1 項(xiàng)目簡(jiǎn)介
某公司有多臺(tái)薄膜卷繞機(jī)需要進(jìn)行自動(dòng)化控制改造。
原設(shè)備采用機(jī)械式計(jì)數(shù)，卷繞動(dòng)力采用離合器傳動(dòng)，元件卷繞的起動(dòng)、停止、圈數(shù)控制等均由人工操作控制，因此存在產(chǎn)品參數(shù)離散性大、產(chǎn)品質(zhì)量與生產(chǎn)效率因人而異等不足之處。
工藝要求簡(jiǎn)述：由于卷制材料是10幾微米的薄膜，要求卷軸平穩(wěn)起動(dòng)，均勻加速，以使用張力平穩(wěn)；中間在某些位置需要停頓，作一些必要的處理，再繼續(xù)卷繞；和起動(dòng)一樣，停頓或停止時(shí)，必須均勻減速，保持張力平穩(wěn)；要求最后圈數(shù)準(zhǔn)確。
2 控制系統(tǒng)構(gòu)成
很自然地想到S7-200PLC應(yīng)該能夠?qū)崿F(xiàn)項(xiàng)目要求的控制功能。
S7-200CPU本體已含有高速脈沖輸出功能，普通型號(hào)的CPU脈沖輸出頻率達(dá)20KHz，而224XP（CN）更是高達(dá)100kHz，可以用來(lái)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)，再由電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)卷繞主軸旋轉(zhuǎn)，完成工藝所要求的動(dòng)作。
步進(jìn)電機(jī)在成本上具有優(yōu)勢(shì)，但是步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)性不如伺服電機(jī)，而兩者的定位精度（圈數(shù)）的控制，在本工藝?yán)锒伎梢赃_(dá)到要求。我們考慮先試用步進(jìn)電機(jī)的方案。
步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)，實(shí)際上是由相應(yīng)的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器負(fù)責(zé)的，所以步進(jìn)電機(jī)的相數(shù)齒數(shù)等等問(wèn)題由相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)器解決，選擇步進(jìn)電機(jī)要考慮的主要是體積、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速等，不是本文的重點(diǎn)；
PLC向驅(qū)動(dòng)器送的僅為代表速度與位置的脈沖，這里要考慮的是步進(jìn)電機(jī)在規(guī)定的轉(zhuǎn)速下是否足夠平穩(wěn)，是否適合作為薄膜卷繞的動(dòng)力。
我們作了一個(gè)模型機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，采用細(xì)分型的驅(qū)動(dòng)器，在50齒的電機(jī)上達(dá)到10000步/轉(zhuǎn)，經(jīng)17：25齒的同步帶減速傳動(dòng)（同時(shí)電機(jī)的振動(dòng)也可衰減），結(jié)果運(yùn)轉(zhuǎn)很平穩(wěn)，粗步確定可以達(dá)到工藝要求。于是正式試制一臺(tái)，也獲得成功，性能達(dá)到工藝要求，目前已經(jīng)按此方案批量進(jìn)行改造。
CPU選擇224XPCN DC/DC/DC，系統(tǒng)構(gòu)成如下：
224XP*1、步進(jìn)電機(jī)*2、細(xì)分型驅(qū)動(dòng)器*2、TD200*1、LED顯示屏*1、編碼器*1。
2.1 PTO0（Q0.0）輸出一路高速脈沖，負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)卷繞主軸的旋轉(zhuǎn)；
2.2 PTO1（Q0.1）輸出一路高速脈沖，負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)主軸的水平直線移動(dòng)；
2.3 一個(gè)正交增量型編碼器裝在主軸上，作為卷繞圈數(shù)的反饋；
2.4 TD200作為人機(jī)界面，用于設(shè)定參數(shù)
2.5 一個(gè)LED顯示屏用于顯示實(shí)時(shí)的卷繞圈數(shù)。在實(shí)際生產(chǎn)中，工人需要時(shí)時(shí)參考卷繞的進(jìn)度，LED顯示比LCD醒目，所以這里放置了一個(gè)自制的LED顯示屏。LED屏和PLC的連接方式，可參考本人在2003年的專家論文集中的文章。
3 控制系統(tǒng)完成的功能
3.1 控制系統(tǒng)首先要實(shí)現(xiàn)的功能，是卷繞的平穩(wěn)起動(dòng)、加速、減速、平穩(wěn)停止。在新版的S7-200中，支持高速輸出口PTO0/PTO1的線性加/減速，通過(guò)MicroWin的向?qū)С绦颍浅Ｈ菀讓?shí)現(xiàn)。實(shí)際上，以目前的情況，線性加減速只能使用向?qū)傻某绦颍琒iemens沒(méi)有公開(kāi)獨(dú)立可使用的指令。
3.2 使用位置控制向?qū)梢韵滤膫€(gè)子程序（僅限CPU內(nèi)的PTO，不包括專用模塊的情況），以PTO0為例：
3.2.1 PTO0_CTRL：每周期調(diào)用一次，可以控制PTO0的行為；
3.2.2 PTO0_MAN：可以控制PTO0以某一頻率輸出脈沖，并且可以通過(guò)程序隨時(shí)中止（減速或立即中止）；
3.2.3 PTO0_RUN：運(yùn)行(在向?qū)е猩?包絡(luò)，以預(yù)定的速度輸出確定個(gè)數(shù)的脈沖，也可以通過(guò)程序隨時(shí)時(shí)中止（減速或立即中止）。
3.2.4 PTO0_LDPOS：裝載位置用，本例使用相對(duì)位置，所以不必裝載。
本例的工藝要求，輸出脈沖數(shù)可變（圈數(shù)可設(shè)定），又要在工藝允許的情況下盡可能地按指定的速度運(yùn)行，也要隨時(shí)能夠減速停止，包括人工手動(dòng)的停車要求。直接使用PTO0_MAN和PTO0_RUN都無(wú)法直接滿足要求，以下來(lái)研究配合輔助手段如何實(shí)現(xiàn)。
3.3 精確的位置（圈數(shù)）控制
3.3.1 PTO0_RUN + 中斷
卷繞定位與圈數(shù)控制，達(dá)到0.1圈以內(nèi)的精度即可，以10000步/轉(zhuǎn)的細(xì)分驅(qū)動(dòng)器，0.1圈相當(dāng)于1000脈沖。
假使PTO正以最高100kHz速度輸出脈沖，以1ms的時(shí)間響應(yīng)中斷，脈沖的誤差約為100個(gè)，所以從理論上說(shuō)，中斷方式把脈沖誤差控制在1000個(gè)以下完全可以。
如何實(shí)現(xiàn)？我們來(lái)看下面一個(gè)PTO0_MAN指令執(zhí)行的示意圖：
當(dāng)PTO0_MAN指令RUN=1允許脈沖輸出時(shí)，脈沖序列從最低速（起始速度，本例設(shè)為100p/s，很小，可以認(rèn)為0）線性加速，加到指定速度speed后保持勻速，當(dāng)收到減速停止RUN=0命令時(shí)，線性減速，至最低速后停止。
所以，我們只要在脈沖輸出前計(jì)算出停止指令執(zhí)行的位置，并在此位置設(shè)置中斷以便執(zhí)行減速停止指令，就可保證輸出的序列脈沖個(gè)數(shù)在要求的誤差范圍內(nèi)。
計(jì)算過(guò)程：
本例加速和減速的斜率是相同的，比較簡(jiǎn)單，如果兩個(gè)斜率不同，計(jì)算稍麻煩一點(diǎn)，原理差不多。
3.3.1.1 用向?qū)梢粋€(gè)最高速單速包絡(luò)，從生成的PTO0_DATA中找出加速和減速脈沖數(shù)（可以參考3.3.2節(jié)的描述），如果加減速斜率相同，這兩個(gè)數(shù)應(yīng)該是一樣的，由于計(jì)算精度的關(guān)系，差幾個(gè)脈沖也屬正常。這個(gè)數(shù)據(jù)在程序中可以作為常數(shù)使用。
3.3.1.2 如果目標(biāo)脈沖數(shù)大于加速和減速脈沖數(shù)之和，表示脈沖輸出可以加速到最高速，有恒速階段，那么中斷位置=目標(biāo)脈沖數(shù)-減速脈沖數(shù)；
3.3.1.3 如果目標(biāo)脈沖數(shù)不大于加速和減速脈沖數(shù)之和，無(wú)恒速階段，包絡(luò)變成一個(gè)等腰三角形（兩邊斜率相同的情況），那么中斷位置=目標(biāo)脈沖數(shù)/2。
3.3.1.4 更進(jìn)一步，水平恒速的速度可變，就象本案的情況，卷繞速度是可設(shè)定的，而且這個(gè)速度受機(jī)械/電機(jī)最高限速、薄膜最高線速的限制，取三者中的最小值，然后才能確定加速到該速度所需的脈沖數(shù)，通過(guò)簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)計(jì)算即可獲得。
3.3.2 PTO0_RUN + 修改包絡(luò)參數(shù)
用向?qū)梢粋€(gè)單一速度包絡(luò)，我們來(lái)研究自動(dòng)生成的包絡(luò)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：
PTO0_DATA
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//輸出 Q0.0 的 PTO 包絡(luò)表
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VB1000 'PTOA' //
VW1004 54 //FREQ
VD1006 10240000 //SS_SPEED
VD1010 204800000 //MAX_SPEED
VD1014 16#02000E69 //K_ACC
VD1018 16#82FFF197 //K_DEC
VB1022 1 //NUMPROF
VW1023 25 //OFFS_0
VB1025 4 //包絡(luò) 0 的 NUM_SEGS
VB1026 0 //保留。
VB1027 0 //段 0 的 S_STEP
VB1028 16#08 //S_PROP
VD1029 +10240000 //SFREQ
VD1033 49950 //加速的脈沖數(shù)
VB1037 0 //段 1 的 S_STEP
VB1038 16#04 //S_PROP
VD1039 +199707040 //SFREQ
VD1043 98 //恒速的脈沖數(shù)
VB1047 0 //段 2 的 S_STEP
VB1048 16#00 //S_PROP
VD1049 -1 //SFREQ
VD1053 49951 //減速的脈沖數(shù)
VB1057 0 //段 3 的 S_STEP
VB1058 16#10 //S_PROP
VD1059 +10240000 //SFREQ
VD1063 1 //最終減速的脈沖數(shù)
VB1067 0 //保留。
VB1068 0 //保留。
VB1069 0 //保留。
可以看出，一個(gè)最簡(jiǎn)單的包絡(luò)分為4段（VB1025）：
段0：加速段，加速脈沖數(shù)在VD1033
段1：恒速段，恒速脈沖數(shù)在VD1043
段2：減速段，減速脈沖數(shù)在VD1063
段3：最終減速脈沖數(shù)，VD1063。依我的經(jīng)驗(yàn)看，這個(gè)最終減速脈沖數(shù)始終為1。
在向?qū)е?，只能生成有限的包絡(luò)，如果目標(biāo)脈沖數(shù)任意的，我們只好修改包絡(luò)里面的數(shù)據(jù)了。加速段和減速段的脈沖數(shù)不方便改，因?yàn)榫€性加減速的指令并不清楚，所以只好修改恒速段的脈沖數(shù)。實(shí)踐證明，修改恒速段的脈沖數(shù)，可以非常容易且準(zhǔn)確地控制輸出脈沖數(shù)。唯一的限制是，總的脈沖數(shù)，必須大于加減速段+最終減速段脈沖數(shù)之和，也即恒速段的脈沖不能小于1。
使用步驟：
3.3.2.1 在啟動(dòng)PTO0_RUN之前，計(jì)算出恒速段的脈沖數(shù)=目標(biāo)脈數(shù)數(shù)-加減速脈沖數(shù)之和-1，填入包絡(luò)表中的恒速位置；
3.3.2.2 啟動(dòng)PTO0_RUN。
3.4 在本項(xiàng)目的設(shè)備改造中，主軸卷繞的圈數(shù)、中間起停點(diǎn)的變化范圍大，使用“PTO0_RUN + 中斷”，安排在Q0.0輸出；
中斷是由高速計(jì)數(shù)器觸發(fā)的，所以在Q0.0的向?qū)е惺鼓蹾C0為作脈沖輸出內(nèi)部反饋，在啟動(dòng)PTO0前使能12#中斷“HSC0 CV=PV”，中斷程序樣例如下：
LD SM0.0
R M20.4, 1
CALL PTO0_MAN, M20.4, PTO0_V, VB290, VD292
DTCH 12
主軸的水平直線運(yùn)動(dòng)，行程比較固定，調(diào)節(jié)范圍小，使用“PTO1_RUN + 修改包絡(luò)參數(shù)”，安排在Q0.1。
4 項(xiàng)目運(yùn)行
首臺(tái)設(shè)備改造完成于2005年12月，至目前已有6臺(tái)投入運(yùn)行，效果達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)，保證了產(chǎn)品質(zhì)量的一致性，生產(chǎn)效率也有提高，工人勞動(dòng)強(qiáng)度明顯降低。
5 體會(huì)
S7-200是一款是非常優(yōu)秀的微型控制器，許多功能進(jìn)行深入研究之后可以做到靈活應(yīng)用，拓寬其在小型控制領(lǐng)域的應(yīng)用范圍，同時(shí)保持較低的應(yīng)用成本。
S7-200非常象一臺(tái)帶控制IO功能的超級(jí)微型計(jì)算機(jī)，使用STL編程，完全不受繼電器邏輯那一套框框的約束，可以象一種計(jì)算機(jī)語(yǔ)言一樣自由地編程。
