接线工时，可以减少大量费用