1、引言

切紙機(jī)械是印刷和包裝行業(yè)常用的設(shè)備之一。切紙機(jī)完成的基本動作是把待裁切的材料送到指定位置，然后進(jìn)行裁切。其控制的核心是一個(gè)單軸定位控制。我公司引進(jìn)歐洲一家公司的兩臺切紙?jiān)O(shè)備，其推進(jìn)定位系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)是利用單片機(jī)控制的?？刂七^程是這樣的，當(dāng)接收編碼器的脈沖信號達(dá)到設(shè)定值后，單片機(jī)系統(tǒng)輸出信號，斷開進(jìn)給電機(jī)的接觸器，同時(shí)電磁離合制動器的離合分離，剎車起作用以消除推進(jìn)系統(tǒng)的慣性，從而實(shí)現(xiàn)精確定位。由于設(shè)備的單片機(jī)控制系統(tǒng)老化，造成定位不準(zhǔn)，切紙動作紊亂，不能正常生產(chǎn)。但此控制系統(tǒng)是早期產(chǎn)品，沒有合適配件可替換，只能采取改造這一途徑。目前國內(nèi)進(jìn)行切紙?jiān)O(shè)備進(jìn)給定位系統(tǒng)改造主要有兩種方式，一是利用單片機(jī)結(jié)合變頻器實(shí)現(xiàn)，一是利用單片機(jī)結(jié)合伺服系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，不過此兩種改造方案成本都在兩萬元以上。并且單片機(jī)系統(tǒng)是由專業(yè)開發(fā)公司設(shè)計(jì)，技術(shù)保守，一旦出現(xiàn)故障只能交還原公司維修或更換，維修周期長且成本高，不利于改造后設(shè)備的維護(hù)和使用。我們結(jié)合自己設(shè)備的特點(diǎn)提出了新的改造方案，就是用PLC的高速計(jì)數(shù)器功能結(jié)合變頻器的多段速功能實(shí)現(xiàn)定位控制，并利用HMI(人機(jī)界面HumanMachineInterface)進(jìn)行裁切參數(shù)設(shè)定和完成一些手動動作。

2、改造的可行性分析

現(xiàn)在的大多PLC都具有高速計(jì)數(shù)器功能，不需增加特殊功能單元就可以處理頻率高達(dá)幾十或上百KHz的脈沖信號，而切紙機(jī)對進(jìn)給系統(tǒng)的精度和響應(yīng)速度要求不是很高?？梢酝ㄟ^對切紙機(jī)進(jìn)給系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)的計(jì)算，合理的選用編碼器，讓脈沖頻率即能在PLC處理的范圍內(nèi)又可以滿足進(jìn)給的精度要求。在進(jìn)給過程中，讓PLC對所接收的脈沖數(shù)與設(shè)定數(shù)值進(jìn)行比較，根據(jù)比較結(jié)果驅(qū)動相應(yīng)的輸出點(diǎn)對變頻器進(jìn)行輸出頻率的控制，實(shí)現(xiàn)接近設(shè)定值時(shí)進(jìn)給速度變慢，從而減小系統(tǒng)慣性，達(dá)到精確定位的目的。另外當(dāng)今變頻器技術(shù)取得了長足的發(fā)展，使電機(jī)在低速時(shí)的轉(zhuǎn)矩大幅度提升，從而也保證了進(jìn)給定位時(shí)低速推進(jìn)的可行性。

3、主要控制部件的選取

3.1PLC的選取

設(shè)備需要的輸入輸出信號如下：

x0脈沖輸入

x1脈沖輸入

x2前限位

x3后限位y3前進(jìn)!

x4前減速位y4后退

x5電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)信號y5高速

x6刀上位y6中速

x7滑刀保護(hù)y7低速

x10壓紙器上位y10

x11光電保護(hù)y11

x12小車后位y12進(jìn)給離合

x13雙手下刀按鈕y13壓板下

x14停止按鈕y14刀離合

x15連桿保護(hù)y15電機(jī)禁啟動

x16刀回復(fù)到位

針對這些必需的輸入點(diǎn)數(shù)，選用了FX1s-30MR的PLC，因?yàn)檫x用了人機(jī)界面，其它一些手動動作，如前進(jìn)、后退、換刀等都通過人機(jī)界面實(shí)現(xiàn)，不需占用PLC輸入點(diǎn)，從而為選用低價(jià)位的FX1s系列PLC成為可能，因?yàn)镕X1s系列PLC輸入點(diǎn)多只有16點(diǎn)。另外此系列PLC的高速計(jì)數(shù)器具有處理頻率高達(dá)60千赫的脈沖的能力，足可以滿足切紙機(jī)對精度的要求。

3.2編碼器的選取

編碼器的選取要符合兩個(gè)方面，一是PLC接收的高脈沖頻率，二是進(jìn)給的精度。我們選用的是編碼器分辨率是500P/R(每轉(zhuǎn)每相輸出500個(gè)脈沖)的。通過驗(yàn)正可以知道此分辨率可以滿足上面兩個(gè)條件。驗(yàn)證所需的參數(shù)：電機(jī)高轉(zhuǎn)速是1500轉(zhuǎn)/分(25轉(zhuǎn)/秒)、進(jìn)給絲桿的導(dǎo)程是10mm/轉(zhuǎn)。驗(yàn)證如下：

本系統(tǒng)脈沖高頻率=25轉(zhuǎn)/秒×500個(gè)/轉(zhuǎn)×2(A/B兩相)=25KHz

理論進(jìn)給分辨率=10mm/500=0.02mm

同時(shí)由上面的數(shù)據(jù)知道進(jìn)給系統(tǒng)每走1mm編碼器發(fā)出50(此數(shù)據(jù)很重要，在PLC程序的數(shù)據(jù)處理中要用到)個(gè)脈沖信號。由于此工程中對編碼器的A/B相脈沖進(jìn)行了分別計(jì)數(shù)，使用了兩個(gè)高速計(jì)數(shù)器，且在程序中應(yīng)用了高速定位指令，則此PLC可處理的高脈沖頻率為30千赫，因此滿足了個(gè)條件;我們的切紙機(jī)的載切精度要求是0.2mm，可知理論精度完全滿足此要求。

3.3變頻器和HMI的選取

這兩個(gè)部件我們都選用了三菱公司的產(chǎn)品，分別是FR-E540-0.75K-CH和F920GOT-BBD-K-C。

4F920GOT-BBD-K-C的特點(diǎn):

F920GOT是帶按鍵型的HMI，它的使用和編程非常簡單方便。它具有以下特點(diǎn)：1)可以方便的實(shí)現(xiàn)和PLC的數(shù)據(jù)交換;2)通過本身自帶的6個(gè)功能按鍵開關(guān)，可以控制PLC內(nèi)部的軟繼電器，從而可以減少PLC輸入點(diǎn)的使用;3)具有兩個(gè)通訊口，一個(gè)RS232C(用于和個(gè)人電腦通訊)和一個(gè)RS422(用于和PLC通訊)，利用電腦和F920GOT相連后不僅可以對HMI進(jìn)行程序的讀取和上傳，還可以直接對PLC的程序進(jìn)行上傳下載、調(diào)整和監(jiān)控。

5PLC和HMI程序的編寫

此工程中程序的難點(diǎn)主要在于數(shù)據(jù)的處理上。在切紙機(jī)工作過程中除手動讓進(jìn)給定位機(jī)構(gòu)前進(jìn)后退外，還要實(shí)現(xiàn)等分裁切功能和指定具體位置定位功能，并且HMI上還要即時(shí)顯示定位機(jī)構(gòu)的當(dāng)前位置。我們?yōu)榱撕喕绦蛑械挠?jì)算，采用了兩個(gè)高速計(jì)數(shù)器C235和C236。C236通過計(jì)算前進(jìn)后退的脈沖數(shù)，再進(jìn)行換算后用于顯示進(jìn)給機(jī)構(gòu)的當(dāng)前位置;C235用于進(jìn)行精確定位。定位過程是這樣的，每次進(jìn)給機(jī)構(gòu)需要定位工作時(shí)，通過計(jì)算把需要的脈沖數(shù)送到C235，不論進(jìn)給機(jī)構(gòu)前進(jìn)還是后退C235進(jìn)行減計(jì)數(shù)，同時(shí)對C235中的數(shù)值進(jìn)行比較，根據(jù)比較結(jié)果驅(qū)動相應(yīng)的輸出點(diǎn)對變頻器進(jìn)行輸出頻率的控制，實(shí)現(xiàn)接近設(shè)定值時(shí)進(jìn)給速度變慢，從而達(dá)到精確定位。因?yàn)槿魏蜗到y(tǒng)都有慣性和時(shí)間上的遲滯，所以變頻器停止輸出的時(shí)間并不是C235中的計(jì)數(shù)值減小到0時(shí)，而是讓C235和一個(gè)數(shù)據(jù)寄存器D130比較，當(dāng)C235中的值減小到D130中的設(shè)定值時(shí)PLC控制變頻器停止輸出。D130的值可通過人機(jī)界面進(jìn)行修改和設(shè)定，在調(diào)試時(shí)通過修改這個(gè)值，以達(dá)到定位準(zhǔn)確的目的。顯示定位機(jī)構(gòu)當(dāng)前位置的程序見下圖1，

圖1顯示定位機(jī)構(gòu)當(dāng)前位置程序段

實(shí)現(xiàn)定位控制的程序段見下圖2。

圖2定位程序段
還有一個(gè)問題是參數(shù)設(shè)定時(shí)的小數(shù)點(diǎn)位問題，實(shí)際工作中在設(shè)定位置時(shí)要精確到0.1mm。這個(gè)問題在一些單片機(jī)系統(tǒng)中常會遇到，常見的處理辦法是加大一個(gè)數(shù)量級，就是設(shè)定數(shù)據(jù)時(shí)，在人機(jī)界面上用1代替0.1mm，10代替1mm。不過我們在處理此問題時(shí)通過HMI中對數(shù)據(jù)的設(shè)置和PLC的程序編寫達(dá)到了所見即所得的效果。HMI中主要是對數(shù)值的格式要設(shè)定好。HMI中的設(shè)置畫面見下圖。

圖3HMI中數(shù)據(jù)設(shè)置畫面

比如我要等分裁切10.5mm的紙，就可以在HMI上設(shè)定為10.5，而不是像我公司其它設(shè)備上要設(shè)為105，但PLC的寄存器D128的內(nèi)容是105而不是10.5，這樣在計(jì)算需要的脈沖數(shù)時(shí)就要用下面一條命令：

MULD128K5D10(此命令中盡管編程時(shí)D11不出現(xiàn)但實(shí)際上寄存器D11被占用，不能再應(yīng)用于其它地方，否則會出現(xiàn)問題。)

而不是用：

MULD128K50D10

編程中其它應(yīng)注意的問題。一是雙線圈問題。本工程中利用條件跳轉(zhuǎn)和步進(jìn)指令避免了雙線圈問題。二是誤信號問題。編碼器是一種比較精密的光電產(chǎn)品，受振動時(shí)不可避免的會出現(xiàn)誤信號，而切紙機(jī)在執(zhí)行裁切動作時(shí)會造成很大振動，如果忽視這個(gè)現(xiàn)象，定位精度和執(zhí)行機(jī)構(gòu)當(dāng)前位置的顯示都會不準(zhǔn)確。本工程中處理方法參見上面例子程序圖1，只有Y3、Y4接通，即只有進(jìn)給機(jī)構(gòu)前進(jìn)和后退時(shí)才讓C236進(jìn)行計(jì)數(shù)，這樣就屏蔽了裁切時(shí)震動造成的誤信號。

6變頻器的參數(shù)設(shè)置

此工程中需設(shè)定的變頻器的主要參數(shù)見下。

參數(shù)號名稱設(shè)定值

0轉(zhuǎn)矩提升8%(低速時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)矩不足時(shí)可提高此數(shù)字)

43速設(shè)定(高速)30Hz

53速設(shè)定(中速)10Hz

63速設(shè)定(低速)2Hz

7加速時(shí)間0.5s

8減速時(shí)間0.5s

24多段速設(shè)定(4速)50Hz

79操作模式2(只執(zhí)行外部操作)

在調(diào)試過程中為了達(dá)到定位速度和精度的完美結(jié)合，應(yīng)對三段速設(shè)定值，加減速時(shí)間和HMI中D130、D200和D202的數(shù)值進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。

7結(jié)論

通過上述的改造過程，完全恢復(fù)了我們切紙機(jī)的功能，試用三個(gè)月以來運(yùn)行非常穩(wěn)定。由這個(gè)應(yīng)用實(shí)例可以看出結(jié)合PLC的高速計(jì)數(shù)器功能，合理的進(jìn)行應(yīng)用，在一定場合可以取代高成本的定位控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)優(yōu)的性價(jià)比。也迎合了我國當(dāng)前提出的建設(shè)節(jié)約型社會的宗旨。