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1、PLC 教程理论篇之 PLC 用于运动控制三1、开环控制关键词：独立运动控制、协调运动控制、累加直线插補、逐点比较圆弧插補、直接目标跟踪控制、跟踪运动控制开环控制有两种：一是程序控制，另一是比例控制。程序控制是指，一旦控制命令启动，将按预定程序进行控制，使运动部件按要求的速度、加速度控制或轨迹运动，直到控制任务完成。比例控制是指，使一个脉冲输出（控制量）跟踪另一个输入量变化，也称随动控制或同步运动。开环控制最大的优点是，简单，响应速度快，没有系统不稳定的问题。所以，NC 也多是使用开环控制。开环控制用于定位与运动控制有单轴的，双轴的，还有多轴的。小型机多用于单轴，或双轴控制。以下将就单轴独立运

2、动控制及双轴运动跟踪控制分别进行讨论。1 单段位置控制在单轴（某个坐标）上，当工作命令发出后，可使部件按指定速度（指定脉冲频率） ，完成指定位移量（指定脉冲数）的位移，即这里称的“位置控制” 。组成这样系统的硬件可以是：小型 PLC、步进电机及配套设施与运动部件。图 13-7 即为三种 PLC 实现这个控制的程序。其作用是当“工作”ON 后，将使脉冲输出口发出 1000 个，频率为每秒 10 次的脉冲。进而使运动部件产生相应于 1000 个脉冲当量的运动。程序的算法是：先传送控制数据，然后执行相关脉冲输出指令。a OMRON PLC b 西门子 PLC c 三菱 PLC图 13- 7 位置控制

3、程序图 a 为 CPM2A 用的程序。它先把 1000 个脉冲数传送给 DM101（高位） 、DM100（低位） 。然后微分执行“PULS”指令，选择 010。00 为脉冲发送口，选择独立工作模式，选择用 DM101（高位、 0） 、DM100（低位、1000）确定脉冲数。再把 10 传送给 DM102，并执行“SPED”指令，选择 010.00 为脉冲发送口，选择独立工作模式，选择用 DM102 确定脉冲频率。显然，根据这组指令，即可使 PLC 向 10.00 口发出频率为 10 的 1000 个脉冲，进而使部件按上述要求运动。图 b 为 S7-200 的程序。它先对 SM67 设定，设为

4、16#8D，指定单段 PTO 输出。使用Q0.0 口输出脉冲，其输出周期设定为 100 毫秒（频率为 10Hz） ，脉冲数为 1000。图 c 为 FX2N 的程序。它使用 Y000 口输出脉冲，参数为即时数。指定输出出频率为 10Hz，脉冲数为 1000。提示：CPM2A 的 PLUS 及 SPED 指令，S7-200 的 PLS 指令微分执行，即可按设定的脉冲数输出脉冲。如一直执行，则不受脉冲数设定限制，将一直发送脉冲。当指令停止执行，还得把设定的脉冲发送完毕后，才停止发送脉冲。提示：与上不同，FX2N 的“PLSY ”指令必须连续执行，一旦停止执行，即使指定的脉冲数没有发送完毕，也不再发

5、送脉冲。但是，一旦又恢复执行，脉冲将继续发送，直到设定脉冲数发送完毕。4522 加、减速度及位置控制在单轴（某个坐标）上，当工作命令发出后，为了工作平稳，可使部件按指定的加速度（指定脉冲频率增加率或指定加速时间） ，指定的目标速度（指定输出脉冲频率） ，指定减速度（指定脉冲频减小率或指定减速时间） ，完成指定位移量（指定脉冲数）的位移，即这里称的“加、减速度运动控制” 。组成这样系统的硬件也可是：小型 PLC、步进电机及配套设施与运动部件。PLC 则是通过运行程序，用脉冲输出口设施这个控制。图 13- 8 示的为加、减速度位置控制的一个例子。它要求用 5 秒时间，把输出脉冲频率增加到 100H

6、z，减速时则是用 5 秒时间，从 100Hz 减速到最小频率。图 13- 8 输出频率变化简图图 13-9 即为三种 PLC 实现这个控制的程序。其作用是当“工作”ON 后，将使脉冲输出频率逐渐增加，5 秒后达 100Hz。输出脉冲总数 20000 个。当发送脉冲接近时，减速，于 5 秒后减速到最小值，并停止发送。程序的算法也是：先传送控制数据进行设定，然后执行相关脉冲输出指令。a OMRON PLC b 西门子 PLC c 三菱 PLC图 13- 9 加、减速度位置控制程序图 a 为 CPM2A 用的程序。它先把 20 传送给 DM101（高位） 、0 传给 DM100（低位） 。然后微分执

7、行“PULS”指令，选择 010.00 为脉冲发送口，选择独立工作模式，选择用 DM101） 、DM100 确定脉冲数（即指定 20000 个脉冲） 。再把 20 传送给 DM110，把 100 传送给 DM111，把 20 传送给 DM112，并执行“ACC”指令，选择 010.00 为脉冲发送口，选择独立工作模式，选择用 DM110 确定脉冲频率增加率（即指定脉冲频率增加率为 20） ，选择用 DM111 确定脉冲频率（即指定脉冲频率为 100） ，选择用 DM112 确定脉冲频率减小率（即指定脉冲频率减小率为 20） 。显然，根据这组指令，即可使 PLC 向 10.00 口发出脉冲，进而

8、使部件按上述要求运动。图 c 为 S7-200 的程序。先是执行初始化程序，数据传送，进行设定。VB67 设定值为 16 进制数 A8，意即多段脉冲输出，时基为毫秒。VD168 设定值为 500，意即多段输出偏移数为 500。VB500（偏移指定开始地址） 设定值为 3，意即选定 3 段输出。VW501 设定值为 2510，意即选定第 1 段周期为 2510 毫秒。VW503 设定值为-10，意即选定第 1 段每发一个脉冲周期减小为 10 毫秒。VD505 设定值为 250，意即选定第 1 段发送 250 个脉冲等等。之后，当 I0.0ON 则执行 PLS 指令，将按上述设定，先是加速发送 2

9、50 个脉冲，进而等速率（周期 100 毫秒）发送 19500 个脉冲，最后减速率发送 250 个脉冲。也可实现上述要求。图 b 为 FX2N 的程序。它使用 Y001 口输出脉冲，参数为即时数，不必数据赋值。指定输出出频率为 100Hz，脉冲数为 20000，加、减频率时间为 5000 毫秒，即 5 秒。提示：三种 PLC 都可实现上述运动要求。图 b 最简单，但它的加速率与减速率，只能设为相等，不够灵活。提示：三种 PLC 频率设定上是有区别的。图 a 都是按脉冲频率设定。图 c 都是按脉冲周期设定。而图 b，等速发送是按频率设定，但加、减速是按时间设定。为此，要实现同一要求，须作相应的换

10、算。而且，以本程序为例，为了简化，在可实现上述运动要求时，还是略有差别的。图 a 开始频率为 0，图 c 开始周期为 2510（周期不能为无穷大，最大可设为 65535，这里便于计算设为这个值） ，而图 b 开始频率由本讲式 13-1 计算确定（实际不必计算，自然形成的） 。4523 多段位置控制以上介绍的运动控制程序只能做一次位移。如果要多次位移怎么办？它的算法是，先设定第 1 段数据，并启动第 1 段位移，待第 1 段完成后，开始第 2 段设定，再启动第 2 段位移直到所有位移完毕。图 13-10 示的为 2 段位置控制简图。起动后先以频率 20Hz 发送 20000 个脉冲，之后，停留

11、2 秒，再以频率 10Hz 发送 10000 个脉冲。图 13-10 段位置控制简图实现这个控制算法的要点是：传送脉冲数及要求频率数据；使用脉冲输出指令；判断第 1 段是否到位，如到位，再传送脉冲数及要求频率数据；再使用脉冲输出指令，直到控制完成。 图 13-11 示的为实现此算法，与图 13-10 对应的三种 PLC 程序。a OMRON PLC b 西门子 PLC c 三菱 PLC图 13-11 2 段位置控制 PLC 程序图 a 为 CPM2A 机程序。参照图示，其中： 启动逻辑。 把脉冲数 20000 的 20 传送给 DM5（高位） 、DM10（低位） 。 把脉冲频率 20 传送给

12、DM6（单位为 10Hz，故传送 2） 。 进行第 1 段输出脉冲与要求脉冲数比较，判断是否到位。由于 CPM2A 没有脉冲输出完成的标志，这里用硬件把输出脉冲信号输入给高速计数器（000.00 点设为进行高速计数）。而特殊继电器 248、249 则记录着采集的脉冲数。故这里把 248、249 与设定脉冲数进行比较。 如比较相等，则 LR0.00 置位。 微分执行“PULS”指令，选择 010.01 为脉冲发送口，选择独立工作模式，选择用DM4、5 确定脉冲数。 微分执行“SPED”指令，选择 010.01 为脉冲发送口，选择独立工作模式，选择用DM6 确定脉冲频率。 如到位，延时 2 秒，作

13、第 2 段控制，情况同第 1 段。 启动第 2 段程序。 复位 LR0.00。提示：OMRON PLC 没有检测设定的脉冲数是否发送完毕的标志。除了使用上述检测脉冲反馈的方法，还可用定时器或定时中断进行控制。图 b 为 S7-200 程序。它由两部分，主程序及中断程序，组成。参照图示，其中：初始化，停止 Q0.0 正常输出，并启动第 1 段脉冲输出。设定脉冲输出模式为 PTO。设定脉冲周期为 50 毫秒（频率 20Hz） 。设定输出脉冲数为 20000。设定脉冲发送完成中断事件 19 与中断子程序 1 关联，即当脉冲发送完成，可调用断子程序 1。 开中断。 执行“PLS”指令，选择口 0，即

14、Q0.0，输出脉冲。 定时程序，再设定频率、脉冲数，并重新微分执行“PLS”指令，进行第 2 段控制。 当脉冲发送完毕，执行中断程序 1，使 Q0.5 置位。 中断关联解除。当地 2 段脉冲发送完毕，不再执行此中断程序。图 c 为 FX2N 机程序。参照图示，其中： 启动逻辑。 把脉冲数 20000 的 20 传送给 D11（高位） 、DM10（低位） 。 把脉冲频率 20 传送给 D12（单位为 1 Hz，故传送 20） 。 进行第 1 段输出脉冲与要求脉冲数比较，判断是否到位。由于 FX2N 的特殊寄存器D8140、8141 存的是 Y000 已输出的脉冲数，用它与设定数比较。 如 D81

15、40、8141 等于 D10、11，则 M11 ON。 把脉冲数 10000 的 20 传送给 D11（高位） 、DM10（低位） 。 把脉冲频率 10 传送给 D12（单位为 1 Hz，故传送 20。 进行第 2 段输出脉冲与要求脉冲数比较，判断是否到位。 如 D8140、8141 等于 D10、11，则 M21 ON，使电路复原。2协调运动控制协调运动控制是指，当控制对象在多轴上运动时，多轴间的位移进行协调，以使控制对象能按预定的轨迹运动。达到协调运动控制有两个方法：一是直线圆弧插补法，另一是直接目标跟踪法。直线圆弧插补法常见的是把要求的运动轨迹分解为若干小段的直线或圆弧。而每小段直线或圆

16、弧轨迹则运用一定算法，控制对象在不同轴上一步步位移予以实现。常用的算法有逐点比较法、累加法等。如果运动轨迹可用数学方程式表示，也可直接目标跟踪法进行控制。它运用数学方程式直接进行计算，然后控制对象在不同轴上一步步位移予以实现。协调运动控制也称连续轨迹控制。在数控车、铣床，雕刻机、激光切割机、激光焊接机、激光雕刻机、数控冲压机床、快速成型机、超声焊接机、火焰切割机、等离子切割机、水射流切割机等等都有它的应用。结语：使用脉冲量可实现运动控制。主要有两种，一是闭环，这多与高速计数器配合，用开关量输出，常用于较简单的位移控制；另一为开环控制，较易实现多轴运动的插补运算，可实现曲线运动。关键是 PLC 的运算速度及有相应的运算指令是否能满足要求。较好的方案是用专用位置控制或运动模块，以至于用运动控制 CPU。脉冲量还可用于过程控制，如使用 VF（电压倒频率转换）技术，可检测脉冲频率反映电压值，再用 PWM（脉宽调制）技术进行输出，则可很简单、经济地实现闭环控制。思考题：1 用脉冲量实现控制的优点有那些？2 从输入、输出搭配的特点看，脉冲量控制有那些类型？3 脉冲量控制有那些应用？练习题：1设计一个按一定频率、用某个输出口、输出一定脉冲的程序。