1 系統(tǒng)硬件設計

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、光電編碼器、操作及顯示屏、上位計算機、伺服電機控制電路和狀態(tài)返回電路。其硬件總體結構框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件總體結構框圖

1．1 S7-200 PLC

該系統(tǒng)設計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，可方便通過人機界面對設備進行操作和監(jiān)視其狀態(tài)，高版本的PLC主機擁有2個通訊端口，在使用人機界面對設備進行操作的同時還可通過RS-485接口和計算機實現(xiàn)邏輯運算及狀態(tài)管理，對設備進行遠程控制和監(jiān)視。該系統(tǒng)使用S7-200 PLC的一個重要的功能：高速可逆計數(shù)。光電編碼器和伺服電機同軸連接，伺服電機旋轉帶動光電編碼器產生連續(xù)的脈沖串，PLC通過輸入點讀取光電編碼器產生的脈沖，實現(xiàn)高速可逆計數(shù)。例如設置高、中、低3個給水量檔位并進行控制。在調試階段應先驅動伺服電機進行3個給水量的位置標定，也就是說，高、中、低3個檔位分別對應唯一的脈沖數(shù)。應該注意的是，由于采用的是增量式光電編碼器，也就是說，當編碼器掉電后并不能將當前的脈沖數(shù)保存。所以在旋轉機構上還要設置2個限位開關，一來保護機械結構；二來把逆向的限位開關的位置定為零位，這樣相對于這個零位的高、中、低3個給水檔位從光電編碼器讀到的脈沖數(shù)即為這3個檔位的位置。這3個位置可通過PLC編程對其控制。圖2給出S7-200 PLC高速可逆計數(shù)器的時序圖。

圖2 S7 -200 PLC告訴計數(shù)器時序圖

1．2 光電編碼器

光電編碼器，是一種通過光電轉換將輸出軸上的機械幾何位移量轉換成脈沖或數(shù)字量的傳感器。這是目前應用最多的傳感器，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長方形孔。由于光電碼盤與電動機同軸，電動機旋轉時，光柵盤與電動機同速旋轉，經發(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為在實際項目中采用光電編碼器的時序圖，從圖中可以看出此光電編碼器的相位判斷角度為90°±45°；另外圖中標識的CW(順時針)和CCW(逆時針)可以根據(jù)實際應用在PLC程序中自行定義。圖4為在實際項目中采用光電編碼器的內部電路和外部引線圖。

2 系統(tǒng)軟件設計

2．1 設計要點

該系統(tǒng)軟件設計的重點為：1)準確配置高速計數(shù)器；2)位置控制器的允差設計，允差的選擇應盡量小以提高伺服系統(tǒng)的控制精度，在滿足系統(tǒng)定位精度的前提下，允差的設計上還需要考慮于機械結構定位的分辨率，以免設置值過小機械結構控制不到位而引起驅動電機反復轉動調節(jié)，往往需要現(xiàn)場標定；3)初始位置的精確標定，需要注意的是初次標定各檔位位置時應使用手動控制方式，并且要將機械限位開關狀態(tài)接入PLC。由于采用增量式光電編碼器，計數(shù)器當前值要存在PLC的掉電可保存寄存器MDl4中。

2．2 程序設計

在程序中首先需要將高速計數(shù)器配置為A／B相正交輸入，4倍計數(shù)速率，增計數(shù)，并使能高速計數(shù)器，然后將標定好的各檔位位置填入相應的地址中，并且設置允差為兩個脈沖，也就是說各檔位的脈沖數(shù)加減2即為相應的到位。伺服系統(tǒng)傳動裝置的間隙是多樣性的，并且對伺服控制的性能有影響，設置允差的目的是為了消除由于伺服傳動間隙引起的系統(tǒng)不穩(wěn)定，從而準確定位。位置定位程序的流程如圖5所示。

在程序設計時除順、逆限位和順轉、逆轉的互鎖程序外，重點在于如何用PLC實現(xiàn)多點重復定位。主要設計程序如下：

圖3 光電編碼時序圖

圖4 光電碼盤的內部電路和外部引線

3 工程應用情況

這種設計方法被利用在某軍用雷達工程的衰減器控制的4位置定位系統(tǒng)中，系統(tǒng)要求驅動機械部件在0°～360°內的4個位置往返定位，定位精度要求O．1°。在具體的設計中驅動電機選用型號為55TYD02的交流電機，編碼機構選用型號為OMRON E6B2的相對式光電碼盤。位置的行程范圍360°對應于8 400個脈沖，則使用S7-200 PLC高速計數(shù)器讀入的位置分辨率為360°／8400=0．043°；根據(jù)機械結構實際標定位置允差值設置為2個脈沖，此定位系統(tǒng)的控制精度可達到0．86°，滿足系統(tǒng)定位精度0．1°的要求，電機正向或反向運轉一次到位，快速準確。

4 結束語

PLC適用于比較惡劣的工業(yè)環(huán)境，通過其通訊口和上位計算機實現(xiàn)通訊，可以使操作人員在安全的環(huán)境下實現(xiàn)遠程控制；光電編碼器構造原理簡單，機械壽命可達幾萬小時以上，抗干擾能力強。由兩者為核心構成的硬件電路實現(xiàn)位置控制方法適用于具有多個設置點重復定位的機械旋轉控制設備，完全滿足一般的工業(yè)控制要求。這種設計原理清晰、硬件需求明確、易于實現(xiàn)、調試維護方便，具有很好實用和適用性。上述的位置控制方法已經應用于某軍用雷達工程的衰減器控制中，其控制精度可達到0．86°，滿足系統(tǒng)定位精度0．1°的要求，設備運行穩(wěn)定可靠，效果良好。