專利名稱：全數(shù)字智能位置控制器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型公開了一種全數(shù)字智能位置控制器，屬于自動(dòng)控制技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
重工業(yè)生產(chǎn)中，眾多拖動(dòng)機(jī)械要求精確定位控制，在冶金自動(dòng)化控制工程的設(shè)計(jì)施工中發(fā)現(xiàn)，冶金機(jī)械設(shè)備的運(yùn)動(dòng)控制在精度與可靠性方面還存在問題，集中表現(xiàn)在控制思路受控制設(shè)備可靠性、精度以及造價(jià)的制約傳統(tǒng)的機(jī)械式主令控制器精度低、點(diǎn)數(shù)少，體積大，故障率高、現(xiàn)場(chǎng)安裝調(diào)試維護(hù)困難，功能單一，不利于系統(tǒng)進(jìn)行功能拓展；而比較先進(jìn)的光電編碼器與PLC專用計(jì)數(shù)模板搭配的方式，編程復(fù)雜、成本昂貴，一塊專用模板價(jià)格在幾萬到幾十萬之間，成本甚至超過機(jī)械設(shè)備本身的投資，對(duì)于一般的輔助設(shè)備，用戶難以接受。因此，研發(fā)低成本、適用性強(qiáng)的“全數(shù)字智能位置控制器”是迫切需要解決的技術(shù)問題。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)已有技術(shù)的不足，本實(shí)用新型提供一種控制可靠、成本低、適用廣泛的全數(shù)字智能位置控制器。
本實(shí)用新型的技術(shù)方案是由文本顯示器、可編程邏輯控制器與數(shù)據(jù)采集器構(gòu)成的硬件系統(tǒng)，配以專用編程軟件，解決了智能位置控制的問題。
文本顯示器、可編程邏輯控制器采用西門子TD200和S7-200。
數(shù)據(jù)采集器采用光電編碼器。
基于S7-200和TD200架構(gòu)開發(fā)與應(yīng)用的這種位置控制器，可以廣泛應(yīng)用于各類要求精確定位和調(diào)速的機(jī)械設(shè)備，顯示了極好的適用性和靈活性，具有較好的推廣價(jià)值。
控制點(diǎn)設(shè)定與輸出
控制點(diǎn)的設(shè)定是在TD200文本顯示器上進(jìn)行的，使用MicroWIN STEP 7 V3.2E編程軟件中的TD200向?qū)?，為TD200編程。根據(jù)控制點(diǎn)數(shù)量，設(shè)定文本顯示的條目數(shù)。在每一條目中，輸入相應(yīng)控制點(diǎn)的漢語顯示文本以及要求確認(rèn)的提示。在S7-200中編制相應(yīng)程序，在TD200上實(shí)時(shí)顯示設(shè)備位置，如果用戶認(rèn)為某一點(diǎn)可作為一個(gè)控制點(diǎn)，只需在TD200上按“ENTER”鍵，PLC把該點(diǎn)的位置讀數(shù)存入內(nèi)存，作為控制點(diǎn)位置比較值，當(dāng)機(jī)械運(yùn)動(dòng)過程中，位置檢測(cè)值等于存儲(chǔ)的比較值時(shí)，對(duì)應(yīng)的Q點(diǎn)輸出一個(gè)控制信號(hào)，控制機(jī)械的啟?；蛩俣?。所有控制點(diǎn)均按上述方法設(shè)定。本系統(tǒng)可以根據(jù)需要增加控制點(diǎn)，只需選配相應(yīng)的輸出模塊即可，如不擴(kuò)展，本系統(tǒng)可支持8個(gè)控制點(diǎn)，對(duì)于一般運(yùn)動(dòng)機(jī)械的位控已經(jīng)夠用。
格雷碼數(shù)制轉(zhuǎn)換用于位置數(shù)據(jù)采集的絕對(duì)值型編碼器的數(shù)據(jù)輸出格式為格雷碼，格雷碼轉(zhuǎn)二進(jìn)制或十六進(jìn)制的方法很多，在位控系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用中采用公式法和查表法。公式法適用于8位以上格雷碼的轉(zhuǎn)換，查表法適用于8位以下格雷碼的轉(zhuǎn)換，采用何種方法取決于編碼器的選型。
公式法根據(jù)格雷碼的編碼方式，采用從高到低逐位異或的方法，就可以把格雷碼轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制編碼，這種方法理論上很簡(jiǎn)單，但在PLC中實(shí)現(xiàn)是比較繁瑣的，因?yàn)?，低端PLC的編程語言對(duì)于大量數(shù)據(jù)處理能力明顯欠缺，存儲(chǔ)資源也比較少，處理大量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)換，將嚴(yán)重影響PLC的實(shí)時(shí)處理能力，因此，這種方法只在處理8位以上格雷碼時(shí)采用。
查表法查表法就是建立一個(gè)二進(jìn)制和格雷碼之間的對(duì)應(yīng)表，通過查表的方法完成轉(zhuǎn)換。對(duì)于8位以下的格雷碼轉(zhuǎn)換，這種方法占用PLC的資源要少得多，運(yùn)算速度也快得多。
方向判斷本系統(tǒng)具有判斷機(jī)械運(yùn)動(dòng)方向的功能，PLC將采集的格雷碼格式的位置數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制格式，對(duì)每間隔10毫秒的兩個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較運(yùn)算，如后者大于前者，則判斷機(jī)械為正轉(zhuǎn)方向；否則，判斷機(jī)械為反轉(zhuǎn)方向，判斷結(jié)果由指示燈給出指示。
過零判斷當(dāng)編碼器由正向過零時(shí)，在過零前的讀數(shù)值為8X，過零后的讀數(shù)值為0X；當(dāng)編碼器反向過零時(shí)，在過零前的讀數(shù)值為0X，過零后的讀數(shù)值為9X，根據(jù)單轉(zhuǎn)絕對(duì)值型編碼器讀數(shù)的這一特征，通過檢測(cè)過零前后的變化情況，即可決定累計(jì)圈數(shù)是加一還是減一(見控制器計(jì)數(shù)程序流程圖)。
故障判斷如PLC判斷機(jī)械為正轉(zhuǎn)，而從機(jī)械的電氣控制回路反饋來的信號(hào)為反轉(zhuǎn)(I1.0上的電平)，則判斷為機(jī)械故障；如PLC的位置讀數(shù)有變化，而從機(jī)械的電氣控制回路反饋來的信號(hào)沒有運(yùn)轉(zhuǎn)(I1.0，I1.1上的電平)，則判斷為機(jī)械故障；如PLC的位置讀數(shù)沒有變化，而從機(jī)械的電氣控制回路反饋來的信號(hào)有運(yùn)轉(zhuǎn)信號(hào)(I1.0，I1.1上的電平)，則判斷為系統(tǒng)故障。等等。
狀態(tài)指示燈驅(qū)動(dòng)S7-200上的Q1.0和Q1.1兩個(gè)輸出點(diǎn)分別驅(qū)動(dòng)兩個(gè)指示燈，這兩個(gè)狀態(tài)指示燈的四種狀態(tài)，代表了本系統(tǒng)和機(jī)械設(shè)備的工作狀況。
綜上所述，一種全數(shù)字智能位置控制器，其特征是由連接文本顯示器的可編程邏輯控制器構(gòu)成，可編程邏輯控制器的數(shù)據(jù)端與光電編碼器組成的數(shù)據(jù)采集器相連構(gòu)成數(shù)據(jù)采集輸入回路。
本裝置主要用于卷揚(yáng)、軌道車輛等運(yùn)動(dòng)機(jī)械的定點(diǎn)位置控制，與變頻器連用，可提供變頻器調(diào)速點(diǎn)的多點(diǎn)變速控制。本裝置可完全取代機(jī)械式主令控制器，與專用位控/計(jì)數(shù)模塊具有同等功能，但成本要低5～10倍，因此，該裝置是上述兩種控制系統(tǒng)的理想替代產(chǎn)品。該裝置在高爐卷揚(yáng)機(jī)械和轉(zhuǎn)爐爐下車輛、氧槍、爐體傾動(dòng)設(shè)備的實(shí)際應(yīng)用中，表現(xiàn)出了良好的實(shí)用性和優(yōu)越的控制特性，隨著裝置模塊化和系列化的研制成功，應(yīng)用范圍可擴(kuò)展到絕大多數(shù)運(yùn)動(dòng)機(jī)械的定位控制。
該裝置適用于運(yùn)動(dòng)設(shè)備的多點(diǎn)定位、多點(diǎn)變速以及復(fù)合位置的精確控制。由于采用了西門子S7-200系列小型PLC作為處理控制單元，高性能光電編碼器作為數(shù)據(jù)采集單元，從而保證了系統(tǒng)的可靠性和控制精度；同時(shí)，小型PLC的高性能、低價(jià)位保證了整套系統(tǒng)具有較好的性價(jià)比，其成本與機(jī)械主令控制器基本相當(dāng)；最重要的是該產(chǎn)品的安裝調(diào)試、維護(hù)非常簡(jiǎn)便，并具有很強(qiáng)的開放移植性，可進(jìn)一步形成功能系列化，派生為具有工業(yè)以太網(wǎng)、Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線、多輸入/輸出(最多可擴(kuò)展至256點(diǎn))等多功能的產(chǎn)品，滿足不同用戶的多種需求。
本實(shí)用新型具有全數(shù)字化數(shù)據(jù)處理，運(yùn)行安全穩(wěn)定可靠，控制水平先進(jìn)，功能完善，操作簡(jiǎn)便，穩(wěn)定可靠性高，無觸點(diǎn)輸出，開放移植性強(qiáng)，控制精度高以及調(diào)試維護(hù)簡(jiǎn)便等機(jī)械主令無法比擬的優(yōu)點(diǎn)，成為機(jī)械主令的理想替代產(chǎn)品。對(duì)于提高生產(chǎn)效率，延長(zhǎng)設(shè)備壽命，節(jié)能降耗，提高經(jīng)濟(jì)效益起到了很大的促進(jìn)作用。


附圖1是本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)圖。附圖2是控制器計(jì)數(shù)程序流程圖。附圖3是編碼器格雷碼輸出在過零前后的讀數(shù)值示意圖。附圖4是西門子TD200文本顯示器的控制面板圖。
具體實(shí)施方式
一種全數(shù)字智能位置控制器，其特征是由連接文本顯示器的可編程邏輯控制器構(gòu)成，可編程邏輯控制器的數(shù)據(jù)端與光電編碼器組成的數(shù)據(jù)采集器相連構(gòu)成數(shù)據(jù)采集輸入回路。
文本顯示器采用西門子TD200文本顯示器。
可編程邏輯控制器采用西門子S7-200PLC可編程邏輯控制器。
數(shù)據(jù)采集器的光電編碼器采用高性能的光電編碼器，型號(hào)為意大利ELTRA EAM58C32/256G8/28PPX10X3PDR。
TD200與S7-200PLC通過TD/CPU通訊電纜相連接。
光電編碼器與可編程邏輯控制器采用數(shù)據(jù)電纜連接。
硬件組成見附圖1該智能位置控制器主要由緊湊型PLC、人機(jī)接口TD200以及光電編碼器(根據(jù)不同控制精度要求可選單圈或者多圈絕對(duì)值型編碼器)三部分以及相關(guān)的連接附件組成。
與電機(jī)減速機(jī)構(gòu)相連接的編碼器采集二進(jìn)制數(shù)制的位置信號(hào)，并通過信號(hào)電纜傳送給S7-200PLC，PLC根據(jù)預(yù)先編制的控制程序?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行二次處理以及計(jì)算，將處理后的結(jié)果傳送給相關(guān)的設(shè)備執(zhí)行器來完成機(jī)械設(shè)備的位置定位，同時(shí)把相關(guān)信息顯示在TD200中，操作人員可利用TD200進(jìn)行信息查看以及參數(shù)設(shè)定。為了保證可靠性，編碼器一般采用絕對(duì)值型，根據(jù)不同的機(jī)械控制精度要求可選擇具體的參數(shù)。
西門子S7-200PLC具有220V交流供電，24V直流和繼電器輸出的特點(diǎn)，可以節(jié)省24V直流電源和大量的輸出繼電器，對(duì)裝置的小型化、低成本化的開發(fā)十分有利；該型PLC產(chǎn)品最大的優(yōu)勢(shì)在于本身配置超級(jí)電容，即使不使用EEPROM和電池，掉電后數(shù)據(jù)仍可保持3天以上，這一優(yōu)點(diǎn)可以充分保證程序和數(shù)據(jù)的安全；該P(yáng)LC還可通過擴(kuò)展通訊端口連接工業(yè)以太網(wǎng)；通過擴(kuò)展DP口，連接PROFIBUS總線；并可擴(kuò)展遠(yuǎn)程I/O模塊，增加I/O控制點(diǎn)數(shù)。
為實(shí)現(xiàn)控制過程的可視化和為用戶提供友好的人機(jī)界面，選用西門子TD200文本顯示器見附圖4ENTER用此鍵寫入新數(shù)據(jù)和確認(rèn)信息ESC 用此鍵轉(zhuǎn)換DISPLAY Message方式和Menu方式UP 用此鍵遞增數(shù)據(jù)或向上翻頁DOWN 用此鍵遞減數(shù)據(jù)或向下翻頁SHIFT用此鍵轉(zhuǎn)換功能一般工業(yè)機(jī)械的定位精度要求較高，本系統(tǒng)選用絕對(duì)值型編碼器，以獲得較高的分辨率和位置記憶功能。
實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證，基于上述西門子系列產(chǎn)品的組合，使該裝置獲得了良好的可靠性、適用性以及優(yōu)越的性價(jià)比。
軟件組成PLC控制程序采用西門子S7-200PLC專用編程軟件S TEP7-MicroWIN V4.0開發(fā)而成。
編碼轉(zhuǎn)換編碼器輸出的信號(hào)為格雷碼格式，用于控制運(yùn)算沒有問題，但用于顯示則存在問題，直接把格雷碼顯示在TD200上，用戶根本無法理解數(shù)據(jù)的意義，用戶界面十分不友好。必須把格雷碼數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制格式，為用戶提供易于理解的顯示信息。編碼轉(zhuǎn)換的方法很多，本系統(tǒng)采用的是查表法和公式法。
圈數(shù)累計(jì)運(yùn)動(dòng)機(jī)械在整個(gè)行程上，減速機(jī)可能轉(zhuǎn)動(dòng)若干圈，編碼器也隨動(dòng)同樣的圈數(shù)，PLC必須能夠?qū)θ?shù)進(jìn)行累計(jì)，以在整個(gè)行程上跟蹤運(yùn)動(dòng)位置。
構(gòu)成特點(diǎn)1、采用高性能的光電編碼器作為數(shù)據(jù)采集器件，具有讀數(shù)精確、誤碼率低的特點(diǎn)編碼器輸出的信號(hào)為格雷碼格式，即單拍碼，此意為當(dāng)位置發(fā)生變化時(shí)相對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制位置數(shù)值僅發(fā)生一位改變。從而提高了讀數(shù)的準(zhǔn)確性，保證了位置檢測(cè)的高度可靠性。
2、PLC控制功能豐富，可大大降低成本，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，可有效防止數(shù)據(jù)的丟失西門子S 7-200PLC具有220V交流供電，24V直流和繼電器輸出的特點(diǎn)，可以節(jié)省24V直流電源和大量的輸出繼電器，對(duì)系統(tǒng)的小型化、低成本化的開發(fā)十分有利；PLC本身配置超級(jí)電容，掉電后數(shù)據(jù)仍可保持3天以上，可以充分保證程序和數(shù)據(jù)的安全。
3、定位精度高，實(shí)際應(yīng)用精度可達(dá)為±0.03％在機(jī)械設(shè)備行程中，編碼器可以根據(jù)電機(jī)變速機(jī)構(gòu)的情況以及具體的控制要求選擇不同的參數(shù)以滿足不同的控制場(chǎng)合。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況，只要設(shè)備選型合理，可輕松實(shí)現(xiàn)±0.03％以內(nèi)的控制精度。
4、現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試及日常維護(hù)非常簡(jiǎn)便該裝置具有良好的人機(jī)接口(TD200)，操作人員通過TD200可以實(shí)時(shí)地了解到設(shè)備的運(yùn)行狀況，并通過人機(jī)接口進(jìn)行簡(jiǎn)單的參數(shù)設(shè)定/修改即可輕松完成現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試以及日常維護(hù)工作，而無需具備相關(guān)的專業(yè)知識(shí)。
5、具有很強(qiáng)的開放、移植性，可根據(jù)用戶的不同需求進(jìn)行定制控制對(duì)象舉例絕對(duì)值型編碼器通過柔性連軸器安裝在卷揚(yáng)機(jī)的減速機(jī)主軸上，卷揚(yáng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)位置由編碼器測(cè)得，編碼器將位置信號(hào)傳送到PLC，PLC處理位置信號(hào)并與由TD200設(shè)定的控制點(diǎn)位置信息比較，如檢測(cè)位置與設(shè)定位置匹配，則相應(yīng)的輸出點(diǎn)輸出，作用于拖動(dòng)設(shè)備(變頻器或電氣控制系統(tǒng))實(shí)現(xiàn)調(diào)速和啟停，拖動(dòng)設(shè)備將運(yùn)轉(zhuǎn)方向信號(hào)反饋給PLC，PLC將該信號(hào)與根據(jù)編碼器信號(hào)序列判斷的方向信息進(jìn)行比較，給出兩只信號(hào)燈的四種組合狀態(tài)，代表系統(tǒng)的四種運(yùn)行狀態(tài)。
本裝置可以根據(jù)需要增加控制點(diǎn)，只需選配相應(yīng)的輸出模塊即可；也能夠進(jìn)一步形成功能系列化，派生為具有工業(yè)以太網(wǎng)、Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線、多輸入/輸出(最多可擴(kuò)展至256點(diǎn))等多功能的產(chǎn)品，在基本不增加投資的情況下滿足不同用戶的多種需求。
權(quán)利要求1.一種全數(shù)字智能位置控制器，其特征是由連接文本顯示器的可編程邏輯控制器構(gòu)成，可編程邏輯控制器的數(shù)據(jù)端與光電編碼器組成的數(shù)據(jù)采集器相連構(gòu)成數(shù)據(jù)采集輸入回路。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全數(shù)字智能位置控制器，其特征是文本顯示器采用西門子TD200文本顯示器，可編程邏輯控制器采用西門子S7-200 PLC可編程邏輯控制器，TD200與S7-200 PLC通過TD/CPU通訊電纜相連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全數(shù)字智能位置控制器，其特征是數(shù)據(jù)采集器的光電編碼器采用高性能的光電編碼器，型號(hào)為意大利ELTRA EAM58C32/256G8/28PPX10X3PDR，光電編碼器與可編程邏輯控制器采用數(shù)據(jù)電纜連接。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種全數(shù)字智能位置控制器，屬于自動(dòng)控制技術(shù)領(lǐng)域。提供一種控制可靠、成本低、適用廣泛的全數(shù)字智能位置控制器。其特征是由連接文本顯示器的可編程邏輯控制器構(gòu)成，可編程邏輯控制器的數(shù)據(jù)端與光電編碼器組成的數(shù)據(jù)采集器相連構(gòu)成數(shù)據(jù)采集輸入回路。具有全數(shù)字化數(shù)據(jù)處理，運(yùn)行安全穩(wěn)定可靠，控制水平先進(jìn)，功能完善，操作簡(jiǎn)便，穩(wěn)定可靠性高，無觸點(diǎn)輸出，開放移植性強(qiáng)，控制精度高以及調(diào)試維護(hù)簡(jiǎn)便等機(jī)械主令無法比擬的優(yōu)點(diǎn)，成為機(jī)械主令的理想替代產(chǎn)品。對(duì)于提高生產(chǎn)效率，延長(zhǎng)設(shè)備壽命，節(jié)能降耗，提高經(jīng)濟(jì)效益起到了很大的促進(jìn)作用。
文檔編號(hào)G05D3/00GK2862137SQ200620079869
公開日2007年1月24日 申請(qǐng)日期2006年1月6日 優(yōu)先權(quán)日2006年1月6日
發(fā)明者吳曉峰, 王海, 王博, 高源 , 陳宏偉, 郄錫才, 張麗榮, 王瑞華, 鄭文靜, 張華森, 周濤 申請(qǐng)人:萊蕪鋼鐵集團(tuán)有限公司