基于編碼識別和變頻控制技術的自動定位系統的研究

羅庚興

（佛山職業技術學院，廣東佛山 528000）

自動定位控制是工業自動化系統中非常重要的環節之一。比如，在食品制藥灌裝車間、糧食皮帶輸送系統等的物料小車定位控制，冶煉企業的加熱爐鋼坯定位控制、焦爐大車行走定位控制、飛剪自動定位控制、吐絲機等控制系統中，經常需要高精度的位置控制。一般采用直流或交流伺服技術來解決，但造價維護成本比較高。而一般的生產線采用PLC進行控制，并利用接近開關實現定位，其定位精度又難以達到要求。用PLC控制結合編碼識別技術和變頻控制技術，構建自動定位的半閉環控制系統，可以很好地實現預定目標的高效自動行走控制和準確定位。該控制方案在物料小車自動行走定位控制試驗系統中應用，效果良好。

1 定位控制系統的構成

物料小車沿導軌做直線往復運動，其行走由交流電動機驅動，經齒輪減速箱驅動車體。電動機主軸上裝有光電編碼器，作為行走定位的檢測元件。電動機由變頻器控制。現場檢測信號、變頻器的執行命令和操作面板的指令等均接到S7－300 PLC上，經PLC運算后，發出控制命令給變頻器，驅動小車行走，PLC通過USB/MPI接到上位機 PC，上位機 PC中安裝了WINCC實時數據采集與監控組態軟件，用于系統監控。控制系統框圖如圖1所示。

2 定位控制過程

在一般位置控制系統中，定位控制過程分為4個階段，即恒加速階段、高速運行階段、高速減速階段和低速爬行階段，定位過程曲線如圖2所示。圖中，0～t1為恒加速階段，t1～t2為高速運行階段，t2～t3為高速減速階段，t3～t4為低速爬行階段。速度控制采用VVVF調速方案，升降速方式均采用線性方式。

為了能實行準確定位控制，需要估計在何位置開始進行減速。設被控對象的高速為vH，爬行速度為vL，減速開始時間t2對應的行程為S2，定位行程為S4。則減速位置行程為

爬行時間根據拖動系統的慣性設定。為了拖動系統能夠平穩地減低，適當選擇降速的時間。同樣，在升速過程中，升速電流不超過允許值，盡可能縮短升速時間。升降速時間和方式均在變頻器中設定。

在實際工業系統中，對物料小車來說，由于各托盤庫、裝卸料站所處的位置不同，則小車運行的距離有長有短。為此，用編碼器和高速計數器來測定實際的位置，并與計算位置進行比較，當比較結果一旦大于S2時，小車減速進入低速爬行。開始減速的設定位置S2的選取非常重要，S2選得過小，則系統低速運行的距離過長，S2選得過大，則易引起超調。S2需經反復試驗后設定，使小車行走基本無超調，定位精度在±0.5 mm之內。

3 定位控制的實現

3.1 系統主要配置

PLC控制系統的主要配置。PLC選用CPU 315－2DP（訂貨號6ES7 315－2AG10－0AB0 V2.0版），高速計數模塊選用FM350（訂貨號6ES7 350－1AH03－0AE0），數字量輸入模塊選用DI×16 DC24V的6ES7 321－1BH02－0AA0，數字量輸出模塊選用 DO×16 DC24V/0.5A 的6ES7 322－1BH01－0AA0，模擬量輸出模塊選用AO2的6ES7 332－5HB01－0AB0。

檢測元件主要有:電容傳感器，直徑18 mm，檢測距離5 mm，型號EKC－M18A－5N1;編碼器1000P/R，5出線結構，日本歐姆龍。

傳動系統主要配置。臺灣STK的0.4 kW三相交流異步電動機，配30:1減速比行星擺減速箱;SIEMENS G110型變頻器，0.75 kW。

3.2 主要參數設置

（1）FM350的參數設置

運行 STEP 7管理器，進入硬件組態窗口“HW Config”，雙擊FM350計數器打開編程界面，單擊編程界面中的相關按鈕，選擇下述參數。①編碼器（Encoders）:24 V，增量式。②輸入（Inputs）:電平控制的硬件門。③過程中斷啟用（Hardware Interrupt Ena）:不可能，在基本參數中取消。④輸出（Outputs）:DO0未激活，DO1未激活。⑤操作模式（Operating Modes）:操作模式（Operating Modes）選擇“連續計數（Continuous Counting）”，硬件門（Gate Control）選擇“SW Gate”，如圖3 所示。

在SIMATIC管理器中，選擇“文件”→打開“庫”，打開“FMx50LIB”庫。將塊文件下的函數FC2和用戶定義數據類型UDT2拷貝到硬件站“物料小車定位控制”下程序“S7程序（1）”的塊文件夾中。FC2計數和測量功能，支持等時模式，能夠在操作中改變參數和置位、復位輸出;使用UDT2生成的數據塊。

在“S7程序（1）”的塊文件夾中，選擇“插入”→“S7塊”→“數據塊”，將DB2作為類型UDT2的DB插入到“塊”文件中，然后“確定”。

在硬件組態窗口“HW Config”中→右鍵單擊“FM350 COUNTER”條目→選擇“對象屬性”→打開“屬性—FM350計數器”→“常規”選項卡→單擊“Mod Addr…”按鈕→選擇DB“DB2”→“確定”→“確定”。

編譯保存硬件組態，退出組態窗口“HW Config”。這樣，實際位移的編碼脈沖計數值就存放在DB2.DBD34中，數據類型為DINT。

（2）設置模擬量輸出模塊的參數

模擬量輸出信號用于調節變頻器的頻率，范圍0～10 V。因此，設置模擬量模塊的參數如圖4。圖中，輸出模塊的通道1輸出類型選擇“取消激活”，通道0輸出類型選擇為電壓“E”，輸出范圍為“±10 V”，CPU進入STOP模式的響應選擇為“OCV”（輸出無電壓或電流）。

（3）G110變頻器的參數設置

G110型變頻器的參數設置如表1所示。

表1 G110變頻器的參數快速設置

（4）建立物料小車定位監控的共享數據塊DB3

為了便于與上位計算機通信，創建共享數據塊“DB3”，統一保存通信數據。數據通信信號如表2所示，各變量加注適當的說明，便于閱讀。

表2 共享數據塊DB3

3.3 控制程序設計

物料小車自動定位控制系統的STEP 7程序結構如圖5所示。圖中OB1是總程序，FC2是計數函數，FC4是工作模式功能，FC5是物料小車運行控制功能，FC6是速度設定和輸出控制功能，FC7是報警控制功能，FC8是小車運行位移比較功能。DB2是用來保存計數參數的UDT類型數據塊，DB3是共享數據塊。FC105是模擬量規范化處理程序，FC106是模擬量輸出規范化處理程序。

小車運行位移比較功能FC8中，主要完成以下任務。

（1）計算減速位置行程S2

根據公式（1）計算物料小車的減速位置行程S2。試驗中物料小車的爬行時間設定為3 s，減速時間設定為2 s。

（2）計算實際位置行程S

設實際計數脈沖數為N，編碼器分辨率為R1，減速器分頻率為R2，則，實際位置行程S為

在程序中運用公式（2）計算時，為了保證計算精度，必須將雙整型脈沖數轉化為實型數據，分辨率也必須是實型數據。

（3）位移比較

當實際位置行程S小于減速位置行程S2時，產生高速運行信號VH;當實際位置行程S大于減速位置行程S2并小于給定位置行程S4時，產生爬行運行信號VL;當實際位置行程S大于等于給定位置行程S4時，產生位置到達的停止信號SR。

根據上述控制要求可得到FC8的變量聲明表如表3。

表3 FC8的變量聲明表

4 結語

基于編碼識別技術、PLC控制技術和變頻控制技術，構建的物料小車行走自動定位控制系統，其控制方法先進，具有穩定性高、響應快、誤差小、可靠性好、定位精度高等優點。這種控制原理和方法可以應用到諸如機械手、自動送料等其他精確定位控制系統中，具有一定的推廣價值。

［1］羅庚興，寧玉珊.大中型PLC應用技術［M］.北京:北京師范大學出版集團，2010.

［2］SIEMENS公司.G100簡明操作手冊［Z］.2005.

［3］楊奕.PLC高速計數器在定位控制系統中的應用［J］.電氣自動化，2007，29（4）:2122.

［4］李園園，尤文.鐵合金廠配料系統配料小車的定位控制［J］.長春工業大學學報:自然科學版，2009，30（3）:512 －516.

［5］杜東，黃尚先.PLC在準確定位系統中的應用［J］.電氣傳動，2000（1）:47－49.

作者:羅庚興，男，1972年生，碩士，副教授，主要研究方向為PLC控制及自動化。

（編輯 孫德茂）

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