基于PLC的定位控制功能的实现

王记昌，李 仁

（河南工业职业技术学院，河南 南阳473009）

定位控制是位置控制的一种形式，在机械设备控制中有很重要的地位。目前中国国内广泛使用的是利用PLC或专用控制器控制步进电机或伺服电机实现定位控制[1]。其控制精度较高、控制性能好，尤其是伺服控制系统，但控制成本较高。所以在定位控制精度要求较低的情况下，可以采用对异步电机的控制来实现。本文结合物料分拣控制系统的设计，介绍该定位控制的实现过程。

1 任务描述

物料分拣系统的任务示意图如图1所示，即物料进入分拣系统后，输送带带动物件开始移动，在移动的过程中，通过颜色传感器检测出是黑色或白色物料，使其进入不同的料仓中，完成分拣。

图1 物料分拣系统任务表述示意图

2 方案设计

要实现任务要求，关键点在于控制器需要计算物料是否移动到料仓中心轴线所在的位置上，这就涉及到定位控制的问题。为了保证定位的效果及实现过程经济性的原则，确定的控制思路如下：物件放入入料口后，通过PLC控制，使异步电机运转驱动传送带工作，把工件带进分拣区，如果进入分拣区工件为白色，则颜色检测传感器动作，当物件移动到1号料仓中心位置时，对应的气缸动作，物料推入料仓中；若为黑色，推到2号槽里，完成分拣。其整体控制框图如图2所示。

在图2中，编码器输出的脉冲信号传送给控制器PLC，通过PLC检测物料移动的位置，从而实施定位控制。为了保证控制效果，在每次PLC上电运行时，通过PLC程序控制，计算编码器的脉冲当量，并记录电机在自由停止的过程中返回的脉冲数。

图2 整体控制框图

3 定位控制的实现

3.1 硬件电路的搭建

整个控制系统的硬件电路由主电路与控制电路构成，在主电路的设计上，考虑到编码器脉冲当量的自动准确测量，采用能实现电动机正反转的电路，如图3所示。

图3 主电路设计

在控制电路的设计上，需要重点考虑编码器输出脉冲的接收，由于其输出脉冲频率较高，需采用带高速计数器的PLC。根据编码器的输出形式及计数模式的选择，完成编码器信号线与PLC的接线。为了避免主电路短路，控制电机正反转的接触器要进行互锁。物料口物件及物件颜色检测可以通过采用光电式接近开关和光纤式接近开关完成。在PLC的选择上，需要考虑PLC外围电路的输入、输出形式、技术参数及I/O点数的要求，同时要求选择的控制器具备高速计数模块的功能。根据选择的PLC及外围电路，确定电源的形式及电压高低。编码器选择了增量式光电编码器，输出三组方波脉冲A、B和Z相，其中A、B两路为正交脉冲信号，Z相为每转一个脉冲，用于基准点定位。控制电路如图4所示。

图4 控制电路设计

3.2 程序设计

由于受传送带主动轴直径（包括皮带厚度）的测量误差，传送带的安装偏差、张紧度，分拣单元整体在工作台面上定位偏差等因素的影响[2]，致使物料定位不准确，不能顺利完成分拣。为了保证定位的准确，需要现场测试编码器的脉冲当量值及在电机自由停车的过程中返回的脉冲值。程序由主程序和3个子程序程序构成，其中子程序1的功能用于计算每次PLC上电运行时编码器的脉冲当量及自由停车过程中的脉冲值。子程序2的功能是利用子程序1返回的参数值，完成物件的准确分拣。子程序3的功能是完成高速计数器的初始化，包括控制字的设置、初始值、预置值的设置、高速计数器及模式选择，该程序被主程序及子程序2调用。主程序的作用是判断是否满足分拣的条件，从而调用各子程序。主程序和子程序1、2的流程如图5、6、7所示。

图5 主程序流程图

4 系统调试

被控制对象采用减速电机，其主要技术参数如下：功率20 W、额定电压380 V、额定频率50 Hz、额定电流0.18 A、额定转速1 300 rpm、减速比1:10。控制器选择西门子S7-200CPU222 CN AC/DC/RLY型号的PLC，本机集成8输入/6输出共14个数字量I/O，4个独立的30KHz高速计数器，1个RS485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力[3]。编码器选用增量式光电编码器，旋转一周返回500个脉冲。根据图3、4完成主电路及控制线路的安装。

依据编程思路，在S7-200对应的编程软件中完成程序的设计，编译成功后，通过PPI电缆线下载到PLC控制器中。运行调试表明，可实现预定的功能。

图6 子程序1流程图

图7 子程序2流程图

5 结束语

在定位精度要求不高的情况下，通过对异步电动机的控制达到准确的定位效果，实现了物料的顺利分拣。整个控制系统硬件电路易于实现，线路较为简单，硬件成本低，整体经济型好。为了避免机械部分在安装过程中的误差影响，保证定位准确，在软件设计中，实现了脉冲当量及停车过程中脉冲数的自动测量。通过对软硬件系统的调试，实现了预定的功能，取得良好的控制效果。

[1]陈婵娟，薛 恺，常美蓉，等.基于PLC的步进电动机单双轴运动控制的实现[J].机械设计与制造，2009（3）：178-180.

[2]吕景泉.自动化生产线安装与调试[M].北京：中国铁道出版社，2009.

[3]廖常初.S7-200PLC编程及应用[M].北京：机械工业出版社，2010.