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基于臺達(dá)PLC和變頻器的位置控制實(shí)現(xiàn)
摘要：本文講述利用臺達(dá)PLC和變頻器通過通訊功能實(shí)現(xiàn)的定位控制的應(yīng)用。通過此案例講述了PLC的高速計(jì)數(shù)器的使用方法和PLC和變頻器的通訊的實(shí)現(xiàn)。
一、引言
    當(dāng)今自動化控制產(chǎn)品日新月異，相同功能的實(shí)現(xiàn)有各種各樣不同的方式。比如很多設(shè)備上都要使用的定位控制的實(shí)現(xiàn)就有很多種方法。有的利用單片機(jī)結(jié)合伺服系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)定位控制；有的使用PLC高速脈沖輸出功能或配定位單元結(jié)合伺服系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)；還有的利用變頻器的多段速控制來實(shí)現(xiàn)定位控制。但不同的定位控制系統(tǒng)有不同的特點(diǎn)，成本也有很大的差異，于是針對不同的設(shè)備對精度和響應(yīng)速度的要求，選用合適的定位控制系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的性價(jià)比就非常必要。本文介紹一個(gè)高性價(jià)比的，應(yīng)用臺達(dá)PLC的高速計(jì)數(shù)器和與變頻器通訊的功能來實(shí)現(xiàn)的定位控制的例子。
二、控制實(shí)例
    切紙機(jī)械是印刷和包裝行業(yè)最常用的設(shè)備。其完成的最基本動作是:把待裁切的材料送到指定位置，然后進(jìn)行裁切。其控制的核心就是一個(gè)單軸的位置控制。我們已經(jīng)成功的利用PLC對變頻器的端子進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)多段速調(diào)速，從而完成這個(gè)單軸控制。因?yàn)榭紤]到控制成本和操作的方便性，我們又應(yīng)用臺達(dá)的ES PLC和VFD-B變頻器通過通訊來實(shí)現(xiàn)這個(gè)位置控制。
三、系統(tǒng)的構(gòu)成
    PLC作為控制的核心，主要用來接收編碼器的反饋信號實(shí)現(xiàn)對當(dāng)前位置的檢測，通過和設(shè)定值的比較用通訊功能來控制變頻器的輸出頻率從而實(shí)現(xiàn)精確定位。同時(shí)通過HMI可以方便的設(shè)定PLC的一些內(nèi)部寄存器值進(jìn)行人機(jī)交互，并且變頻器的工作頻率可以在HMI上方便修改和直觀顯示。臺達(dá)的DVP系列PLC都具有兩個(gè)通訊口，COM1是RS232,COM2是RS485，支持ModBus ASCII/RTU通訊格式，通訊速率最高可達(dá)115200bps，兩通訊口可以同時(shí)使用。所以無需用任何擴(kuò)展模塊就可以實(shí)現(xiàn)既可連接用于參數(shù)設(shè)置的人機(jī)界面又可用通訊的方式控制變頻器等其它設(shè)備。并且DVP系列PLC提供了針對ModBus ASCII/RTU模式的專用通訊指令，這樣在編寫通訊程序時(shí)就可以大大簡化，無需像用串行數(shù)據(jù)傳送指令RS那樣要進(jìn)行復(fù)雜的校驗(yàn)碼計(jì)算和遵循復(fù)雜的指令格式。臺達(dá)的VFD系列變頻器內(nèi)建有單獨(dú)的RS-485串聯(lián)通訊界面，并且也遵循MODBUS ASCII/RTU通訊格式（VFD-A系列除外）?；c這些特點(diǎn)我選用了性價(jià)比優(yōu)異的DVP ES PLC和VFD-B變頻器。整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖一所示。 
 
圖一：控制系統(tǒng)框圖
四、PLC的I/O分配
    由于使用了通訊控制，可以省去用于控制變頻器的五個(gè)輸出點(diǎn)，PLC輸出點(diǎn)的使用減少了。因此選用了DVP14ES00R2和一個(gè)擴(kuò)展模塊DVP08XM11N。I/O點(diǎn)的分配見表1。需要注意的是DVP14ES PLC的擴(kuò)展模塊地址輸入點(diǎn)是從X20開始，輸出點(diǎn)是從Y20開始。 
 

5、ES系列PLC的高速計(jì)數(shù)器的應(yīng)用
    此工程中所選編碼器分辨率為500p/r，機(jī)器原系統(tǒng)配置編碼器分辨率為200p/r，理論精度比過去提高兩倍以上。電機(jī)為1450r/min，傳動系統(tǒng)減速比為2.4。由此可計(jì)算出額定轉(zhuǎn)速下編碼器輸出的最高脈沖頻率為：

1450r/min÷60s/min÷2.4×500P/R≈5KHz。

   盡管臺達(dá)ES系列的高速計(jì)數(shù)器功能不算強(qiáng)大，其X0和X1可以接受的最高頻率為20K Hz的脈沖，但在這個(gè)系統(tǒng)中還是足以勝任的。為了簡化程序中的計(jì)算，采用了兩個(gè)高速計(jì)數(shù)器C235和C236。C235通過計(jì)算所有前進(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，此功能實(shí)現(xiàn)的程序段見圖2所示。其程序中的M45和M47用于濾除定位完成后裁切過程中或其它震動造成的編碼器輸出的誤脈沖，以實(shí)現(xiàn)位置的精確性。
 
圖2：實(shí)現(xiàn)顯示當(dāng)前位置的高速計(jì)數(shù)程序段
    C236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C236，不論進(jìn)給機(jī)構(gòu)前進(jìn)還是后退，C236進(jìn)行減計(jì)數(shù)，同時(shí)對C236中的數(shù)值進(jìn)行比較，根據(jù)比較結(jié)果控制變頻器的輸出頻率，實(shí)現(xiàn)接近設(shè)定值時(shí)進(jìn)給速度變慢的三段速度控制，從而達(dá)到精確定位。精確定位時(shí)的高速計(jì)數(shù)器程序如圖3所示。其中M83、M84用來觸發(fā)寫變頻器運(yùn)轉(zhuǎn)方向的數(shù)據(jù)，M85、M86，M87都用來觸發(fā)寫變頻器運(yùn)轉(zhuǎn)速度的數(shù)據(jù)。 
 
圖3：定位控制時(shí)的高速計(jì)數(shù)器程序
六、PLC和變頻器通訊的實(shí)現(xiàn)
    臺達(dá)DVP系列PLC的每一個(gè)通訊口都對應(yīng)有相關(guān)的特殊寄存器D和特殊繼電器M，以進(jìn)行通訊相關(guān)的參數(shù)設(shè)置和信息的傳送。此工程中要使用的COM2對應(yīng)的主要特Ｄ特M及其意義見表2。 

   此工程中變頻器需要設(shè)定的參數(shù)及說明見表3。在進(jìn)行變頻器的通訊控制時(shí)必需設(shè)定這些參數(shù)，并且設(shè)定值要和PLC的D1120值設(shè)置一致。其它未設(shè)置的參數(shù)可以按出廠默認(rèn)值即可。 
 
    當(dāng)PLC對變頻器通訊進(jìn)行數(shù)據(jù)的寫入和讀出時(shí)，就需要知道變頻器所定義的相關(guān)功能的地址。然后依據(jù)這些地址進(jìn)行數(shù)據(jù)寫入和讀出，才能實(shí)現(xiàn)對變頻器的控制。VFD-B系列變頻器定義的本通訊實(shí)例中需用到的字址及其意義如表4所示。根據(jù)此表可以知道，當(dāng)需要變頻器以20Hz正向運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，就只需在變頻器通訊相關(guān)的參數(shù)字址2000H寫入：0000 0000 0001 0010，即十六進(jìn)制的H12或十進(jìn)制的K18；在2001H中寫入K2000。
 
此工程中通訊程序段如圖4所示。 
 
圖4
七、結(jié)論
    通過上述的改造過程，完全恢復(fù)了切紙機(jī)的功能，試用幾個(gè)月以來運(yùn)行非常穩(wěn)定。PLC對變頻器的通訊控制響應(yīng)速度非?？欤訙p速的過程和停機(jī)命令執(zhí)行迅速，完全不會因通訊控制而有絲毫遲滯現(xiàn)象，可見通訊控制完全替代了硬接線的端子控制，不僅降低了成本，而且操作更方便，性價(jià)比更優(yōu)異。也證明了臺達(dá)的PLC和變頻器的通訊功能非常強(qiáng)大和好用。