论文部分内容阅读
[摘要]主要介绍智能定位系统的控制思想，并分析智能定位系统的实现的方法与相应的技术。
[关键词]定位系统 编码器 主令控制
中图分类号：TP2 文献标识码：A 文章编号：1671－7597(2008)1010054－01
工业生产中众多拖动机械的传统定位控制，一般采用机械主令控制器。机械主令控制器具有体积大、故障率高、精度差、点数少等固有的缺点。莱芜钢铁集团有限公司自动化部根据多项工程项目经验并对市场进行考察评估，开发了基于西门子S7-200和TD200架构的这种位控系统，该系统适用于各类要求精确定位和调速的机械设备，具有较好的推广价值。
一、智能精确定位控制系统的控制功能
（一）控制思路。绝对值型编码器通过挠性连轴器安装在卷扬机的减速机主轴上，卷扬机的运动位置由编码器测得，编码器将位置信号传送到PLC，PLC处理位置信号并与由HMI设定的控制点位置信息比较，如检测位置与设定位置匹配，则相应的输出点输出，作用于拖动设备（变频器或电气控制系统）实现调速和启停，拖动设备将运转方向信号反馈给PLC，PLC将该信号与根据编码器信号序列判断的方向信息进行比较，给出两只信号灯的四种组合状态，代表系统的四种运行状态。
（二）硬件及其软件配置。
1．硬件配置[2]：PLC 西门子S7-224；HMI 西门子 TD200；编码器Eltra EA40A256G8/28RP 绝对值型 单转8位格雷码输出 分辨率256。
2．软件配置：系统：WINDOWS 2000+SP2；编程软件：MicroWIN STEP 7 V3.2E。
3．软件编程：(1)编码转换：编码器输出的信号为格雷码格式，用于控制运算没有问题，但用于显示则存在问题，直接把格雷码显示在TD200上，用户根本无法理解数据的意义，用户界面十分不友好。必须把格雷码数据格式转换为十进制格式，为用户提供易于理解的显示信息。编码转换的方法很多，本系统采用的是查表法和公式法。(2)圈数累计：运动机械在整个行程上，减速机可能转动若干圈,编码器也随动同样的圈数，PLC必须能够对圈数进行累计，以在整个行程上跟踪运动位置。该采用的单圈编码器加软件圈数累计的方法,兼顾了成本和精度，但也存在一个问题，如果在系统掉电时圈数的累计值不能保持，则一旦重新上电，定位就会产生混乱，设备可能误动作，不但不能发挥绝对值编码器掉电保持的优点，而且后果严重。问题的解决是基于S7-224一个重要功能上的，224的内存掉电保持时间最小为50小时，可以保证系统掉电后，圈数计数值不丢失，重新上电后，定位功能不受影响。(3)控制点设定与输出[1]：控制点的设定是在TD200文本显示器上进行的，使用MicroWIN STEP 7 V3.2E编程软件中的TD200向导，为TD200编程，根据控制点数量，设定文本显示的条目数。在每一条目中，输入相应控制点的汉语显示文本以及要求确认的提示。在S7-200中编制相应程序，在TD200上实时显示设备位置，如果用户认为某一点可作为一个控制点，只需在TD200上按“ENTER”键，PLC把该点的位置读数存入内存，作为控制点位置比较值，当机械运动过程中，位置检测值等于存储的比较值时，对应的Q点输出一个控制信号，控制机械的启停或速度。所有控制点均按上述方法设定。本系统可以根据需要增加控制点，只需选配相应的输出模块即可，如不扩展，本系统可支持8个控制点，对于一般运动机械的位控已经够用。(4)方向判断：本系统具有判断机械运动方向的功能，PLC将采集的格雷码格式的位置数据转换为十进制格式，对每间隔10毫秒的两个数据进行比较运算，如后者大于前者，则判断机械为正转方向；否则，判断机械为反转方向，判断结果由指示灯给出指示。(5)故障判定与保护：本系统可对系统本身和机械设备的故障类型进行判定，不同故障有相应的判定规则：如PLC判断机械为正转，而从机械的电气控制回路反馈来的信号为反转（I1.0上的电平），则判断为机械故障；如PLC的位置读数有变化，而从机械的电气控制回路反馈来的信号没有运转（I1.0，I1.1上的电平）,则判断为机械故障；如PLC的位置读数没有变化，而从机械的电气控制回路反馈来的信号有运转信号（I1.0，I1.1上的电平），则判断为系统故障。(6)状态指示灯驱动：S7-200上的Q1.0和Q1.1两个输出点分别驱动两个指示灯，这两个状态指示灯的四种状态，代表了本系统和机械设备的工作状况。四种状态及相应意义如表1。
二、技术特色
（一）格雷码数制转换。用于位置数据采集的绝对值型编码器的数据输出格式为格雷码，格雷码转二进制或十六进制的方法很多，我们在位控系统开发与应用中采用了两种方法，公式法和查表法。公式法适用于8位以上格雷码的转换，查表法适用于8位以下格雷码的转换，采用何种方法取决于编码器的选型。
（二）设备运转方向判断。本系统具有判断机械运动方向的功能，PLC将采集的格雷码格式的位置数据转换为十进制格式，对每间隔10毫秒的两个数据进行比较运算，如后者大于前者，则判断机械为正转方向；否则，判断机械为反转方向，判断结果由指示灯给出指示。
（三）设备位置数据连续跟踪。运动机械在整个行程上，减速机可能转动若干圈,编码器也随动同样的圈数，PLC必须能够对圈数进行累计，以在整个行程上跟踪运动位置。在系统开发与应用过程中解决这一问题曾考虑另外两种方法，采用一比一变速器，使编码器在设备整个行程中只随动一周，这种方法的缺点是随着行程的加长，定位误差正比例增大；使用多圈编码器，但成本增加较多，编码器成本达到了系统成本的35%,对于性价比为主要指标的本系统影响较大。现在采用的单圈编码器加软件圈数累计的方法,兼顾了成本和精度，但也存在一个问题，如果在系统掉电时圈数的累计值不能保持，则一旦重新上电，定位就会产生混乱，设备可能误动作，不但不能发挥绝对值编码器掉电保持的优点，而且后果严重。问题的解决是基于S7-224一个重要功能上的，224的内存掉电保持时间最小为97小时，可以保证系统掉电后，圈数计数值不丢失，重新上电后，定位功能不受影响。
三、结束语
系统软硬件均具有二次开发与应用接口，使用领域不仅局限于最终用户，而且考虑到本系统用于与其他设备成套的特殊需求，预留了与其他机电设备的电气和机械接口，系统具有二次开发与应用的特性。该控制系统具有低成本、高性能、高精度的优点，是机械式主令控制器的替代产品。
参考文献：
[1]西门子S7-200可编程控制器系统手册.
[2]西门子(中国)有限公司 自动化与驱动集团，深入浅出西门子S7-200PLC，北京航空航天大学出版社，2004年10月第三次印刷.
作者简介：
丁海，男，汉，山东泰安人，山东莱钢型钢板带厂，工程硕士，工程师，现从事冶金工业自动化控制工作。
[关键词]定位系统 编码器 主令控制
中图分类号：TP2 文献标识码：A 文章编号：1671－7597(2008)1010054－01
工业生产中众多拖动机械的传统定位控制，一般采用机械主令控制器。机械主令控制器具有体积大、故障率高、精度差、点数少等固有的缺点。莱芜钢铁集团有限公司自动化部根据多项工程项目经验并对市场进行考察评估，开发了基于西门子S7-200和TD200架构的这种位控系统，该系统适用于各类要求精确定位和调速的机械设备，具有较好的推广价值。
一、智能精确定位控制系统的控制功能
（一）控制思路。绝对值型编码器通过挠性连轴器安装在卷扬机的减速机主轴上，卷扬机的运动位置由编码器测得，编码器将位置信号传送到PLC，PLC处理位置信号并与由HMI设定的控制点位置信息比较，如检测位置与设定位置匹配，则相应的输出点输出，作用于拖动设备（变频器或电气控制系统）实现调速和启停，拖动设备将运转方向信号反馈给PLC，PLC将该信号与根据编码器信号序列判断的方向信息进行比较，给出两只信号灯的四种组合状态，代表系统的四种运行状态。
（二）硬件及其软件配置。
1．硬件配置[2]：PLC 西门子S7-224；HMI 西门子 TD200；编码器Eltra EA40A256G8/28RP 绝对值型 单转8位格雷码输出 分辨率256。
2．软件配置：系统：WINDOWS 2000+SP2；编程软件：MicroWIN STEP 7 V3.2E。
3．软件编程：(1)编码转换：编码器输出的信号为格雷码格式，用于控制运算没有问题，但用于显示则存在问题，直接把格雷码显示在TD200上，用户根本无法理解数据的意义，用户界面十分不友好。必须把格雷码数据格式转换为十进制格式，为用户提供易于理解的显示信息。编码转换的方法很多，本系统采用的是查表法和公式法。(2)圈数累计：运动机械在整个行程上，减速机可能转动若干圈,编码器也随动同样的圈数，PLC必须能够对圈数进行累计，以在整个行程上跟踪运动位置。该采用的单圈编码器加软件圈数累计的方法,兼顾了成本和精度，但也存在一个问题，如果在系统掉电时圈数的累计值不能保持，则一旦重新上电，定位就会产生混乱，设备可能误动作，不但不能发挥绝对值编码器掉电保持的优点，而且后果严重。问题的解决是基于S7-224一个重要功能上的，224的内存掉电保持时间最小为50小时，可以保证系统掉电后，圈数计数值不丢失，重新上电后，定位功能不受影响。(3)控制点设定与输出[1]：控制点的设定是在TD200文本显示器上进行的，使用MicroWIN STEP 7 V3.2E编程软件中的TD200向导，为TD200编程，根据控制点数量，设定文本显示的条目数。在每一条目中，输入相应控制点的汉语显示文本以及要求确认的提示。在S7-200中编制相应程序，在TD200上实时显示设备位置，如果用户认为某一点可作为一个控制点，只需在TD200上按“ENTER”键，PLC把该点的位置读数存入内存，作为控制点位置比较值，当机械运动过程中，位置检测值等于存储的比较值时，对应的Q点输出一个控制信号，控制机械的启停或速度。所有控制点均按上述方法设定。本系统可以根据需要增加控制点，只需选配相应的输出模块即可，如不扩展，本系统可支持8个控制点，对于一般运动机械的位控已经够用。(4)方向判断：本系统具有判断机械运动方向的功能，PLC将采集的格雷码格式的位置数据转换为十进制格式，对每间隔10毫秒的两个数据进行比较运算，如后者大于前者，则判断机械为正转方向；否则，判断机械为反转方向，判断结果由指示灯给出指示。(5)故障判定与保护：本系统可对系统本身和机械设备的故障类型进行判定，不同故障有相应的判定规则：如PLC判断机械为正转，而从机械的电气控制回路反馈来的信号为反转（I1.0上的电平），则判断为机械故障；如PLC的位置读数有变化，而从机械的电气控制回路反馈来的信号没有运转（I1.0，I1.1上的电平）,则判断为机械故障；如PLC的位置读数没有变化，而从机械的电气控制回路反馈来的信号有运转信号（I1.0，I1.1上的电平），则判断为系统故障。(6)状态指示灯驱动：S7-200上的Q1.0和Q1.1两个输出点分别驱动两个指示灯，这两个状态指示灯的四种状态，代表了本系统和机械设备的工作状况。四种状态及相应意义如表1。
二、技术特色
（一）格雷码数制转换。用于位置数据采集的绝对值型编码器的数据输出格式为格雷码，格雷码转二进制或十六进制的方法很多，我们在位控系统开发与应用中采用了两种方法，公式法和查表法。公式法适用于8位以上格雷码的转换，查表法适用于8位以下格雷码的转换，采用何种方法取决于编码器的选型。
（二）设备运转方向判断。本系统具有判断机械运动方向的功能，PLC将采集的格雷码格式的位置数据转换为十进制格式，对每间隔10毫秒的两个数据进行比较运算，如后者大于前者，则判断机械为正转方向；否则，判断机械为反转方向，判断结果由指示灯给出指示。
（三）设备位置数据连续跟踪。运动机械在整个行程上，减速机可能转动若干圈,编码器也随动同样的圈数，PLC必须能够对圈数进行累计，以在整个行程上跟踪运动位置。在系统开发与应用过程中解决这一问题曾考虑另外两种方法，采用一比一变速器，使编码器在设备整个行程中只随动一周，这种方法的缺点是随着行程的加长，定位误差正比例增大；使用多圈编码器，但成本增加较多，编码器成本达到了系统成本的35%,对于性价比为主要指标的本系统影响较大。现在采用的单圈编码器加软件圈数累计的方法,兼顾了成本和精度，但也存在一个问题，如果在系统掉电时圈数的累计值不能保持，则一旦重新上电，定位就会产生混乱，设备可能误动作，不但不能发挥绝对值编码器掉电保持的优点，而且后果严重。问题的解决是基于S7-224一个重要功能上的，224的内存掉电保持时间最小为97小时，可以保证系统掉电后，圈数计数值不丢失，重新上电后，定位功能不受影响。
三、结束语
系统软硬件均具有二次开发与应用接口，使用领域不仅局限于最终用户，而且考虑到本系统用于与其他设备成套的特殊需求，预留了与其他机电设备的电气和机械接口，系统具有二次开发与应用的特性。该控制系统具有低成本、高性能、高精度的优点，是机械式主令控制器的替代产品。
参考文献：
[1]西门子S7-200可编程控制器系统手册.
[2]西门子(中国)有限公司 自动化与驱动集团，深入浅出西门子S7-200PLC，北京航空航天大学出版社，2004年10月第三次印刷.
作者简介：
丁海，男，汉，山东泰安人，山东莱钢型钢板带厂，工程硕士，工程师，现从事冶金工业自动化控制工作。