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V80系列PLC在數(shù)控系統(tǒng)中的應(yīng)用

    由于可編程控制器（PLC）是專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的一種工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，具有抗干擾能力強(qiáng)鉴凸、可靠性極高态晤、體積小、是實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化的理想控制裝置等顯著優(yōu)點(diǎn)涎舔，因此通過實(shí)踐與深入研究甲盘，本文提出了利用V80系列PLC控制步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)點(diǎn)位控制功能的有關(guān)見解與方法，介紹了控制系統(tǒng)研制中需要認(rèn)識(shí)與解決的若干問題哮互，給出了控制系統(tǒng)方案及軟硬件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)思路臣镜，對(duì)于工礦企業(yè)實(shí)現(xiàn)相關(guān)機(jī)床改造具有較高的應(yīng)用與參考價(jià)值。 
關(guān)鍵字：V80系列PLC题晌；數(shù)控系統(tǒng)洁馒；點(diǎn)位控制 
　　一、 引言
　　數(shù)控技術(shù)是綜合應(yīng)用了電子技術(shù)儡皮、計(jì)算技術(shù)柱锹、自動(dòng)控制與自動(dòng)檢測(cè)等現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)成就而發(fā)展起來(lái)的，目前在許多領(lǐng)域尤其是在機(jī)械加工行業(yè)中的應(yīng)用日益廣泛丰包。
　　數(shù)控系統(tǒng)按其控制方式劃分有點(diǎn)位控制系統(tǒng)奕纫、直線控制系統(tǒng)、連續(xù)控制系統(tǒng)烫沙。在機(jī)械加工時(shí)匹层，數(shù)控系統(tǒng)的點(diǎn)位控制一般用在孔加工機(jī)床上（例如鉆孔、鉸孔锌蓄、鏜孔的數(shù)控機(jī)床）升筏，其特點(diǎn)是，機(jī)床移動(dòng)部件能實(shí)現(xiàn)由一個(gè)位置到另一個(gè)位置的精確移動(dòng)瘸爽，即準(zhǔn)確控制移動(dòng)部件的終點(diǎn)位置您访，但并不考慮其運(yùn)動(dòng)軌跡，在移動(dòng)過程中刀具不切削工件剪决。
　　實(shí)現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)點(diǎn)位控制的通常方法可以有兩種：一是采用全功能的數(shù)控裝置灵汪，這種裝置功能十分完善，但其價(jià)格卻很昂貴柑潦，而且許多功能對(duì)點(diǎn)位控制來(lái)說是多余的姆赔；二是采用單板機(jī)或單片機(jī)控制，這種方法除了要進(jìn)行軟件開發(fā)外，還要設(shè)計(jì)硬件電路豆凛、接口電路坞龙、驅(qū)動(dòng)電路，特別是要考慮工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中的抗干擾問題缸舱。
　　由于可編程控制器（PLC）是專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的一種工業(yè)控制計(jì)算機(jī)蚀稻，具有抗干擾能力強(qiáng)、可靠性極高把意、體積小府塘、是實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化的理想控制裝置等顯著優(yōu)點(diǎn)，因此通過實(shí)踐與深入研究绿捶，本文提出了利用V80系列PLC控制步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)點(diǎn)位控制功能的有關(guān)見解與方法棚疏，介紹了控制系統(tǒng)研制中需要認(rèn)識(shí)與解決的若干問題，給出了控制系統(tǒng)方案及軟硬件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)思路棺蛾，對(duì)于工礦企業(yè)實(shí)現(xiàn)相關(guān)機(jī)床改造具有較高的應(yīng)用與參考價(jià)值虎炸。
    二、控制系統(tǒng)研制中需要認(rèn)識(shí)與解決的若干問題
　　1. 防止步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)失步和誤差
　　步進(jìn)電機(jī)是一種性能良好的數(shù)字化執(zhí)行元件怜俐，在數(shù)控系統(tǒng)的點(diǎn)位控制中身堡，可利用步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)。在開環(huán)控制中拍鲤，步進(jìn)電機(jī)由一定頻率的脈沖控制贴谎。由V80系列PLC直接產(chǎn)生脈沖來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)可以有效地簡(jiǎn)化系統(tǒng)的硬件電路，進(jìn)一步提高可靠性季稳。由于V80系列PLC是以循環(huán)掃描方式工作擅这，其掃描周期一般在幾毫秒至幾十毫秒之間，因此受到V80系列PLC工作方式的限制以及掃描周期的影響景鼠，步進(jìn)電機(jī)不能在高頻下工作仲翎。例如，若控制步進(jìn)電機(jī)的脈沖頻率為4000HZ铛漓，則脈沖周期為0.25毫秒溯香，這樣脈沖周期的數(shù)量級(jí)就比掃描周期小很多，如采用此頻率來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)浓恶。則V80系列PLC在還未完成輸出刷新任務(wù)時(shí)就已經(jīng)發(fā)出許多個(gè)控制脈沖玫坛，但步進(jìn)電機(jī)仍一動(dòng)不動(dòng)，出現(xiàn)了嚴(yán)重的失步現(xiàn)象沙涎。若控制步進(jìn)電機(jī)的脈沖頻率為100HZ傅慈，則脈沖周期為10毫秒，與V80系列PLC的掃描周期約處于同一數(shù)量級(jí)疼磺，步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行時(shí)亦可能會(huì)產(chǎn)生較大的誤差碘淘。因此用V80系列PLC驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)時(shí)刮血，為防止步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)失步與誤差，步進(jìn)電機(jī)應(yīng)在低頻下運(yùn)行抗钻，脈沖信號(hào)頻率選為十至幾十赫茲左右棚泛，這可以利用程序設(shè)計(jì)加以實(shí)現(xiàn)靶姻。
　　2. 保證定位精度與提高定位速度之間的矛盾
　　步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速與其控制脈沖的頻率成正比褒述，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)在極低頻下運(yùn)行時(shí)，其轉(zhuǎn)速必然很低怀拨。而為了保證系統(tǒng)的定位精度逃窜，脈沖當(dāng)量即步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)一個(gè)步距角時(shí)刀具或工作臺(tái)移動(dòng)的距離又不能太大，這兩個(gè)因素合在一起帶來(lái)了一個(gè)突出問題：定位時(shí)間太長(zhǎng)妒槐。例如若步進(jìn)電機(jī)的工作頻率為20HZ止骨，即50ms走一步，取脈沖當(dāng)量為δ＝0.01mm/步吮铭，則1秒鐘刀具或工作臺(tái)移動(dòng)的距離為20x0.01＝0.2mm时迫，1分鐘移動(dòng)的距離為60x0.2＝12mm，如果定位距離為120mm谓晌，則定位時(shí)間需要10分鐘掠拳，如此慢的定位速度在實(shí)際運(yùn)行中是難以忍受的。
　　為了保證定位精度纸肉，脈沖當(dāng)量不能太大溺欧，但卻影響了定位速度。因此如何既能提高定位速度柏肪，同時(shí)又能保證定位精度是一項(xiàng)需要認(rèn)真考慮并切實(shí)加以解決的問題姐刁。
　　3. 可變控制參數(shù)的在線修改
　　V80系列PLC應(yīng)用于點(diǎn)位控制時(shí)，用戶顯然希望當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)條件發(fā)生變化時(shí)烦味，系統(tǒng)的某些控制參數(shù)能作相應(yīng)的修改聂使，例如步進(jìn)電機(jī)步數(shù)的改變，速度的調(diào)整等谬俄。為滿足生產(chǎn)的連續(xù)性柏靶，要求對(duì)控制系統(tǒng)可變參數(shù)的修改應(yīng)在線進(jìn)行。盡管使用編程器可以方便快速地改變?cè)O(shè)定參數(shù)厨棒，但編程器一般不能交現(xiàn)場(chǎng)操作人員使用棠吨；雖然利用V80系列PLC的輸入按鍵并配合軟件設(shè)計(jì)也能實(shí)現(xiàn)控制參數(shù)的在線修改，但由于PLC沒有提供數(shù)碼顯示單元盟拨，因此需要為此單獨(dú)設(shè)計(jì)數(shù)碼輸入顯示電路逻盅，這又將極大地占用V80系列PLC的輸入點(diǎn)，導(dǎo)致硬件成本增加琢账，而且操作不便阻羞，數(shù)據(jù)輸入速度慢凰染。所以，應(yīng)考慮開發(fā)其他簡(jiǎn)便有效的方法實(shí)現(xiàn)V80系列PLC的可變控制參數(shù)的在線修改忘拧。
　　4. 其他問題
　　為了實(shí)現(xiàn)點(diǎn)位控制過程中數(shù)字變化的顯示及故障輸出代碼的顯示等要求捏诫，另外還得單獨(dú)設(shè)計(jì)V80系列PLC的數(shù)碼輸出顯示電路。由于目前PLC I/O點(diǎn)的價(jià)格仍較高溃擒，因此應(yīng)著重考慮選用能壓縮顯示輸出點(diǎn)的合適方法连定。此外，為保證控制系統(tǒng)的安全與穩(wěn)定運(yùn)行叮洋，還應(yīng)解決控制系統(tǒng)的安全保護(hù)問題磁携，如系統(tǒng)的行程保護(hù)、故障元件的自動(dòng)檢測(cè)等良风。
　　三谊迄、控制系統(tǒng)方案
　　1. 將定位過程劃分為脈沖當(dāng)量不同的兩個(gè)階段
　　要獲得高的定位速度，同時(shí)又要保證定位精度烟央，可以把整個(gè)定位過程劃分為兩個(gè)階段：粗定位階段和精定位階段统诺。這兩個(gè)階段均采用相同頻率的脈沖控制步進(jìn)電機(jī)，但采用不同的脈沖當(dāng)量疑俭。粗定位階段：由于在點(diǎn)位過程中粮呢，刀具不切削工件，因此在這一階段怠硼，可采用較大的脈沖當(dāng)量鬼贱，如0.1mm/步或1mm/步，甚至更高香璃。例如步進(jìn)電機(jī)控制脈沖頻率為20HZ这难，脈沖當(dāng)量為0.1mm/步，定位距離為120mm葡秒，則走完全程所需時(shí)間為1分鐘躲窜，這樣為速度顯然已能滿足要求。精定位階段：當(dāng)使用較大的脈沖當(dāng)量使刀具或工作臺(tái)快速移動(dòng)至接近定位點(diǎn)時(shí)捺膳，（即完成粗定位階段）咧笔，為了保證定位精度，再換用較小的脈沖當(dāng)量進(jìn)入精定位階段诵两，讓刀具或工作臺(tái)慢慢趨近于定位點(diǎn)垂票，例如取脈沖當(dāng)量為0.01mm/步。盡管脈沖當(dāng)量變小渔茉，但由于精定位行程很短（可定為全行程的五十分之一左右）育需，因此并不會(huì)影響到定位速度。
　　為了實(shí)現(xiàn)上述目的牡违，在機(jī)械方面阎揪，應(yīng)采用兩套變速機(jī)構(gòu)吩欣。在粗定位階段，由步進(jìn)電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)刀具或工作臺(tái)傳動(dòng)海庆，在精定位階段恋瞳，則采用降速傳動(dòng)。這兩套變速機(jī)構(gòu)使用哪一套溃蔫，由電磁離合器控制健提。
　　2. 應(yīng)用功能指令實(shí)現(xiàn)BCD碼撥盤數(shù)據(jù)輸入
　　目前較為先進(jìn)的V80系列PLC不僅具有滿足順序控制要求的基本邏輯指令，而且還提供了豐富的功能指令酒唉。如果說基本邏輯指令是對(duì)繼電器控制原理的一種抽象提高的話矩桂，那么功能指令就象是對(duì)匯編語(yǔ)言的一種抽象提高沸移。BCD碼數(shù)據(jù)撥盤是計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中常用到的十進(jìn)制撥盤數(shù)據(jù)輸入裝置痪伦。撥盤共有0~9+個(gè)位置，每一位置都有相應(yīng)的數(shù)字指示雹锣。一個(gè)撥盤可代表一位十進(jìn)制數(shù)據(jù)网沾，若需輸入多位數(shù)據(jù)，可以用多片BCD碼撥盤并聯(lián)使用蕊爵。
　　筆者選用BCD碼撥盤裝置應(yīng)用于V80系列PLC控制的系統(tǒng)辉哥，這樣無(wú)需再設(shè)計(jì)數(shù)碼輸入顯示電路，有效地節(jié)省了V80系列PLC的輸入點(diǎn)攒射，簡(jiǎn)化了硬件電路醋旦，并利用先進(jìn)的功能指令實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和傳輸，因此能極方便地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的在線輸入或修改（如計(jì)數(shù)器設(shè)定值的修改等）会放，若配合簡(jiǎn)單的硬件譯碼電路俗耗，就可顯示有關(guān)參數(shù)的動(dòng)態(tài)變化（如電機(jī)步數(shù)的遞減變化等）。為避免在系統(tǒng)運(yùn)行中撥動(dòng)撥盤可能給系統(tǒng)造成的波動(dòng)匈惑，最好設(shè)置一輸入鍵缝聋，當(dāng)確認(rèn)各片撥盤都撥到位后再按該鍵，這時(shí)數(shù)據(jù)才被V80系列PLC讀入并處理庇鸭。
　　3. “軟件編碼废徙、硬件解碼”
　　為滿足壓縮輸出點(diǎn)這一前提條件，采用“軟件編碼狂嘉、硬件解碼”的方法設(shè)計(jì)V80系列PLC的數(shù)碼輸出顯示電路爵孔。例如，對(duì)于9種及其以下的故障狀態(tài)顯示询蚊，可采用8-4軟件編碼神阔，4-8硬件解碼，使顯示故障的輸出點(diǎn)壓縮為4個(gè)辣铡，硬件電路包含74LS04褒碌、74LS48别肄、共陰數(shù)碼管等器件。
　　4. PLC外部元件故障的自動(dòng)檢測(cè)
　　由于PLC具有極高的可靠性交惯，因此V80系列PLC控制系統(tǒng)中絕大部分的故障不是來(lái)自PLC本身次泽，而是由于外部元件故障引起的，例如常見的按鈕或行程開關(guān)觸點(diǎn)的熔焊及氧化就分別對(duì)應(yīng)著短路故障及開路故障席爽。系統(tǒng)一旦自動(dòng)檢測(cè)到元件故障意荤，應(yīng)不僅具有聲光報(bào)警功能，而且能立即顯示故障代碼只锻，以便用戶據(jù)此迅速判斷出故障原因玖像。為節(jié)省篇幅，此項(xiàng)內(nèi)容的程序設(shè)計(jì)思路見參考文獻(xiàn)齐饮。
　　四捐寥、控制系統(tǒng)的軟硬件結(jié)構(gòu)
　　1. 軟件結(jié)構(gòu)
　　軟件結(jié)構(gòu)根據(jù)控制要求而設(shè)計(jì)，主要?jiǎng)澐譃槲宕竽K：即步進(jìn)電機(jī)控制模塊祖驱、定位控制模塊握恳、數(shù)據(jù)撥盤輸入及數(shù)據(jù)傳輸模塊、數(shù)碼輸出顯示模塊捺僻、元件故障的自動(dòng)檢測(cè)與報(bào)警模塊乡洼。
　　由于整個(gè)軟件結(jié)構(gòu)較為龐大，脈沖控制器產(chǎn)生0.1秒的控制脈沖嚼讹，使移位寄存器移位扛焊，提供六拍時(shí)序脈沖，通過三相六拍環(huán)形分配器使三個(gè)輸出繼電器Y430脊腺、Y431崎绽、Y432按照單雙六拍的通電方式控制步進(jìn)電機(jī)。為實(shí)現(xiàn)定位控制苔盆，采用不同的計(jì)數(shù)器分別控制粗定位行程和精定位行程瘩邀，計(jì)數(shù)器的設(shè)定值依據(jù)行程而定。例如茵窃，設(shè)刀具或工作臺(tái)欲從A點(diǎn)移至C點(diǎn)依矿，已知AC＝200mm，把AC劃分為AB與BC兩段漏北，AB＝196mm范蛉，BC＝4mm，AB段為粗定位行程舵牛，采用0.1mm/步的脈沖當(dāng)量快速移動(dòng)份噪，利用了6位計(jì)數(shù)器（C660/C661），而BC段為精定位行程援制，采用0.01mm/步的脈沖當(dāng)量精確定位戏挡，利用了3位計(jì)數(shù)器C460芍瑞，在粗定位結(jié)束進(jìn)入精定位的同時(shí)，PLC自動(dòng)接通電磁離合器輸出點(diǎn)Y433以實(shí)現(xiàn)變速機(jī)構(gòu)的更換褐墅。
　　2. 硬件結(jié)構(gòu)
　　五拆檬、結(jié)束語(yǔ)
　　系統(tǒng)試驗(yàn)表明，本文提出的應(yīng)用V80系列PLC控制步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)點(diǎn)位控制功能的方法能滿足控制要求妥凳，在實(shí)際運(yùn)行中是切實(shí)可行的竟贯。所研制的控制系統(tǒng)具有程序設(shè)計(jì)思路清晰、硬件電路簡(jiǎn)單實(shí)用逝钥、可靠性高屑那、抗干擾能力強(qiáng)，具有良好的性能價(jià)格比等顯著優(yōu)點(diǎn)艘款，其軟硬件的設(shè)計(jì)思路可應(yīng)用于工礦企業(yè)的相關(guān)機(jī)床改造持际。 


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