基于S7-200 PLC的位置控制器設計

對于由伺服電機帶動的旋轉物體進行位置控制，通常采用套軸式的電磁旋轉變壓器加復雜的處理電路來實現(xiàn)角度的編碼，再由角度編碼進行位置的閉環(huán)控制。上述的位置控制多用于測角精度要求高的場合中，設備構成復雜、成本較高。在某些實際應用中，需要進行較為簡單的位置定位。比如在一個由伺服電機帶動的機械機構需要在360°的旋轉范圍內進行4個或多個檔位的定位，實際應用中像建筑行業(yè)中控制閥門的大小來對給水量、水泥量、沙石量進行控制或軍工工程控制，這樣的定位控制精度要求不高，采用上述的方法進行位置控制顯然不夠經濟，成本過高。
PLC(Programmable Logic Controller)在工業(yè)控制中應用廣泛。其高可靠性、高穩(wěn)定性、友好的編程環(huán)境以及輔以觸摸式人機界面，使得各種工業(yè)控制更方便直觀、經濟可靠。這里主要闡述了基于S7-200PLC實現(xiàn)位置控制方法。

1 系統(tǒng)硬件設計
該系統(tǒng)是以PLC控制器為核心的位置控制系統(tǒng)，包含伺服電機、光電編碼器、操作及顯示屏、上位計算機、伺服電機控制電路和狀態(tài)返回電路。其硬件總體結構框圖如圖1所示。

1．1 S7-200 PLC
該系統(tǒng)設計核心部件采用西門子S7-200系列的PLC，該系列PLC功能豐富，具有多種功能模塊，可方便通過人機界面對設備進行操作和監(jiān)視其狀態(tài)，高版本的PLC主機擁有2個通訊端口，在使用人機界面對設備進行操作的同時還可通過RS-485接口和計算機實現(xiàn)邏輯運算及狀態(tài)管理，對設備進行遠程控制和監(jiān)視。該系統(tǒng)使用S7-200 PLC的一個重要的功能：高速可逆計數(shù)。光電編碼器和伺服電機同軸連接，伺服電機旋轉帶動光電編碼器產生連續(xù)的脈沖串，PLC通過輸入點讀取光電編碼器產生的脈沖，實現(xiàn)高速可逆計數(shù)。例如設置高、中、低3個給水量檔位并進行控制。在調試階段應先驅動伺服電機進行3個給水量的位置標定，也就是說，高、中、低3個檔位分別對應唯一的脈沖數(shù)。應該注意的是，由于采用的是增量式光電編碼器，也就是說，當編碼器掉電后并不能將當前的脈沖數(shù)保存。所以在旋轉機構上還要設置2個限位開關，一
來保護機械結構；二來把逆向的限位開關的位置定為零位，這樣相對于這個零位的高、中、低3個給水檔位從光電編碼器讀到的脈沖數(shù)即為這3個檔位的位置。這3個位置可通過PLC編程對其控制。圖2給出S7-200 PLC高速可逆計數(shù)器的時序圖。

1．2 光電編碼器
光電編碼器，是一種通過光電轉換將輸出軸上的機械幾何位移量轉換成脈沖或數(shù)字量的傳感器。這是目前應用最多的傳感器，光電編碼器是由光柵盤和光電檢測裝置組成。光柵盤是在一定直徑的圓板上等分地開通若干個長方形孔。由于光電碼盤與電動機同軸，電動機旋轉時，光柵盤與電動機同速旋轉，經發(fā)光二極管等電子元件組成的檢測裝置檢測輸出若干脈沖信號，此外，為判斷旋轉方向，碼盤還可提供相位相差90°的兩路脈沖信號。圖3為在實際項目中采用光電編碼器的時序圖，從圖中可以看出此光電編碼器的相位判斷角度為90°±45°；另外圖中標識的CW(順時針)和CCW(逆時針)可以根據(jù)實際應用在PLC程序中自行定義。圖4為在實際項目中采用光電編碼器的內部電路和外部引線圖。