基于编码识别和变频控制技术的自动定位系统的研究

罗庚兴

（佛山职业技术学院，广东佛山 528000）

自动定位控制是工业自动化系统中非常重要的环节之一。比如，在食品制药灌装车间、粮食皮带输送系统等的物料小车定位控制，冶炼企业的加热炉钢坯定位控制、焦炉大车行走定位控制、飞剪自动定位控制、吐丝机等控制系统中，经常需要高精度的位置控制。一般采用直流或交流伺服技术来解决，但造价维护成本比较高。而一般的生产线采用PLC进行控制，并利用接近开关实现定位，其定位精度又难以达到要求。用PLC控制结合编码识别技术和变频控制技术，构建自动定位的半闭环控制系统，可以很好地实现预定目标的高效自动行走控制和准确定位。该控制方案在物料小车自动行走定位控制试验系统中应用，效果良好。

1 定位控制系统的构成

物料小车沿导轨做直线往复运动，其行走由交流电动机驱动，经齿轮减速箱驱动车体。电动机主轴上装有光电编码器，作为行走定位的检测元件。电动机由变频器控制。现场检测信号、变频器的执行命令和操作面板的指令等均接到S7－300 PLC上，经PLC运算后，发出控制命令给变频器，驱动小车行走，PLC通过USB/MPI接到上位机 PC，上位机 PC中安装了WINCC实时数据采集与监控组态软件，用于系统监控。控制系统框图如图1所示。

2 定位控制过程

在一般位置控制系统中，定位控制过程分为4个阶段，即恒加速阶段、高速运行阶段、高速减速阶段和低速爬行阶段，定位过程曲线如图2所示。图中，0～t1为恒加速阶段，t1～t2为高速运行阶段，t2～t3为高速减速阶段，t3～t4为低速爬行阶段。速度控制采用VVVF调速方案，升降速方式均采用线性方式。

为了能实行准确定位控制，需要估计在何位置开始进行减速。设被控对象的高速为vH，爬行速度为vL，减速开始时间t2对应的行程为S2，定位行程为S4。则减速位置行程为

爬行时间根据拖动系统的惯性设定。为了拖动系统能够平稳地减低，适当选择降速的时间。同样，在升速过程中，升速电流不超过允许值，尽可能缩短升速时间。升降速时间和方式均在变频器中设定。

在实际工业系统中，对物料小车来说，由于各托盘库、装卸料站所处的位置不同，则小车运行的距离有长有短。为此，用编码器和高速计数器来测定实际的位置，并与计算位置进行比较，当比较结果一旦大于S2时，小车减速进入低速爬行。开始减速的设定位置S2的选取非常重要，S2选得过小，则系统低速运行的距离过长，S2选得过大，则易引起超调。S2需经反复试验后设定，使小车行走基本无超调，定位精度在±0.5 mm之内。

3 定位控制的实现

3.1 系统主要配置

PLC控制系统的主要配置。PLC选用CPU 315－2DP（订货号6ES7 315－2AG10－0AB0 V2.0版），高速计数模块选用FM350（订货号6ES7 350－1AH03－0AE0），数字量输入模块选用DI×16 DC24V的6ES7 321－1BH02－0AA0，数字量输出模块选用 DO×16 DC24V/0.5A 的6ES7 322－1BH01－0AA0，模拟量输出模块选用AO2的6ES7 332－5HB01－0AB0。

检测元件主要有:电容传感器，直径18 mm，检测距离5 mm，型号EKC－M18A－5N1;编码器1000P/R，5出线结构，日本欧姆龙。

传动系统主要配置。台湾STK的0.4 kW三相交流异步电动机，配30:1减速比行星摆减速箱;SIEMENS G110型变频器，0.75 kW。

3.2 主要参数设置

（1）FM350的参数设置

运行 STEP 7管理器，进入硬件组态窗口“HW Config”，双击FM350计数器打开编程界面，单击编程界面中的相关按钮，选择下述参数。①编码器（Encoders）:24 V，增量式。②输入（Inputs）:电平控制的硬件门。③过程中断启用（Hardware Interrupt Ena）:不可能，在基本参数中取消。④输出（Outputs）:DO0未激活，DO1未激活。⑤操作模式（Operating Modes）:操作模式（Operating Modes）选择“连续计数（Continuous Counting）”，硬件门（Gate Control）选择“SW Gate”，如图3 所示。

在SIMATIC管理器中，选择“文件”→打开“库”，打开“FMx50LIB”库。将块文件下的函数FC2和用户定义数据类型UDT2拷贝到硬件站“物料小车定位控制”下程序“S7程序（1）”的块文件夹中。FC2计数和测量功能，支持等时模式，能够在操作中改变参数和置位、复位输出;使用UDT2生成的数据块。

在“S7程序（1）”的块文件夹中，选择“插入”→“S7块”→“数据块”，将DB2作为类型UDT2的DB插入到“块”文件中，然后“确定”。

在硬件组态窗口“HW Config”中→右键单击“FM350 COUNTER”条目→选择“对象属性”→打开“属性—FM350计数器”→“常规”选项卡→单击“Mod Addr…”按钮→选择DB“DB2”→“确定”→“确定”。

编译保存硬件组态，退出组态窗口“HW Config”。这样，实际位移的编码脉冲计数值就存放在DB2.DBD34中，数据类型为DINT。

（2）设置模拟量输出模块的参数

模拟量输出信号用于调节变频器的频率，范围0～10 V。因此，设置模拟量模块的参数如图4。图中，输出模块的通道1输出类型选择“取消激活”，通道0输出类型选择为电压“E”，输出范围为“±10 V”，CPU进入STOP模式的响应选择为“OCV”（输出无电压或电流）。

（3）G110变频器的参数设置

G110型变频器的参数设置如表1所示。

表1 G110变频器的参数快速设置

（4）建立物料小车定位监控的共享数据块DB3

为了便于与上位计算机通信，创建共享数据块“DB3”，统一保存通信数据。数据通信信号如表2所示，各变量加注适当的说明，便于阅读。

表2 共享数据块DB3

3.3 控制程序设计

物料小车自动定位控制系统的STEP 7程序结构如图5所示。图中OB1是总程序，FC2是计数函数，FC4是工作模式功能，FC5是物料小车运行控制功能，FC6是速度设定和输出控制功能，FC7是报警控制功能，FC8是小车运行位移比较功能。DB2是用来保存计数参数的UDT类型数据块，DB3是共享数据块。FC105是模拟量规范化处理程序，FC106是模拟量输出规范化处理程序。

小车运行位移比较功能FC8中，主要完成以下任务。

（1）计算减速位置行程S2

根据公式（1）计算物料小车的减速位置行程S2。试验中物料小车的爬行时间设定为3 s，减速时间设定为2 s。

（2）计算实际位置行程S

设实际计数脉冲数为N，编码器分辨率为R1，减速器分频率为R2，则，实际位置行程S为

在程序中运用公式（2）计算时，为了保证计算精度，必须将双整型脉冲数转化为实型数据，分辨率也必须是实型数据。

（3）位移比较

当实际位置行程S小于减速位置行程S2时，产生高速运行信号VH;当实际位置行程S大于减速位置行程S2并小于给定位置行程S4时，产生爬行运行信号VL;当实际位置行程S大于等于给定位置行程S4时，产生位置到达的停止信号SR。

根据上述控制要求可得到FC8的变量声明表如表3。

表3 FC8的变量声明表

4 结语

基于编码识别技术、PLC控制技术和变频控制技术，构建的物料小车行走自动定位控制系统，其控制方法先进，具有稳定性高、响应快、误差小、可靠性好、定位精度高等优点。这种控制原理和方法可以应用到诸如机械手、自动送料等其他精确定位控制系统中，具有一定的推广价值。

［1］罗庚兴，宁玉珊.大中型PLC应用技术［M］.北京:北京师范大学出版集团，2010.

［2］SIEMENS公司.G100简明操作手册［Z］.2005.

［3］杨奕.PLC高速计数器在定位控制系统中的应用［J］.电气自动化，2007，29（4）:2122.

［4］李园园，尤文.铁合金厂配料系统配料小车的定位控制［J］.长春工业大学学报:自然科学版，2009，30（3）:512 －516.

［5］杜东，黄尚先.PLC在准确定位系统中的应用［J］.电气传动，2000（1）:47－49.

作者:罗庚兴，男，1972年生，硕士，副教授，主要研究方向为PLC控制及自动化。

（编辑 孙德茂）

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