1 引 言
      切紙機(jī)械是印刷和包裝行業(yè)最常用的設(shè)備之一。切紙機(jī)完成的最基本動(dòng)作是把待裁切的材料送到指定位置，然后進(jìn)行裁切。其控制的核心是一個(gè)單軸定位控制。我公司引進(jìn)歐洲一家公司的兩臺(tái)切紙?jiān)O(shè)備，其推進(jìn)定位系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)是利用單片機(jī)控制，當(dāng)接收編碼器的脈沖信號(hào)達(dá)到設(shè)定值后，單片機(jī)系統(tǒng)輸出信號(hào)，斷開(kāi)進(jìn)給電機(jī)的接觸器，同時(shí)電磁離合制動(dòng)器的離合分離，剎車(chē)制動(dòng)推進(jìn)系統(tǒng)的慣性，從而實(shí)現(xiàn)精確定位。由于設(shè)備的單片機(jī)控制系統(tǒng)老化，造成定位不準(zhǔn)，切紙動(dòng)作紊亂，不能正常生產(chǎn)。但此控制系統(tǒng)是早期產(chǎn)品，沒(méi)有合適配件可替換，只能采取改造這一途徑。目前國(guó)內(nèi)進(jìn)行切紙?jiān)O(shè)備進(jìn)給定位系統(tǒng)改造主要有兩種方式，一是利用單片機(jī)結(jié)合變頻器實(shí)現(xiàn)，一是利用單片機(jī)結(jié)合伺服系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，不過(guò)此兩種改造方案成本都在兩萬(wàn)元以上。并且單片機(jī)系統(tǒng)是由專(zhuān)業(yè)開(kāi)發(fā)公司設(shè)計(jì)，技術(shù)保守，一旦出現(xiàn)故障只能交還原公司維修或更換，維修周期長(zhǎng)且成本高，不利于改造后設(shè)備的維護(hù)和使用。我們結(jié)合自己設(shè)備的特點(diǎn)提出了新的改造方案，就是用plc的高速計(jì)數(shù)器功能結(jié)合變頻器的多段速功能實(shí)現(xiàn)定位控制，并利用hmi（人機(jī)界面human machine interface）進(jìn)行裁切參數(shù)設(shè)定和完成手動(dòng)操控。

      2 改造的可行性分析
      現(xiàn)在的大多plc都具有高速計(jì)數(shù)器功能，不需增加特殊功能單元就可以處理頻率高達(dá)幾十或上百khz的脈沖信號(hào)。切紙機(jī)對(duì)進(jìn)給系統(tǒng)的精度和響應(yīng)速度要求不是很高，可以通過(guò)對(duì)切紙機(jī)進(jìn)給系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)的計(jì)算，合理的選用編碼器，讓脈沖頻率即能在plc處理的范圍內(nèi)又可以滿足進(jìn)給的精度要求。在進(jìn)給過(guò)程中，plc對(duì)所接收的脈沖數(shù)與設(shè)定數(shù)值進(jìn)行比較，根據(jù)比較結(jié)果驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的輸出點(diǎn)對(duì)變頻器進(jìn)行輸出頻率的控制，實(shí)現(xiàn)接近設(shè)定值時(shí)進(jìn)給速度變慢，從而減小系統(tǒng)慣性，達(dá)到精確定位的目的。另外當(dāng)今變頻器技術(shù)取得了長(zhǎng)足的發(fā)展，使電機(jī)在低速時(shí)的轉(zhuǎn)矩大幅度提升，從而也保證了進(jìn)給定位時(shí)低速推進(jìn)的可行性。

      3 主要控制部件的選取
      3.1 plc的選取
設(shè)備需要的輸入輸出信號(hào)如表1所示。

表1 plc輸入輸出分配表

      針對(duì)這些必需的輸入點(diǎn)數(shù)，選用了fx1s－30mr的plc，因?yàn)檫x用了人機(jī)界面，其它一些手動(dòng)動(dòng)作，如前進(jìn)、后退、換刀等都通過(guò)人機(jī)界面實(shí)現(xiàn)，不需占用plc輸入點(diǎn)，從而為選用低價(jià)位的fx1s系列plc成為可能，因?yàn)閒x1s系列plc輸入點(diǎn)最多只有16點(diǎn)。另外此系列plc的高速計(jì)數(shù)器具有處理頻率高達(dá)60千赫的脈沖的能力，足可以滿足切紙機(jī)對(duì)精度的要求。

      3.2 編碼器的選取
      編碼器的選取要符合兩個(gè)方面，一是plc接收的最高脈沖頻率，二是進(jìn)給的精度。我們選用的是編碼器分辨率是500p/r（每轉(zhuǎn)每相輸出500個(gè)脈沖）的。通過(guò)驗(yàn)正可以知道此分辨率可以滿足上面兩個(gè)條件。驗(yàn)證所需的參數(shù)：電機(jī)最高轉(zhuǎn)速是1500轉(zhuǎn)/分（25轉(zhuǎn)/秒）、進(jìn)給絲桿的導(dǎo)程是10mm/轉(zhuǎn)。驗(yàn)證如下：

      本系統(tǒng)脈沖最高頻率＝25轉(zhuǎn)/秒×500個(gè)/轉(zhuǎn)×2（a/b兩相）＝25khz

      理論進(jìn)給分辨率＝10mm/500=0.02mm

      同時(shí)由上面的數(shù)據(jù)知道進(jìn)給系統(tǒng)每走1mm編碼器發(fā)出50（此數(shù)據(jù)很重要，在plc程序的數(shù)據(jù)處理中要用到）個(gè)脈沖信號(hào)。由于此工程中對(duì)編碼器的a/b相脈沖進(jìn)行了分別計(jì)數(shù)，使用了兩個(gè)高速計(jì)數(shù)器，且在程序中應(yīng)用了高速定位指令，則此plc可處理的最高脈沖頻率為30千赫，因此滿足了第一個(gè)條件;我們的切紙機(jī)的載切精度要求是0.2mm，可知理論精度完全滿足此要求。

      3.3 變頻器和hmi的選取
      這兩個(gè)部件我們都選用了三菱公司的產(chǎn)品，分別是fr-e540-0.75k-ch和f920got-bbd-k-c。f920got是帶按鍵型的hmi，它的使用和編程非常簡(jiǎn)單方便。它具有以下特點(diǎn)：（1）可以方便的實(shí)現(xiàn)和plc的數(shù)據(jù)交換；（2）通過(guò)本身自帶的6個(gè)功能按鍵開(kāi)關(guān)，可以控制plc內(nèi)部的軟繼電器，從而可以減少plc輸入點(diǎn)的使用；（3）具有兩個(gè)通訊口，一個(gè)rs232c（用于和個(gè)人電腦通訊）和一個(gè)rs422（用于和plc通訊），利用電腦和f920got相連后不僅可以對(duì)hmi進(jìn)行程序的讀取和上傳，還可以直接對(duì)plc的程序進(jìn)行上傳下載、調(diào)整和監(jiān)控。

      4 plc和hmi程序的設(shè)計(jì)
      此工程中程序的難點(diǎn)主要在于數(shù)據(jù)的處理上。在切紙機(jī)工作過(guò)程中除手動(dòng)讓進(jìn)給定位機(jī)構(gòu)前進(jìn)后退外，還要實(shí)現(xiàn)等分裁切功能和指定具體位置定位功能，并且hmi上還要即時(shí)顯示定位機(jī)構(gòu)的當(dāng)前位置。我們?yōu)榱撕?jiǎn)化程序中的計(jì)算，采用了兩個(gè)高速計(jì)數(shù)器c235和c236。c236通過(guò)計(jì)算前進(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；c235用于進(jìn)行精確定位。定位過(guò)程是這樣的，每次進(jìn)給機(jī)構(gòu)需要定位工作時(shí)，通過(guò)計(jì)算把需要的脈沖數(shù)送到c235，不論進(jìn)給機(jī)構(gòu)前進(jìn)還是后退c235進(jìn)行減計(jì)數(shù)，同時(shí)對(duì)c235中的數(shù)值進(jìn)行比較，根據(jù)比較結(jié)果驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的輸出點(diǎn)對(duì)變頻器進(jìn)行輸出頻率的控制，實(shí)現(xiàn)接近設(shè)定值時(shí)進(jìn)給速度變慢，從而達(dá)到精確定位。因?yàn)槿魏蜗到y(tǒng)都有慣性和時(shí)間上的遲滯，所以變頻器停止輸出的時(shí)間并不是c235中的計(jì)數(shù)值減小到0時(shí)，而是讓c235和一個(gè)數(shù)據(jù)寄存器d130比較，當(dāng)c235中的值減小到d130中的設(shè)定值時(shí)plc控制變頻器停止輸出。d130的值可通過(guò)人機(jī)界面進(jìn)行修改和設(shè)定，在調(diào)試時(shí)通過(guò)修改這個(gè)值，以達(dá)到定位準(zhǔn)確的目的。
      1）顯示定位機(jī)構(gòu)當(dāng)前位置的程序

      2）實(shí)現(xiàn)定位控制的程序段

      3）參數(shù)設(shè)定時(shí)的小數(shù)點(diǎn)位問(wèn)題。實(shí)際工作中在設(shè)定位置時(shí)要精確到0.1mm。這個(gè)問(wèn)題在一些單片機(jī)系統(tǒng)中常會(huì)遇到，常見(jiàn)的處理辦法是加大一個(gè)數(shù)量級(jí)，就是設(shè)定數(shù)據(jù)時(shí)，在人機(jī)界面上用1代替0.1mm，10代替1mm。不過(guò)我們?cè)谔幚泶藛?wèn)題時(shí)通過(guò)hmi中對(duì)數(shù)據(jù)的設(shè)置和plc的程序編寫(xiě)達(dá)到了所見(jiàn)即所得的效果。hmi中主要是對(duì)數(shù)值的格式要設(shè)定好。hmi中的設(shè)置畫(huà)面如圖1所示。例如等分裁切10.5mm的紙，就可以在hmi上設(shè)定為10.5，而不是像公司的類(lèi)似其它設(shè)備上要設(shè)為105，但plc的寄存器d128的內(nèi)容是105而不是10.5，這樣在計(jì)算需要的脈沖數(shù)時(shí)就要用下面一條命令：mul d128 k5 d10（此命令中盡管編程時(shí)d11不出現(xiàn)但實(shí)際上寄存器d11被占用，不能再應(yīng)用于其它地方，否則會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題。）
而不是用：mul d128 k50 d10。

      4）編程中其它應(yīng)注意的問(wèn)題
● 雙線圈問(wèn)題。本工程中利用條件跳轉(zhuǎn)和步進(jìn)指令避免了雙線圈問(wèn)題。
● 誤差信號(hào)問(wèn)題。編碼器是一種比較精密的光電產(chǎn)品，受振動(dòng)時(shí)不可避免的會(huì)出現(xiàn)誤差信號(hào)，而切紙機(jī)在執(zhí)行裁切動(dòng)作時(shí)會(huì)造成很大振動(dòng)，如果忽視這個(gè)現(xiàn)象，定位精度和執(zhí)行機(jī)構(gòu)當(dāng)前位置的顯示都會(huì)不準(zhǔn)確。本工程中處理方法參見(jiàn)上面例子程序圖1，只有y3、y4接通，即只有進(jìn)給機(jī)構(gòu)前進(jìn)和后退時(shí)才讓c236進(jìn)行計(jì)數(shù)，這樣就屏蔽了裁切時(shí)震動(dòng)造成的誤信號(hào)。

      5 變頻器的參數(shù)設(shè)置
      設(shè)定的變頻器的主要參數(shù)見(jiàn)表2。在調(diào)試過(guò)程中為了達(dá)到定位速度和精度的完美結(jié)合，應(yīng)對(duì)三段速設(shè)定值，加減速時(shí)間和hmi中d130、d200和d202的數(shù)值進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。

表2 變頻器主要參數(shù)設(shè)置一覽表

      6 結(jié)束語(yǔ)
      通過(guò)改造過(guò)程，完全恢復(fù)了我們切紙機(jī)的功能，試用三個(gè)月以來(lái)運(yùn)行非常穩(wěn)定。由這個(gè)應(yīng)用實(shí)例可以看出結(jié)合plc的高速計(jì)數(shù)器功能，合理的進(jìn)行應(yīng)用，在一定場(chǎng)合可以取代高成本的定位控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)最優(yōu)的性?xún)r(jià)比，并且由于選用通用開(kāi)放的plc—變頻器集成方案，為企業(yè)后期自主設(shè)備管理帶來(lái)長(zhǎng)遠(yuǎn)的效益。