PLC在數控系統點位控制中的應用

分類：技術教程日期：2007-03-30 00:00:00

一、引言
數控技術是綜合應用了電子技術、計算技術、自動控制與自動檢測等現代科學技術成就而發展起來的，目前在許多領域尤其是在機械加工行業中的應用日益廣泛。
數控系統按其控制方式劃分有點位控制系統、直線控制系統、連續控制系統。在機械加工時，數控系統的點位控制一般用在孔加工機床上（例如鉆孔、鉸孔、鏜孔的數控機床），其特點是，機床移動部件能實現由一個位置到另一個位置的精確移動，即準確控制移動部件的終點位置，但并不考慮其運動軌跡，在移動過程中刀具不切削工件。
實現數控系統點位控制的通常方法可以有兩種：一是采用全功能的數控裝置，這種裝置功能十分完善，但其價格卻很昂貴，而且許多功能對點位控制來說是多余的；二是采用單板機或單片機控制，這種方法除了要進行軟件開發外，還要設計硬件電路、接口電路、驅動電路，特別是要考慮工業現場中的抗干擾問題。
由于可編程控制器（PLC）是專為在工業環境下應用而設計的一種工業控制計算機，具有抗干擾能力強、可靠性極高、體積小、是實現機電一體化的理想控制裝置等顯著優點，因此通過實踐與深入研究，本文提出了利用PLC控制步進電機實現數控系統點位控制功能的有關見解與方法，介紹了控制系統研制中需要認識與解決的若干問題，給出了控制系統方案及軟硬件結構的設計思路，對于工礦企業實現相關機床改造具有較高的應用與參考價值。
二、控制系統研制中需要認識與解決的若干問題
1. 防止步進電機運行時出現失步和誤差
步進電機是一種性能良好的數字化執行元件，在數控系統的點位控制中，可利用步進電機作為驅動電機。在開環控制中，步進電機由一定頻率的脈沖控制。由PLC直接產生脈沖來控制步進電機可以有效地簡化系統的硬件電路，進一步提高可靠性。由于PLC是以循環掃描方式工作，其掃描周期一般在幾毫秒至幾十毫秒之間，因此受到PLC工作方式的限制以及掃描周期的影響，步進電機不能在高頻下工作。例如，若控制步進電機的脈沖頻率為4000HZ，則脈沖周期為0.25毫秒，這樣脈沖周期的數量級就比掃描周期小很多，如采用此頻率來控制步進電機。則PLC在還未完成輸出刷新任務時就已經發出許多個控制脈沖，但步進電機仍一動不動，出現了嚴重的失步現象。若控制步進電機的脈沖頻率為100HZ，則脈沖周期為10毫秒，與PLC的掃描周期約處于同一數量級，步進電機運行時亦可能會產生較大的誤差。因此用PLC驅動步進電機時，為防止步進電機運行時出現失步與誤差，步進電機應在低頻下運行，脈沖信號頻率選為十至幾十赫茲左右，這可以利用程序設計加以實現。
2. 保證定位精度與提高定位速度之間的矛盾
步進電機的轉速與其控制脈沖的頻率成正比，當步進電機在極低頻下運行時，其轉速必然很低。而為了保證系統的定位精度，脈沖當量即步進電機轉一個步距角時刀具或工作臺移動的距離又不能太大，這兩個因素合在一起帶來了一個突出問題：定位時間太長。例如若步進電機的工作頻率為20HZ，即50ms走一步，取脈沖當量為δ＝0.01mm/步，則1秒鐘刀具或工作臺移動的距離為20x0.01＝0.2mm，1分鐘移動的距離為60x0.2＝12mm，如果定位距離為120mm，則定位時間需要10分鐘，如此慢的定位速度在實際運行中是難以忍受的。
為了保證定位精度，脈沖當量不能太大，但卻影響了定位速度。因此如何既能提高定位速度，同時又能保證定位精度是一項需要認真考慮并切實加以解決的問題。
3. 可變控制參數的在線修改
PLC應用于點位控制時，用戶顯然希望當現場條件發生變化時，系統的某些控制參數能作相應的修改，例如步進電機步數的改變，速度的調整等。為滿足生產的連續性，要求對控制系統可變參數的修改應在線進行。盡管使用編程器可以方便快速地改變原設定參數，但編程器一般不能交現場操作人員使用；雖然利用PLC的輸入按鍵并配合軟件設計也能實現控制參數的在線修改，但由于PLC沒有提供數碼顯示單元，因此需要為此單獨設計數碼輸入顯示電路，這又將極大地占用PLC的輸入點，導致硬件成本增加，而且操作不便，數據輸入速度慢。所以，應考慮開發其他簡便有效的方法實現PLC的可變控制參數的在線修改。
4. 其他問題
為了實現點位控制過程中數字變化的顯示及故障輸出代碼的顯示等要求，另外還得單獨設計PLC的數碼輸出顯示電路。由于目前PLC I/O點的價格仍較高，因此應著重考慮選用能壓縮顯示輸出點的合適方法。此外，為保證控制系統的安全與穩定運行，還應解決控制系統的安全保護問題，如系統的行程保護、故障元件的自動檢測等。

三、控制系統方案
1. 將定位過程劃分為脈沖當量不同的兩個階段
要獲得高的定位速度，同時又要保證定位精度，可以把整個定位過程劃分為兩個階段：粗定位階段和精定位階段。這兩個階段均采用相同頻率的脈沖控制步進電機，但采用不同的脈沖當量。粗定位階段：由于在點位過程中，刀具不切削工件，因此在這一階段，可采用較大的脈沖當量，如0.1mm/步或1mm/步，甚至更高。例如步進電機控制脈沖頻率為20HZ，脈沖當量為0.1mm/步，定位距離為120mm，則走完全程所需時間為1分鐘，這樣為速度顯然已能滿足要求。精定位階段：當使用較大的脈沖當量使刀具或工作臺快速移動至接近定位點時，（即完成粗定位階段），為了保證定位精度，再換用較小的脈沖當量進入精定位階段，讓刀具或工作臺慢慢趨近于定位點，例如取脈沖當量為0.01mm/步。盡管脈沖當量變小，但由于精定位行程很短（可定為全行程的五十分之一左右），因此并不會影響到定位速度。
為了實現上述目的，在機械方面，應采用兩套變速機構。在粗定位階段，由步進電機直接驅動刀具或工作臺傳動，在精定位階段，則采用降速傳動。這兩套變速機構使用哪一套，由電磁離合器控制。
2. 應用功能指令實現BCD碼撥盤數據輸入
目前較為先進的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。如果說基本邏輯指令是對繼電器控制原理的一種抽象提高的話，那么功能指令就象是對匯編語言的一種抽象提高。BCD碼數據撥盤是計算機控制系統中常用到的十進制撥盤數據輸入裝置。撥盤共有0~9+個位置，每一位置都有相應的數字指示。一個撥盤可代表一位十進制數據，若需輸入多位數據，可以用多片BCD碼撥盤并聯使用。
筆者選用BCD碼撥盤裝置應用于PLC控制的系統，這樣無需再設計數碼輸入顯示電路，有效地節省了PLC的輸入點，簡化了硬件電路，并利用先進的功能指令實現數據的存儲和傳輸，因此能極方便地實現數據的在線輸入或修改（如計數器設定值的修改等），若配合簡單的硬件譯碼電路，就可顯示有關參數的動態變化（如電機步數的遞減變化等）。為避免在系統運行中撥動撥盤可能給系統造成的波動，最好設置一輸入鍵，當確認各片撥盤都撥到位后再按該鍵，這時數據才被PLC讀入并處理。
3. “軟件編碼、硬件解碼”
為滿足壓縮輸出點這一前提條件，采用“軟件編碼、硬件解碼”的方法設計PLC的數碼輸出顯示電路。例如，對于9種及其以下的故障狀態顯示，可采用8-4軟件編碼，4-8硬件解碼，使顯示故障的輸出點壓縮為4個，硬件電路包含74LS04、74LS48、共陰數碼管等器件。
4. PLC外部元件故障的自動檢測
由于PLC具有極高的可靠性，因此PLC控制系統中絕大部分的故障不是來自PLC本身，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觸點的熔焊及氧化就分別對應著短路故障及開路故障。系統一旦自動檢測到元件故障，應不僅具有聲光報警功能，而且能立即顯示故障代碼，以便用戶據此迅速判斷出故障原因。為節省篇幅，此項內容的程序設計思路見參考文獻。
四、控制系統的軟硬件結構
1. 軟件結構
軟件結構根據控制要求而設計，主要劃分為五大模塊：即步進電機控制模塊、定位控制模塊、數據撥盤輸入及數據傳輸模塊、數碼輸出顯示模塊、元件故障的自動檢測與報警模塊。
由于整個軟件結構較為龐大，脈沖控制器產生0.1秒的控制脈沖，使移位寄存器移位，提供六拍時序脈沖，通過三相六拍環形分配器使三個輸出繼電器Y430、Y431、Y432按照單雙六拍的通電方式控制步進電機。為實現定位控制，采用不同的計數器分別控制粗定位行程和精定位行程，計數器的設定值依據行程而定。例如，設刀具或工作臺欲從A點移至C點，已知AC＝200mm，把AC劃分為AB與BC兩段，AB＝196mm，BC＝4mm，AB段為粗定位行程，采用0.1mm/步的脈沖當量快速移動，利用了6位計數器（C660/C661），而BC段為精定位行程，采用0.01mm/步的脈沖當量精確定位，利用了3位計數器C460，在粗定位結束進入精定位的同時，PLC自動接通電磁離合器輸出點Y433以實現變速機構的更換。
2. 硬件結構
五、結束語
系統試驗表明，本文提出的應用PLC控制步進電機實現數控系統點位控制功能的方法能滿足控制要求，在實際運行中是切實可行的。所研制的控制系統具有程序設計思路清晰、硬件電路簡單實用、可靠性高、抗干擾能力強，具有良好的性能價格比等顯著優點，其軟硬件的設計思路可應用于工礦企業的相關機床改造。