基于PLC高速计数器功能的进口切纸机改造

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1 引言
切纸机械是印刷和包装行业最常用的设备之一。切纸机完成的最基本动作是把待裁切的材料送到指定位置，然后进行裁切。其控制的核心是一个单轴定位控制。我公司引进欧洲一家公司的两台切纸设备，其推进定位系统的实现是利用单片机控制，当接收编码器的脉冲信号达到设定值后，单片机系统输出信号，断开进给电机的接触器，同时电磁离合制动器的离合分离，刹车制动推进系统的惯性，从而实现精确定位。由于设备的单片机控制系统老化，造成定位不准，切纸动作紊乱，不能正常生产。但此控制系统是早期产品，没有合适配件可替换，只能采取改造这一途径。目前国内进行切纸设备进给定位系统改造主要有两种方式，一是利用单片机结合变频器实现，一是利用单片机结合伺服系统实现，不过此两种改造方案成本都在两万元以上。并且单片机系统是由专业开发公司设计，技术保守，一旦出现故障只能交还原公司维修或更换，维修周期长且成本高，不利于改造后设备的维护和使用。我们结合自己设备的特点提出了新的改造方案，就是用plc的高速计数器功能结合变频器的多段速功能实现定位控制，并利用hmi（人机界面human machine interface）进行裁切参数设定和完成手动操控。

2 改造的可行性分析
现在的大多plc都具有高速计数器功能，不需增加特殊功能单元就可以处理频率高达几十或上百khz的脉冲信号。切纸机对进给系统的精度和响应速度要求不是很高，可以通过对切纸机进给系统相关参数的计算，合理的选用编码器，让脉冲频率即能在plc处理的范围内又可以满足进给的精度要求。在进给过程中，plc对所接收的脉冲数与设定数值进行比较，根据比较结果驱动相应的输出点对变频器进行输出频率的控制，实现接近设定值时进给速度变慢，从而减小系统惯性，达到精确定位的目的。另外当今变频器技术取得了长足的发展，使电机在低速时的转矩大幅度提升，从而也保证了进给定位时低速推进的可行性。

3 主要控制部件的选取
3.1 plc的选取
设备需要的输入输出信号如表1所示。

表1 plc输入输出分配表

针对这些必需的输入点数，选用了fx1s－30mr的plc，因为选用了人机界面，其它一些手动动作，如前进、后退、换刀等都通过人机界面实现，不需占用plc输入点，从而为选用低价位的fx1s系列plc成为可能，因为fx1s系列plc输入点最多只有16点。另外此系列plc的高速计数器具有处理频率高达60千赫的脉冲的能力，足可以满足切纸机对精度的要求。
3.2 编码器的选取
编码器的选取要符合两个方面，一是plc接收的最高脉冲频率，二是进给的精度。我们选用的是编码器分辨率是500p/r（每转每相输出500个脉冲）的。通过验正可以知道此分辨率可以满足上面两个条件。验证所需的参数：电机最高转速是1500转/分（25转/秒）、进给丝杆的导程是10mm/转。验证如下：

本系统脉冲最高频率＝25转/秒×500个/转×2（a/b两相）＝25khz

理论进给分辨率＝10mm/500=0.02mm

同时由上面的数据知道进给系统每走1mm编码器发出50（此数据很重要，在plc程序的数据处理中要用到）个脉冲信号。由于此工程中对编码器的a/b相脉冲进行了分别计数，使用了两个高速计数器，且在程序中应用了高速定位指令，则此plc可处理的最高脉冲频率为30千赫，因此满足了第一个条件;我们的切纸机的载切精度要求是0.2mm，可知理论精度完全满足此要求。
3.3 变频器和hmi的选取
这两个部件我们都选用了三菱公司的产品，分别是fr-e540-0.75k-ch和f920got-bbd-k-c。f920got是带按键型的hmi，它的使用和编程非常简单方便。它具有以下特点：（1）可以方便的实现和plc的数据交换；（2）通过本身自带的6个功能按键开关，可以控制plc内部的软继电器，从而可以减少plc输入点的使用；（3）具有两个通讯口，一个rs232c（用于和个人电脑通讯）和一个rs422（用于和plc通讯），利用电脑和f920got相连后不仅可以对hmi进行程序的读取和上传，还可以直接对plc的程序进行上传下载、调整和监控。

4 plc和hmi程序的设计
此工程中程序的难点主要在于数据的处理上。在切纸机工作过程中除手动让进给定位机构前进后退外，还要实现等分裁切功能和指定具体位置定位功能，并且hmi上还要即时显示定位机构的当前位置。我们为了简化程序中的计算，采用了两个高速计数器c235和c236。c236通过计算前进后退的脉冲数，再进行换算后用于显示进给机构的当前位置；c235用于进行精确定位。定位过程是这样的，每次进给机构需要定位工作时，通过计算把需要的脉冲数送到c235，不论进给机构前进还是后退c235进行减计数，同时对c235中的数值进行比较，根据比较结果驱动相应的输出点对变频器进行输出频率的控制，实现接近设定值时进给速度变慢，从而达到精确定位。因为任何系统都有惯性和时间上的迟滞，所以变频器停止输出的时间并不是c235中的计数值减小到0时，而是让c235和一个数据寄存器d130比较，当c235中的值减小到d130中的设定值时plc控制变频器停止输出。d130的值可通过人机界面进行修改和设定，在调试时通过修改这个值，以达到定位准确的目的。
1）显示定位机构当前位置的程序

2）实现定位控制的程序段

3）参数设定时的小数点位问题。实际工作中在设定位置时要精确到0.1mm。这个问题在一些单片机系统中常会遇到，常见的处理办法是加大一个数量级，就是设定数据时，在人机界面上用1代替0.1mm，10代替1mm。不过我们在处理此问题时通过hmi中对数据的设置和plc的程序编写达到了所见即所得的效果。hmi中主要是对数值的格式要设定好。hmi中的设置画面如图1所示。例如等分裁切10.5mm的纸，就可以在hmi上设定为10.5，而不是像公司的类似其它设备上要设为105，但plc的寄存器d128的内容是105而不是10.5，这样在计算需要的脉冲数时就要用下面一条命令：mul d128 k5 d10（此命令中尽管编程时d11不出现但实际上寄存器d11被占用，不能再应用于其它地方，否则会出现问题。）
而不是用：mul d128 k50 d10。

4）编程中其它应注意的问题
● 双线圈问题。本工程中利用条件跳转和步进指令避免了双线圈问题。
● 误差信号问题。编码器是一种比较精密的光电产品，受振动时不可避免的会出现误差信号，而切纸机在执行裁切动作时会造成很大振动，如果忽视这个现象，定位精度和执行机构当前位置的显示都会不准确。本工程中处理方法参见上面例子程序图1，只有y3、y4接通，即只有进给机构前进和后退时才让c236进行计数，这样就屏蔽了裁切时震动造成的误信号。

5 变频器的参数设置
设定的变频器的主要参数见表2。在调试过程中为了达到定位速度和精度的完美结合，应对三段速设定值，加减速时间和hmi中d130、d200和d202的数值进行相应调整。

表2 变频器主要参数设置一览表

6 结束语
通过改造过程，完全恢复了我们切纸机的功能，试用三个月以来运行非常稳定。由这个应用实例可以看出结合plc的高速计数器功能，合理的进行应用，在一定场合可以取代高成本的定位控制系统，实现控制系统最优的性价比，并且由于选用通用开放的plc—变频器集成方案，为企业后期自主设备管理带来长远的效益。

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