基于S7-200 PLC的位置控制器設(shè)計(jì)

對(duì)于由伺服電機(jī)帶動(dòng)的旋轉(zhuǎn)物體進(jìn)行位置控制，通常采用套軸式的電磁旋轉(zhuǎn)變壓器加復(fù)雜的處理電路來實(shí)現(xiàn)角度的編碼，再由角度編碼進(jìn)行位置的閉環(huán)控制。上述的位置控制多用于測(cè)角精度要求高的場(chǎng)合中，設(shè)備構(gòu)成復(fù)雜、成本較高。在某些實(shí)際應(yīng)用中，需要進(jìn)行較為簡(jiǎn)單的位置定位。比如在一個(gè)由伺服電機(jī)帶動(dòng)的機(jī)械機(jī)構(gòu)需要在360°的旋轉(zhuǎn)范圍內(nèi)進(jìn)行4個(gè)或多個(gè)檔位的定位，實(shí)際應(yīng)用中像建筑行業(yè)中控制閥門的大小來對(duì)給水量、水泥量、沙石量進(jìn)行控制或軍工工程控制，這樣的定位控制精度要求不高，采用上述的方法進(jìn)行位置控制顯然不夠經(jīng)濟(jì)，成本過高。
PLC(Programmable Logic Controller)在工業(yè)控制中應(yīng)用廣泛。其高可靠性、高穩(wěn)定性、友好的編程環(huán)境以及輔以觸摸式人機(jī)界面，使得各種工業(yè)控制更方便直觀、經(jīng)濟(jì)可靠。這里主要闡述了基于S7-200PLC實(shí)現(xiàn)位置控制方法。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
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(jī)、光電編碼器、操作及顯示屏、上位計(jì)算機(jī)、伺服電機(jī)控制電路和狀態(tài)返回電路。其硬件總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

1．1 S7-200 PLC
該系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jī)界面對(duì)設(shè)備進(jìn)行操作和監(jiān)視其狀態(tài)，高版本的PLC主機(jī)擁有2個(gè)通訊端口，在使用人機(jī)界面對(duì)設(shè)備進(jìn)行操作的同時(shí)還可通過RS-485接口和計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)邏輯運(yùn)算及狀態(tài)管理，對(duì)設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制和監(jiān)視。該系統(tǒng)使用S7-200 PLC的一個(gè)重要的功能：高速可逆計(jì)數(shù)。光電編碼器和伺服電機(jī)同軸連接，伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)光電編碼器產(chǎn)生連續(xù)的脈沖串，PLC通過輸入點(diǎn)讀取光電編碼器產(chǎn)生的脈沖，實(shí)現(xiàn)高速可逆計(jì)數(shù)。例如設(shè)置高、中、低3個(gè)給水量檔位并進(jìn)行控制。在調(diào)試階段應(yīng)先驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)進(jìn)行3個(gè)給水量的位置標(biāo)定，也就是說，高、中、低3個(gè)檔位分別對(duì)應(yīng)唯一的脈沖數(shù)。應(yīng)該注意的是，由于采用的是增量式光電編碼器，也就是說，當(dāng)編碼器掉電后并不能將當(dāng)前的脈沖數(shù)保存。所以在旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)上還要設(shè)置2個(gè)限位開關(guān)，一
來保護(hù)機(jī)械結(jié)構(gòu)；二來把逆向的限位開關(guān)的位置定為零位，這樣相對(duì)于這個(gè)零位的高、中、低3個(gè)給水檔位從光電編碼器讀到的脈沖數(shù)即為這3個(gè)檔位的位置。這3個(gè)位置可通過PLC編程對(duì)其控制。圖2給出S7-200 PLC高速可逆計(jì)數(shù)器的時(shí)序圖。

1．2 光電編碼器
光電編碼器，是一種通過光電轉(zhuǎn)換將輸出軸上的機(jī)械幾何位移量轉(zhuǎn)換成脈沖或數(shù)字量的傳感器。這是目前應(yīng)用最多的傳感器，光電編碼器是由光柵盤和光電檢測(cè)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(gè)長(zhǎng)方形孔。由于光電碼盤與電動(dòng)機(jī)同軸，電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，光柵盤與電動(dòng)機(jī)同速旋轉(zhuǎn)，經(jīng)發(fā)光二極管等電子元件組成的檢測(cè)裝置檢測(cè)輸出若干脈沖信號(hào)，此外，為判斷旋轉(zhuǎn)方向，碼盤還可提供相位相差90°的兩路脈沖信號(hào)。圖3為在實(shí)際項(xiàng)目中采用光電編碼器的時(shí)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(biāo)識(shí)的CW(順時(shí)針)和CCW(逆時(shí)針)可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用在PLC程序中自行定義。圖4為在實(shí)際項(xiàng)目中采用光電編碼器的內(nèi)部電路和外部引線圖。