PLC脉冲输出指令的设计与应用

2013-12-17王旭东

电子科技 2013年5期

王旭东

(天津开发区职业技术学院电子信息学院，天津 300457)

在生产机械的自动控制领域，PLC(Programmable Logic Controller)控制系统的应用非常广泛。其功能已远超出了逻辑控制、顺序控制的范围，它与计算机有效结合，可以进行模拟量控制，具有远程通信等功能，是现代工业控制的三大支柱(PLC、机器人、CAD/CAM)之一。目前可编程序控制器简称PLC已广泛应用于冶金、矿业、机械，轻工等领域，为工业自动化提供了有力的工具［1］。本文以自动针布机控制系统为例实现脉冲输出指令设计。

本文摒弃了传统设计形式，利用可编程控制器PLC系统来进行控制，匹配抗干扰光电隔离输入/输出接口，取代了工业上传统的继电器逻辑控制系统，使设计更加简洁，操作更加方便、可靠［2］。另一特点就是系统构造简单，抗干扰能力强，大幅提高了精度要求。

1 PLC的基本结构

PLC采用典型的计算机结构，主要包括 CPU、RAM、ROM和输入/输出接口电路等。如果把PLC看作是一个系统，该系统由输入变量－PLC－输出变量组成，外部的各种开关信号、模拟信号、传感器检测信号均作为PLC的输入变量，它们经PLC外部端子输入到内部寄存器中，经PLC内部逻辑运算或其他各种运算、处理后送到输出端子，它们是PLC的输出变量，由这些输出变量对外围设备进行各种控制［3］。

可编程控制器的工作过程采用周期循环扫描。用户程序通过编程器或其他输入设备输入存放在PLC的用户存储器中。当PLC开始运行时，CPU根据系统监控程序的规定顺序，通过扫描完成各输入点的状态采集或输入数据采集、用户程序的执行、各输出点状态的更新、编程器键入响应和显示更新以及CPU自检等功能［4］。

2 控制方法及研究

2.1 CPM2A的特殊功能简介

日本OMRON(立石)公司的CPMA系列小型机目前有CPM1A、CPM2A两种机型。它的机箱小巧，但集成了丰富的控制功能，主要包括同步脉冲控制、中断输入、脉冲输出、模拟量设定和时钟定时控制等功能。CPMA型小型机的CPU单元又是一个独立的控制单元，能处理大范围的控制信息，所以还可以用作设备内安装的控制单元。由于自动针布机控制系统的性能要求，选用CPM2A型PLC作为核心控制部件。

CPM2A型PLC体积小、价格低、功能先进，具有良好的性能价格比。CPM2A型具有其他PLC所具有的功能:逻辑运算、定时器功能、位移、加减运算、条件判别、分支、跳转、暂存、译码、编码、BCD数转换等功能，另外还增加了其他低档PLC所不具备的功能［5］。

2.1.1 脉冲输出

CPM2A型PLC10通道的00输出点和01输出点专门用于产生脉冲信号的输出端口，脉冲频率可通过软件编程进行调节，其输出频率范围为20 Hz2 kHz，可以对频率高达2 kHz的输入脉冲进行计数。脉冲输出可以设置成连续模式或独立模式。在连续模式下，由指令控制脉冲输出的停止;在独立模式下，当输出的脉冲数达到指定数目(1～16 777 215)时，脉冲输出停止［5］。

CPM2A型PLC内设计了同步脉冲输出，这种设计可使外围设备与检测装置实现同步运行。通过PLC的控制，使得脉冲编码器检测到的速度信号能直接驱动电动机，实现基本的位置控制。正是利用这一特点，PLC与步进电动机驱动器相连，来控制步进电动机的转向以及转数。

2.1.2 中断功能

不仅如此，CPM2A还增加了中断功能、间隔计时器中断功能，可进行分散控制和模拟量控制。它有两种中断类型:一种是外部中断，另一种是内部中断。

2.1.3 输入延时滤波

CPM2A的输入端采用输入延时滤波，可防止因开关机械抖动带来的不可靠性，其延时时间可根据要求进行调节。

2.2 控制步进电机的硬件设计

在控制系统中，步进电动机主要用于控制工作台前进和后退的移动量，所以选用结构比较简单的两相混合式步进电动机，其步距角为1.8°。可编程控制器PLC与步进电动机驱动器及电动机的连接如图1所示［6］。

图1中，M为开关量，控制电机的运行方向;M=1为顺序分配即正转;M=0为逆序分配即反转;CP为矩形波，控制电机的启、停、运行速度和长度，脉冲宽度＞10μs。OPTO端为3路信号的公共正端［7］。

图1 PLC与步进电动机及其驱动器的连接示意图

由图1可以看出，将PLC脉冲输出端的公共端COM0和输出点的公共端COM1皆与步进电动机驱动器COM公共端相连。驱动器的脉冲信号输入端CP外接2 kΩ限流电阻接至PLC的脉冲输出触点01000。PLC的01001触点用于控制步进电机的旋转方向，外接2 kΩ的限流电阻连接至方向电平输入端M。驱动器的公共阳端OPTO外加2 kΩ限流电阻接至+24 V直流电源上。

2.3 控制步进电机的软件设计

在控制系统中，步进电机的转数、方向及时间等参数是变量，需要根据针布上钢钉的分布情况和钢钉的长短来进行设定。这些参数只需要在更换生产针布品种之前设定一次参数，不需要每次操作都设置。根据针布机的操作要求，确定各个动作的顺序和相互之间的关系，画出程序流程图，再由PLC输入输出的逻辑关系编写出梯形图［8－9］。脉冲输出指令为PULS(65)和SPED(64)［10］。将输出点01001置1，控制步进电动机正转，设置相应脉冲数，启动脉冲输出指令MOV(21)，PULS(65)，SPED(64)［11］，触点 01000 输出脉冲数为520，驱动步进电机正转。步进电机停转后，01000常开触点闭合，CNT010计一次数;常开触点TIM003接通，重复进行以上动作，直到CNT010计满3次数时，CNT010常开触点接通，触发下一控制动作运行。当定时器TIM007定时结束后，TIM007常闭触点断开，01001触点断开，使步进电动机反转，行输出960个脉冲。计数器CNT011计数两次，计数结束后，进行输出1 200个脉冲。当定时器TIM009定时结束，常开触点TIM009闭合，触点00002接通，进行下一次循环。控制梯形图如图2所示。