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1 引 言
    切紙機械是印刷和包裝行業最常用的設備之一。切紙機完成的最基本動作是把待裁切的材料送到指定位置，然后進行裁切。其控制的核心是一個單軸定位控制。我公司引進歐洲一家公司的兩臺切紙設備，其推進定位系統的實現是利用單片機控制，當接收編碼器的脈沖信號達到設定值后，單片機系統輸出信號，斷開進給電機的接觸器，同時電磁離合制動器的離合分離，剎車制動推進系統的慣性，從而實現精確定位。由于設備的單片機控制系統老化，造成定位不準，切紙動作紊亂，不能正常生產。但此控制系統是早期產品，沒有合適配件可替換，只能采取改造這一途徑。目前國內進行切紙設備進給定位系統改造主要有兩種方式，一是利用單片機結合變頻器實現，一是利用單片機結合伺服系統實現，不過此兩種改造方案成本都在兩萬元以上。并且單片機系統是由專業開發公司設計，技術保守，一旦出現故障只能交還原公司維修或更換，維修周期長且成本高，不利于改造后設備的維護和使用。我們結合自己設備的特點提出了新的改造方案，就是用plc的高速計數器功能結合變頻器的多段速功能實現定位控制，并利用hmi（人機界面human machine interface）進行裁切參數設定和完成手動操控。

2 改造的可行性分析
    現在的大多plc都具有高速計數器功能，不需增加特殊功能單元就可以處理頻率高達幾十或上百khz的脈沖信號。切紙機對進給系統的精度和響應速度要求不是很高，可以通過對切紙機進給系統相關參數的計算，合理的選用編碼器，讓脈沖頻率即能在plc處理的范圍內又可以滿足進給的精度要求。在進給過程中，plc對所接收的脈沖數與設定數值進行比較，根據比較結果驅動相應的輸出點對變頻器進行輸出頻率的控制，實現接近設定值時進給速度變慢，從而減小系統慣性，達到精確定位的目的。另外當今變頻器技術取得了長足的發展，使電機在低速時的轉矩大幅度提升，從而也保證了進給定位時低速推進的可行性。

3 主要控制部件的選取
3.1 plc的選取
設備需要的輸入輸出信號如表1所示。

針對這些必需的輸入點數，選用了fx1s－30mr的plc，因為選用了人機界面，其它一些手動動作，如前進、后退、換刀等都通過人機界面實現，不需占用plc輸入點，從而為選用低價位的fx1s系列plc成為可能，因為fx1s系列plc輸入點最多只有16點。另外此系列plc的高速計數器具有處理頻率高達60千赫的脈沖的能力，足可以滿足切紙機對精度的要求。
3.2 編碼器的選取
編碼器的選取要符合兩個方面，一是plc接收的最高脈沖頻率，二是進給的精度。我們選用的是編碼器分辨率是500p/r（每轉每相輸出500個脈沖）的。通過驗正可以知道此分辨率可以滿足上面兩個條件。驗證所需的參數：電機最高轉速是1500轉/分（25轉/秒）、進給絲桿的導程是10mm/轉。驗證如下：

本系統脈沖最高頻率＝25轉/秒×500個/轉×2（a/b兩相）＝25khz

理論進給分辨率＝10mm/500=0.02mm

同時由上面的數據知道進給系統每走1mm編碼器發出50（此數據很重要，在plc程序的數據處理中要用到）個脈沖信號。由于此工程中對編碼器的a/b相脈沖進行了分別計數，使用了兩個高速計數器，且在程序中應用了高速定位指令，則此plc可處理的最高脈沖頻率為30千赫，因此滿足了第一個條件;我們的切紙機的載切精度要求是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
這兩個部件我們都選用了三菱公司的產品，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單方便。它具有以下特點：（1）可以方便的實現和plc的數據交換；（2）通過本身自帶的6個功能按鍵開關，可以控制plc內部的軟繼電器，從而可以減少plc輸入點的使用；（3）具有兩個通訊口，一個rs232c（用于和個人電腦通訊）和一個rs422（用于和plc通訊），利用電腦和f920got相連后不僅可以對hmi進行程序的讀取和上傳，還可以直接對plc的程序進行上傳下載、調整和監控。

4 plc和hmi程序的設計
此工程中程序的難點主要在于數據的處理上。在切紙機工作過程中除手動讓進給定位機構前進后退外，還要實現等分裁切功能和指定具體位置定位功能，并且hmi上還要即時顯示定位機構的當前位置。我們為了簡化程序中的計算，采用了兩個高速計數器c235和c236。c236通過計算前進后退的脈沖數，再進行換算后用于顯示進給機構的當前位置；c235用于進行精確定位。定位過程是這樣的，每次進給機構需要定位工作時，通過計算把需要的脈沖數送到c235，不論進給機構前進還是后退c235進行減計數，同時對c235中的數值進行比較，根據比較結果驅動相應的輸出點對變頻器進行輸出頻率的控制，實現接近設定值時進給速度變慢，從而達到精確定位。因為任何系統都有慣性和時間上的遲滯，所以變頻器停止輸出的時間并不是c235中的計數值減小到0時，而是讓c235和一個數據寄存器d130比較，當c235中的值減小到d130中的設定值時plc控制變頻器停止輸出。d130的值可通過人機界面進行修改和設定，在調試時通過修改這個值，以達到定位準確的目的。
1）顯示定位機構當前位置的程序

2）實現定位控制的程序段

3）參數設定時的小數點位問題。實際工作中在設定位置時要精確到0.1mm。這個問題在一些單片機系統中常會遇到，常見的處理辦法是加大一個數量級，就是設定數據時，在人機界面上用1代替0.1mm，10代替1mm。不過我們在處理此問題時通過hmi中對數據的設置和plc的程序編寫達到了所見即所得的效果。hmi中主要是對數值的格式要設定好。hmi中的設置畫面如圖1所示。例如等分裁切10.5mm的紙，就可以在hmi上設定為10.5，而不是像公司的類似其它設備上要設為105，但plc的寄存器d128的內容是105而不是10.5，這樣在計算需要的脈沖數時就要用下面一條命令：mul d128 k5 d10（此命令中盡管編程時d11不出現但實際上寄存器d11被占用，不能再應用于其它地方，否則會出現問題。）
而不是用：mul d128 k50 d10。

4）編程中其它應注意的問題
● 雙線圈問題。本工程中利用條件跳轉和步進指令避免了雙線圈問題。
● 誤差信號問題。編碼器是一種比較精密的光電產品，受振動時不可避免的會出現誤差信號，而切紙機在執行裁切動作時會造成很大振動，如果忽視這個現象，定位精度和執行機構當前位置的顯示都會不準確。本工程中處理方法參見上面例子程序圖1，只有y3、y4接通，即只有進給機構前進和后退時才讓c236進行計數，這樣就屏蔽了裁切時震動造成的誤信號。

5 變頻器的參數設置
設定的變頻器的主要參數見表2。在調試過程中為了達到定位速度和精度的完美結合，應對三段速設定值，加減速時間和hmi中d130、d200和d202的數值進行相應調整。

6 結束語
通過改造過程，完全恢復了我們切紙機的功能，試用三個月以來運行非常穩定。由這個應用實例可以看出結合plc的高速計數器功能，合理的進行應用，在一定場合可以取代高成本的定位控制系統，實現控制系統最優的性價比，并且由于選用通用開放的plc—變頻器集成方案，為企業后期自主設備管理帶來長遠的效益。