一种基于PLC的单轴运动控制器_闫砺锋

一种基于PLC的单轴运动控制器

闫砺锋，张春雷，刘荣忠，石华刚

（四川大学制造科学与工程学院，四川成都610065）

摘要：介绍了一种用PLC作为控制单元的单轴控制器。这种单轴控制器具有成本低、控制灵活、开发简单的特点，特别适用于自动生产线。

关键词：自动控制；PLC；单轴控制器

在工业自动化控制中，经常会有关于单轴运动控制问题。解决此类问题的方案一般用工控机、单片机或专用的单轴控制器做控制单元。用工控机或专用单轴控制器作控制单元成本偏高，而用单片机作控制单元开发周期较长。现提出一种基于PLC的单轴运动控制器的解决方案。其控制部件采用可编程逻辑控制器PLC。这种方案的成本较低，而且硬件工作量小、开发周期短。是一种比较可行的方案。

1 方案设计

目前，运动控制的执行电机多用步进电机或交流伺服电机。早期的交流伺服系统是用模拟信号进行控制。为了便于数字化控制，许多厂家都相继推出数字式的交流伺服系统。它和步进电机一样，也是接收脉冲和方向信号工作。多数厂家生产的PLC都具有脉冲输出功能，可以用作单轴控制器的控制单元。现以松下FP0系列PLC（FP0-C16T，8入8出）为例介绍这种基于PLC的单轴控制器的工作原理，如图1所示。

图1 单轴控制器原理示意图

在图1中，PLC控制步进或交流伺服电机通过丝杠螺母带动工作台做左右运动。PLC各输入、输出点定义如下：X0：原点接近开关。

X1：减速接近开关。当返回到原点附近时，PLC先接

X0，电机停止运转。

X2：左移启动信号。PLC接收到该信号后，以给定频率发出给定数量的脉冲（频率及脉冲数由软件给定），从而控制电机带动工作台以给定速度向左移动到给定距离。

X3：右移启动信号。与X2类似，工作台此时向右移动。

X4：左移点动信号。PLC接收到该信号以后工作台向左点动前进，用于对工作台的初始位置调整。

X5：右移点动信号。与X4类似，工作台此时向右运动。

X6：复位（回原点）。PLC接收到该信号后，控制工作台返回原点。

X7：急停。PLC接收到该信号后，使工作台立即在当前位置停下来。用于处理紧急情况。

Y0：步进脉冲信号。

Y2：方向信号。高、低电平控制电机的正、反转。

Y4：运动中信号。表明电机处于运转状态。

Y5：原点（在位信号）。当工作台处于原点位置时有输出信号。

Y6：故障、急停、限位信号。

其中，Y4、Y5、Y6 3个信号用于向上位控制机报告单轴控制器的当前工作状态或驱动信号指示灯。

2 软件设计

首先简单介绍松下FP0系列PLC的运动控制功能。

松下FP0系列晶体管输出型PLC 具备最高可达10KHz 的脉冲输出功能。其位置控制指令使定位控制非常简单。比如在步进电机控制中，为了避免在启动或停止的时候出现丢步或过冲的现象,需要设计如图2所示的升降速曲线。

图2 速度图

若使用C 或其他高级语言编程，需要通过较为复杂的算法才能实现这一功能。如果使用松下FP0系列PLC 只需执行如图3所示的指令，通过参数化编程，对每点设置数值即可进行自动升降速计算。 图

3

F P 0专

用脉冲输出指令

运行此程序段，当PLC 检测到输入端X2的一个上跳变时，便自动执行如图3所示的脉冲输出功能。可见利用其独特的脉冲输出功能和位置控制指令可以实现对步进电机和数字式交流伺服电机的控制。

假定某生产线上的工作台的运动规律如图4所示。

图4 运动过程示意 工作台从原点O 开始以速度v 1前进到A 点，并停留，接收到前进信号后再以速度v 1前进到B 点并停留。如此运动，依此前进到C 、D 各点。接收到复位信号后，以速度v 2高速返回，当运动到原点附近E 点时，降低速度至v 3，接收到原点信号后停止，此即 一个工作循环。

下面列出PLC 控制工作台向右移动给定距离的梯形图和程序。

R903A 内部特殊功能继电器,当Y0有脉冲输出时为ON ，否则为OFF, F168 位置控制指令,F0 单字节传送指令,F1 双字节传送指令,DF 检测触点的上升沿,DF/ 检测触点的下降沿

图 5 运动控制梯形图示例

在急停开关X7（常闭触头）处于ON 状态的前提下，PLC 接收到左移启动信号（X2），使内部寄存器R20、R21为ON ，向DT100～DT106 7个寄存器中写入运动参数，执行F168指令便可自动执行脉冲输出功能。脉冲输出结束后延时300ms ，此后PLC 才能进行下一次脉冲输出。

通过参数化编程，可以任意修改进给步长、进给速度v 1、返回速度v 2以及回原点速度v 3和点动速度等。因此这种基于PLC 的单轴控制器具有控制灵活，开发简单的特点。关于梯形图程序的编制，请参考《FP0 Programming Manual 》。 3 结束语

从这个实例中我们看到，只要仔细分析了被控对象的运动规律，通过PLC 编程便可以快速设计出适用于不同应用场合的单轴控制器。在某厂的一自动生产线上已成功使

用这种单轴控制器，并取得良好的经济效益。

问题，解决这个问题的关键是原始数据的结构和检索方法的设计，在开发过程中，我们可根据具体的问题选择恰当的查询处理方法。

参考文献：

[1]陈伯雄，冯伟．Visual LISP for AutoCAD 2000 程序设计．北京：

机械工业出版社，2000．

[2]郭朝勇，等．AutoCADR14二次开发技术．北京：清华大学出版社，

1999．

[3]肖刚、李学志．机械CAD 原理与实践．北京：清华大学出版社，

1999．

加速时间