張偉

（新疆喀拉通克礦業(yè)有限責任公司富蘊836100）

通過S7-200高速計數(shù)器和編碼器進行定位控制

張偉

（新疆喀拉通克礦業(yè)有限責任公司富蘊836100）

在往返式傳動控制系統(tǒng)中，我們經(jīng)常會遇到多點定位問題。文中以撈渣機往返運動定位控制為例，采用西門子公司S7-200PLCCPU224控制器，利用旋轉(zhuǎn)編碼器和PLC高速計數(shù)器進行精確的定位控制。經(jīng)過現(xiàn)場測試運行，這種定位控制可靠性高，運行效果好。

自動控制高速計數(shù)器旋轉(zhuǎn)編碼器S7-200

1 前言

撈渣機是有色冶金行業(yè)最常用的設備之一，其中一個用途就是將水淬后的高冰鎳從冷卻水中分離出來。經(jīng)過轉(zhuǎn)爐吹煉后的高冰鎳熔體經(jīng)過冷卻水水淬后變成細渣，經(jīng)過撈渣機打撈，通過電機轉(zhuǎn)動帶動鋼絲繩拉著撈渣機運行到固定位置，然后電機反轉(zhuǎn)將撈渣機運行到初始位置，繼續(xù)打撈高冰鎳，就這樣一直做往返運動。我公司原有的撈渣機的控制是采用人工控制，通過人肉眼觀察撈渣機的運行位置，然后手動調(diào)節(jié)電位器，以調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速，在接近預設定的裝、卸載位置后，人為停止運行，但此種方法因人工操作的熟練程度不一樣，時常造成過卷和過放，給安全生產(chǎn)帶來一定的隱患?，F(xiàn)采用西門子S7-200 PLCCPU224控制器，利用分辨率為1024P∕R的旋轉(zhuǎn)編碼器，然后通過CPU224高速計數(shù)器對脈沖個數(shù)進行計數(shù)，并換算成撈渣機的運行距離，最終實現(xiàn)撈渣機到達固定位置時自動停下。

2 編碼器

編碼器是用來測量轉(zhuǎn)速的裝置，它是一種將旋轉(zhuǎn)位移轉(zhuǎn)換成一串數(shù)字脈沖信號的旋轉(zhuǎn)式傳感器，又稱旋轉(zhuǎn)編碼器。旋轉(zhuǎn)編碼器通過光電轉(zhuǎn)換，可將輸出軸的角位移、角速度等機械量轉(zhuǎn)換成相應的電脈沖。將編碼器與齒輪條或螺旋杠結(jié)合在一起，就可用于測量直線位移。編碼器輸出脈沖，再通過PLC高速計數(shù)器計數(shù)，最終經(jīng)過處理轉(zhuǎn)換成直線位移也是現(xiàn)在編碼器用來測量位移的一種主要方式。當控制對象發(fā)生位置變化時，編碼器便會發(fā)出A、B兩相正交計數(shù)脈沖，脈沖個數(shù)與位移量成比例關系，通過對脈沖計數(shù)就能計算出相應的位移。絕對編碼器光碼盤上有許多道刻線，每道刻線依次以2線、4線、8線、16線……編排，這樣，在編碼器的每一個位置，通過讀取每道刻線的通、暗，獲得一組從20～2n-1的唯一的2進制編碼（格雷碼），這就稱為n位絕對編碼器。這樣的編碼器是由碼盤的機械位置決定的，它不受停電、干擾的影響。絕對編碼器由機械位置決定的每個位置的唯一性，它無需記憶，無需找參考點，而且不用一直計數(shù)，什么時候需要知道位置，什么時候就去讀取它的位置。這樣，編碼器的抗干擾特性、數(shù)據(jù)的可靠性大大提高了。

編碼器按照工作原理可以分為增量式和絕對式兩種。增量式編碼器是將位移轉(zhuǎn)換成周期性的電信號，再把這個電信號轉(zhuǎn)變成計數(shù)脈沖，用脈沖的個數(shù)表示位移的大小，文中所使用的編碼器就是增量式編碼器。絕對式編碼器的每一個位置對應一個確定的數(shù)字碼。而絕對編碼器光碼盤上有許多道刻線，每道刻線依次以2線、4線、8線、16線……編排，這樣，在編碼器的每一個位置，通過讀取每道刻線的通、暗，獲得一組從20～2n-1的唯一的2進制編碼（格雷碼），這就稱為n位絕對編碼器。這樣的編碼器是由碼盤的機械位置決定的，它不受停電、干擾的影響，適用于對位置計量要求較高的場合及要求抗干擾要求高的位置。

3 西門子S7-200PLC高速計數(shù)器

西門子200PLC高速計數(shù)器用于對CPU掃描速率無法控制的高速事件進行計數(shù)，最多可配置12種不同的操作模式。如表1所示：S7-200的CPU22X中共有6種高速計數(shù)器HSC0-HSC5，其中CPU222和CPU221沒有HSC1和HSC2，高速計數(shù)器的工作模式通過高速計數(shù)器指令設定。

表1 西門子S7-200CPU高速計數(shù)器分類

高速計數(shù)器指令包括：定義高速計數(shù)器指令HDEF和執(zhí)行高速計數(shù)指令HSC，見圖1。

圖1 西門子S7-200CPU定義高速計數(shù)器指令

定義高速計數(shù)器指令HDEF功能是為某個要使用的高速計數(shù)器選定一種工作模式。每個高速計數(shù)器在使用前，都要用HDEF指令來定義工作模式，并且只能用一次。它有兩個輸入端：HSC為要使用的高速計數(shù)器編號，數(shù)據(jù)類型為字節(jié)型，數(shù)據(jù)范圍為0～5的常數(shù)，分別對應HC0～HC5;MODE為高速計數(shù)的工作模式，數(shù)據(jù)類型為字節(jié)型，數(shù)據(jù)范圍為0～11的常數(shù)，分別對應12種工作模式。當準許輸入使能EN有效時，為指定的高速計數(shù)器HSC定義工作模式MODE。

執(zhí)行高速計數(shù)器指令HSC功能是根據(jù)與高速計數(shù)器相關的特殊繼電器確定在控制方式和工作狀態(tài)，使高速計數(shù)器的設置生效，按照指令的工作模式的工作模式執(zhí)行計數(shù)操作。它有一個數(shù)據(jù)輸入端N：N為高速計數(shù)器的編號，數(shù)據(jù)類型的字型，數(shù)據(jù)范圍為0～5的常數(shù)，分別對應高速計數(shù)器HC0～HC5.當準許輸入EN使能有效時，啟動N號高速計數(shù)器工作。

在使用西門子200系列PLC高速計數(shù)器要尤其注意的是，高速計數(shù)器的輸入端不像普通輸入端那樣由用戶自己定義，而是由系統(tǒng)指定的輸入點輸入信號，每個高速計數(shù)器對它所支持的脈沖輸入端，方向控制，復位和啟動都有專用的輸入點，通過比較或中斷完成預定的操作。每個高速計數(shù)器輸入點見表2。

表2 西門子S7-200CPU高速計數(shù)器輸入點

文中使用的是HC0高速計數(shù)器，它的輸入點I0.0和I0.1為編碼器A、B兩相正交脈沖輸入點，I0.2為計數(shù)器HC0外部復位信號輸入點。

4 硬件結(jié)構(gòu)

工藝要求見圖2，撈渣機在渣池和漏斗之間往返運行，電機正向運行帶動KM1工作鋼絲繩拉著撈渣斗向下運行，電機反向運行帶動KM2工作鋼絲繩拉著撈渣斗向上運行；編碼器連接至與電機相連的減速機輸出軸上，跟著電機一起轉(zhuǎn)動，撈渣機在渣池和漏斗罐之間的運行距離經(jīng)過測量為50m，編碼器投運后，經(jīng)過多次測試，撈渣機從渣池運行到漏斗罐編碼器輸出的脈沖個數(shù)為105600±100個,編碼器分辨率為1024P∕R，即編碼器旋轉(zhuǎn)一圈輸出1024個脈沖。工藝要求通過編碼器的采集脈沖數(shù)換算成撈渣機的運行的位移，并且將撈渣機運行的距離（0～50m）轉(zhuǎn)換為標準的4～20mA模擬量信號輸出，通過二次顯示儀顯示出撈渣機的位移（便于人員手動控制使用），撈渣機便于操作人員準確控制撈渣機的啟停位置，同時此控制系統(tǒng)電控部分采用變頻器控制，通過相應轉(zhuǎn)換按鈕可實現(xiàn)手動、自動切換，同時根據(jù)PLC的位置反饋對電機啟停進行控制。

圖2 工藝示意圖

根據(jù)上述要求，編碼器硬件接線見圖3，現(xiàn)場使用的是西門子CPU226控制器，高數(shù)計數(shù)器為HC0，所以編碼器A、B兩相正交脈沖輸入點為I0.0和I0.1.外部計數(shù)器復位信號輸入點為I0.2。Q0.0為撈渣機運行到漏斗罐上停止電機1轉(zhuǎn)動的DO點，Q0.1為撈渣機運行回渣池停止電機2轉(zhuǎn)動的DO點。

圖3 編碼器接線圖

5 軟件編程

選用高速計數(shù)器HSC0，A∕B相正交計數(shù)，外部信號復位，對高數(shù)計數(shù)器清零，所以選擇計數(shù)器工作模式為“10”。當計數(shù)值HC0=105600時，產(chǎn)生中斷，給當前計數(shù)器清零。

圖4中PLC上電啟動，執(zhí)行一次子程序SBR_0，SBR_0為定義高數(shù)計數(shù)器工作模式，主程序初始化HSC0。

圖4初始化計數(shù)器

圖5 中將高速計數(shù)器0的脈沖數(shù)HC0的值轉(zhuǎn)換成撈渣機實際運行的距離，存儲在VD28這個地址中，撈渣機運行的最大距離為50m，編碼器輸出的最大脈沖數(shù)量為105600。

圖5 脈沖數(shù)轉(zhuǎn)換為撈渣機運行距離

圖6 撈渣機運行距離轉(zhuǎn)化為4～20ma標準電流信號

圖7 通過計數(shù)脈沖控制電機轉(zhuǎn)動

圖8 子程序SBR_0設定高速計數(shù)器模式

如圖6所示，將撈渣機運行距離轉(zhuǎn)化為標準的4～20ma信號輸出AQW0，并通過EM235模擬量輸出模塊輸出給數(shù)顯儀顯示，便于操作人員監(jiān)控。

如圖7所示，通過脈沖計數(shù)，在鋼絲繩子拉動撈渣機運行到上部漏時，給出一個DO點Q0.0停止電機轉(zhuǎn)動信號，Q0.1為撈渣機運行回渣池停止電機轉(zhuǎn)動的DO點。

如圖8所示，通過子程序SBR_0設定高數(shù)計數(shù)器工作模式，并在主程序中初始化調(diào)用。

6 結(jié)語

本文通過使用編碼器和西門子S7-200PLC高速計數(shù)器，實現(xiàn)了對撈渣機的定位控制，優(yōu)化了生產(chǎn)工藝流程，方便了現(xiàn)場操作人員使用。同時，通過對該方案的實施，也讓我對西門子S7-200PLC高速計數(shù)器的工作原理和旋轉(zhuǎn)編碼器的使用都有了更深刻的認識。西門子S7-200PLC高速計數(shù)器功能的靈活性及實用性，使其在自動化領域的應用前景越來越廣闊，相信隨著自動化水平的不斷發(fā)展，PLC高速計數(shù)器的功能也將更加完善。

收稿：2015-03-19

10.16206∕j.cnki.65-1136∕tg.2015.06.037