PLC控制设计：精镗孔组合机床方案

针对前面介绍的继电器—接触器控制方式，可以在不改变机械结构和基本控制思路的前提下直接用PLC进行改造，其中的难点问题是主轴的准停。由于有机械结构的保证，控制逻辑比较简单，改造起来比较容易。但为了能够更好地利用新技术解决生产中的问题，简化机械结构和电气控制电路，提高控制性能，结合精镗孔组合机床控制中的主轴定位控制要求，本书采用PLC、变频器以及编码器相结合的方式实现。由PLC来实现电动机、液压系统的控制，变频器实现主轴转速的变化控制，编码器与PLC的高速计数相结合实现主轴的位置控制。其基本控制原理是，通过变频器控制镗削头电动机的转速，实现在正常切削时的相对高速转动，另外需要实现在主轴定位控制前的低速转动以及制动控制，通过编码器向PLC反馈主轴的转动位置，以便及时发出制动信号，保证主轴上刀尖位置朝上。PLC、编码器和变频器相互之间的具体关系和要求如下:

1.变频器

1）需要实现主轴切削加工时的切削速度，利用变频器的多段频率选择工作频率，并设定从静止到正常转速之间的加速时间。

2）当主轴达到切削需要的转速后，液压滑台才能工进。

3）利用变频器代替低速电动机，实现定位制动前的低速转动。也需要设定从正常切削到低速转动之间的减速时间。

4）当主轴转动到一定角度时，PLC发出制动信号，需要变频器实现准确停止。

变频器需要实现的速度变化曲线如图13-7所示。选择富士变频器，考虑主电动机功率不大，制动电阻选择变频器自带形式的，大小不需要进行计算。

图13-7 速度变化曲线

2.编码器

编码器是一种将旋转位移变换成一连串数字脉冲信号的传感器，用来测量角度（角位移）。编码器按功能和结构分为绝对型编码器和增量型编码器，绝对型编码器结构复杂，价格较贵，所提供的是代表绝对位置的二进制代码；增量型编码器结构相对简单，价格低廉，随着主轴转动的进行，提供的是一系列脉冲，转轴转过一定的角度，就产生一个脉冲。增量型编码器一般给出两种方波，电气相位差为90°，这两种方波称为通道A和通道B。任何一个通道的读数都能给出与转速有关的信息，同时通过A、B两通道的相位得到旋转方向的信息。

在机械位置测量、机械传动控制中经常用到增量型旋转编码器来检测位置。旋转编码器发出的是脉冲信号，若得到它们发出的脉冲数，就可以计算出对应的位置值。对位置的测量，关键是对旋转编码器发出的脉冲进行计数，若整个系统采用PLC进行控制，对编码器脉冲的计数也需要经过PLC的输入端口来接收，如果利用普通计数器，计数频率太低，会受到执行周期的影响，所以需要采用高速计数器进行计数，实现位置的采样。

在本例中增量型编码器主要完成主轴转动位置的检测，并以脉冲形式发送给PLC，高速计数器对脉冲进行计数，当计数脉冲个数到达计数器的设定值时，主轴就转到了设定停车的位置，PLC向变频器发出制动信号，实现制动准停。

3.PLC与编码器

一般的PLC计数器的输入脉冲从通用输入点输入，其工作频率不仅与输入点的结构有关，而且还与程序的扫描周期有关；响应延迟现象严重，若采用一般计数器，则其计数频率只能达到几赫兹。对于转速相对较高的组合机床动力头，不能满足要求。为解决高速脉冲下的计数问题，选用了高速计数器。高速计数器的计数频率与PLC的工作周期无关。FX2N系列PLC最高计数频率可以达到50kHz，能够满足高速计数要求，所以本例选择高速计数器，其使用方式与普通计数器的使用有所不同。(www.xing528.com)

（1）编码器与PLC的连接

编码器的输出形式有两种，其中一种输出是A、B两相的输出分别与PLC的专用高速计数输入端口X0、X1连接，旋转编码器输出A、B两相脉冲，相位差90°，旋转编码器正转时A相脉冲超前B相，反转时B相脉冲超前A相。根据旋转编码器的精度不同，主轴转动一周产生的脉冲数量就不同，从每转100～20000不等，精度高的编码器，每转产生的脉冲数量就多，反之就会少一些。

（2）PLC的高速计数器使用模式

FX2N型PLC的高速输入端口指定为X0～X7，高速计数器范围是C235～C254，并且根据处理高速计数的方法不同分为单相单输入、单相双输入和双相双输入三种模式。

1）单相单输入模式只有一个脉冲输入端口，对应一个增/减计数器，增/减模式由对应的特殊辅助继电器状态确定，如X0端口对应C235高速计数器，增/减模式由M8235的状态决定，若M8235为ON，则增计数，反之则减计数。具体参考FX2N使用说明书。

2）单相双输入模式连接两个输入端口，其中一个端口增计数，另一端口减计数，增、减状态自动变化时，对应特殊辅助继电器的状态，如计数器C248对应输入端口为X3、X4，当X3有脉冲来时，增计数，对应的辅助继电器M8248自动置为ON；当X4有脉冲时，减计数，M8248为OFF。

3）双相双计数输入模式也连接两个输入继电器端口，主要针对编码器的使用，它是根据两输入端口的脉冲状态来决定采用增计数还是减计数，也称为用A-B相型高速计数。其中有C254，A相、B相对应的专用输入端口为X0和X1，当正转时，C254自动增计数；当反转时，C254自动减计数；是增计数还是减计数可以通过监控对应的特殊辅助继电器来确定，C254对应的辅助继电器是M8254，当M8254的值为ON时，增计数，编码器正转。这种方法在软件和硬件上实现起来都比较简单。

（3）双相双输入高速计数器的使用要点

1）确定高速计数模式及编码器连接正确。

2）确定高速计数开始条件，高速计数条件为ON，计数开始，在计数过程中不能将计数条件断开，更不能以脉冲形式作为高速计数条件。具体计数脉冲由专用输入端口的脉冲提供，如C254的专用计数端口为X0、X1。

3）C254具有专用复位端口X2，当X2为ON时，C254中断复位，也可以利用RST命令复位。

4）正、反转判断，可以根据对应的辅助继电器状态判断。

5）当计数器的当前值达到设定值后，计数器触点动作，可以利用计数器触点驱动输出继电器，但要受到执行周期的影响，如果要立即进行处理，则可以使用FNC53或FNC54功能指令，它是与扫描周期无关的中断处理。