CN2862137Y - 全数字智能位置控制器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种全数字智能位置控制器，属于自动控制技术领域。提供一种控制可靠、成本低、适用广泛的全数字智能位置控制器。其特征是由连接文本显示器的可编程逻辑控制器构成，可编程逻辑控制器的数据端与光电编码器组成的数据采集器相连构成数据采集输入回路。具有全数字化数据处理，运行安全稳定可靠，控制水平先进，功能完善，操作简便，稳定可靠性高，无触点输出，开放移植性强，控制精度高以及调试维护简便等机械主令无法比拟的优点，成为机械主令的理想替代产品。对于提高生产效率，延长设备寿命，节能降耗，提高经济效益起到了很大的促进作用。

Description

全数字智能位置控制器

技术领域

本实用新型公开了一种全数字智能位置控制器，属于自动控制技术领域。

背景技术

重工业生产中，众多拖动机械要求精确定位控制，在冶金自动化控制工程的设计施工中发现，冶金机械设备的运动控制在精度与可靠性方面还存在问题，集中表现在控制思路受控制设备可靠性、精度以及造价的制约：传统的机械式主令控制器精度低、点数少，体积大，故障率高、现场安装调试维护困难，功能单一，不利于系统进行功能拓展；而比较先进的光电编码器与PLC专用计数模板搭配的方式，编程复杂、成本昂贵，一块专用模板价格在几万到几十万之间，成本甚至超过机械设备本身的投资，对于一般的辅助设备，用户难以接受。因此，研发低成本、适用性强的“全数字智能位置控制器”是迫切需要解决的技术问题。

发明内容

针对已有技术的不足，本实用新型提供一种控制可靠、成本低、适用广泛的全数字智能位置控制器。

本实用新型的技术方案是由文本显示器、可编程逻辑控制器与数据采集器构成的硬件系统，配以专用编程软件，解决了智能位置控制的问题。

文本显示器、可编程逻辑控制器采用西门子TD200和S7-200。

数据采集器采用光电编码器。

基于S7-200和TD200架构开发与应用的这种位置控制器，可以广泛应用于各类要求精确定位和调速的机械设备，显示了极好的适用性和灵活性，具有较好的推广价值。

控制点设定与输出：

控制点的设定是在TD200文本显示器上进行的，使用MicroWIN STEP 7 V3.2E编程软件中的TD200向导，为TD200编程。根据控制点数量，设定文本显示的条目数。在每一条目中，输入相应控制点的汉语显示文本以及要求确认的提示。在S7-200中编制相应程序，在TD200上实时显示设备位置，如果用户认为某一点可作为一个控制点，只需在TD200上按“ENTER”键，PLC把该点的位置读数存入内存，作为控制点位置比较值，当机械运动过程中，位置检测值等于存储的比较值时，对应的Q点输出一个控制信号，控制机械的启停或速度。所有控制点均按上述方法设定。本系统可以根据需要增加控制点，只需选配相应的输出模块即可，如不扩展，本系统可支持8个控制点，对于一般运动机械的位控已经够用。

格雷码数制转换：

用于位置数据采集的绝对值型编码器的数据输出格式为格雷码，格雷码转二进制或十六进制的方法很多，在位控系统开发与应用中采用公式法和查表法。公式法适用于8位以上格雷码的转换，查表法适用于8位以下格雷码的转换，采用何种方法取决于编码器的选型。

公式法：

根据格雷码的编码方式，采用从高到低逐位异或的方法，就可以把格雷码转换为二进制编码，这种方法理论上很简单，但在PLC中实现是比较繁琐的，因为，低端PLC的编程语言对于大量数据处理能力明显欠缺，存储资源也比较少，处理大量数据存储和转换，将严重影响PLC的实时处理能力，因此，这种方法只在处理8位以上格雷码时采用。

查表法：

查表法就是建立一个二进制和格雷码之间的对应表，通过查表的方法完成转换。对于8位以下的格雷码转换，这种方法占用PLC的资源要少得多，运算速度也快得多。

方向判断：本系统具有判断机械运动方向的功能，PLC将采集的格雷码格式的位置数据转换为十进制格式，对每间隔10毫秒的两个数据进行比较运算，如后者大于前者，则判断机械为正转方向；否则，判断机械为反转方向，判断结果由指示灯给出指示。

过零判断：

当编码器由正向过零时，在过零前的读数值为8X，过零后的读数值为0X；当编码器反向过零时，在过零前的读数值为0X，过零后的读数值为9X，根据单转绝对值型编码器读数的这一特征，通过检测过零前后的变化情况，即可决定累计圈数是加一还是减一(见控制器计数程序流程图)。

故障判断：

如PLC判断机械为正转，而从机械的电气控制回路反馈来的信号为反转(I1.0上的电平)，则判断为机械故障；

如PLC的位置读数有变化，而从机械的电气控制回路反馈来的信号没有运转(I1.0，I1.1上的电平)，则判断为机械故障；

如PLC的位置读数没有变化，而从机械的电气控制回路反馈来的信号有运转信号(I1.0，I1.1上的电平)，则判断为系统故障。等等。

状态指示灯驱动：S7-200上的Q1.0和Q1.1两个输出点分别驱动两个指示灯，这两个状态指示灯的四种状态，代表了本系统和机械设备的工作状况。

综上所述，一种全数字智能位置控制器，其特征是由连接文本显示器的可编程逻辑控制器构成，可编程逻辑控制器的数据端与光电编码器组成的数据采集器相连构成数据采集输入回路。

本装置主要用于卷扬、轨道车辆等运动机械的定点位置控制，与变频器连用，可提供变频器调速点的多点变速控制。本装置可完全取代机械式主令控制器，与专用位控/计数模块具有同等功能，但成本要低5～10倍，因此，该装置是上述两种控制系统的理想替代产品。该装置在高炉卷扬机械和转炉炉下车辆、氧枪、炉体倾动设备的实际应用中，表现出了良好的实用性和优越的控制特性，随着装置模块化和系列化的研制成功，应用范围可扩展到绝大多数运动机械的定位控制。

该装置适用于运动设备的多点定位、多点变速以及复合位置的精确控制。由于采用了西门子S7-200系列小型PLC作为处理控制单元，高性能光电编码器作为数据采集单元，从而保证了系统的可靠性和控制精度；同时，小型PLC的高性能、低价位保证了整套系统具有较好的性价比，其成本与机械主令控制器基本相当；最重要的是该产品的安装调试、维护非常简便，并具有很强的开放移植性，可进一步形成功能系列化，派生为具有工业以太网、Profibus现场总线、多输入/输出(最多可扩展至256点)等多功能的产品，满足不同用户的多种需求。

本实用新型具有全数字化数据处理，运行安全稳定可靠，控制水平先进，功能完善，操作简便，稳定可靠性高，无触点输出，开放移植性强，控制精度高以及调试维护简便等机械主令无法比拟的优点，成为机械主令的理想替代产品。对于提高生产效率，延长设备寿命，节能降耗，提高经济效益起到了很大的促进作用。

附图说明

附图1是本实用新型的结构图。附图2是控制器计数程序流程图。附图3是编码器格雷码输出在过零前后的读数值示意图。附图4是西门子TD200文本显示器的控制面板图。

具体实施方式

一种全数字智能位置控制器，其特征是由连接文本显示器的可编程逻辑控制器构成，可编程逻辑控制器的数据端与光电编码器组成的数据采集器相连构成数据采集输入回路。

文本显示器采用西门子TD200文本显示器。

可编程逻辑控制器采用西门子S7-200PLC可编程逻辑控制器。

数据采集器的光电编码器采用高性能的光电编码器，型号为意大利ELTRA EAM58C32/256G8/28PPX10X3PDR。

TD200与S7-200PLC通过TD/CPU通讯电缆相连接。

光电编码器与可编程逻辑控制器采用数据电缆连接。

硬件组成见附图1：该智能位置控制器主要由紧凑型PLC、人机接口TD200以及光电编码器(根据不同控制精度要求可选单圈或者多圈绝对值型编码器)三部分以及相关的连接附件组成。

与电机减速机构相连接的编码器采集二进制数制的位置信号，并通过信号电缆传送给S7-200PLC，PLC根据预先编制的控制程序对数据进行二次处理以及计算，将处理后的结果传送给相关的设备执行器来完成机械设备的位置定位，同时把相关信息显示在TD200中，操作人员可利用TD200进行信息查看以及参数设定。为了保证可靠性，编码器一般采用绝对值型，根据不同的机械控制精度要求可选择具体的参数。

西门子S7-200PLC具有220V交流供电，24V直流和继电器输出的特点，可以节省24V直流电源和大量的输出继电器，对装置的小型化、低成本化的开发十分有利；该型PLC产品最大的优势在于本身配置超级电容，即使不使用EEPROM和电池，掉电后数据仍可保持3天以上，这一优点可以充分保证程序和数据的安全；该PLC还可通过扩展通讯端口连接工业以太网；通过扩展DP口，连接PROFIBUS总线；并可扩展远程I/O模块，增加I/O控制点数。

为实现控制过程的可视化和为用户提供友好的人机界面，选用西门子TD200文本显示器见附图4：

ENTER    用此键写入新数据和确认信息

ESC      用此键转换DISPLAY Message方式和Menu方式

UP       用此键递增数据或向上翻页

DOWN     用此键递减数据或向下翻页

SHIFT    用此键转换功能

一般工业机械的定位精度要求较高，本系统选用绝对值型编码器，以获得较高的分辨率和位置记忆功能。

实际应用验证，基于上述西门子系列产品的组合，使该装置获得了良好的可靠性、适用性以及优越的性价比。

软件组成：PLC控制程序采用西门子S7-200PLC专用编程软件S TEP7-MicroWIN V4.0开发而成。

编码转换：编码器输出的信号为格雷码格式，用于控制运算没有问题，但用于显示则存在问题，直接把格雷码显示在TD200上，用户根本无法理解数据的意义，用户界面十分不友好。必须把格雷码数据格式转换为十进制格式，为用户提供易于理解的显示信息。编码转换的方法很多，本系统采用的是查表法和公式法。

圈数累计：运动机械在整个行程上，减速机可能转动若干圈，编码器也随动同样的圈数，PLC必须能够对圈数进行累计，以在整个行程上跟踪运动位置。

构成特点：

1、采用高性能的光电编码器作为数据采集器件，具有读数精确、误码率低的特点：

编码器输出的信号为格雷码格式，即单拍码，此意为当位置发生变化时相对应的二进制位置数值仅发生一位改变。从而提高了读数的准确性，保证了位置检测的高度可靠性。

2、PLC控制功能丰富，可大大降低成本，运行稳定可靠，可有效防止数据的丢失：

西门子S 7-200PLC具有220V交流供电，24V直流和继电器输出的特点，可以节省24V直流电源和大量的输出继电器，对系统的小型化、低成本化的开发十分有利；PLC本身配置超级电容，掉电后数据仍可保持3天以上，可以充分保证程序和数据的安全。

3、定位精度高，实际应用精度可达为±0.03％：

在机械设备行程中，编码器可以根据电机变速机构的情况以及具体的控制要求选择不同的参数以满足不同的控制场合。根据实际应用情况，只要设备选型合理，可轻松实现±0.03％以内的控制精度。

4、现场调试及日常维护非常简便：

该装置具有良好的人机接口(TD200)，操作人员通过TD200可以实时地了解到设备的运行状况，并通过人机接口进行简单的参数设定/修改即可轻松完成现场调试以及日常维护工作，而无需具备相关的专业知识。

5、具有很强的开放、移植性，可根据用户的不同需求进行定制：

控制对象举例：绝对值型编码器通过柔性连轴器安装在卷扬机的减速机主轴上，卷扬机的运动位置由编码器测得，编码器将位置信号传送到PLC，PLC处理位置信号并与由TD200设定的控制点位置信息比较，如检测位置与设定位置匹配，则相应的输出点输出，作用于拖动设备(变频器或电气控制系统)实现调速和启停，拖动设备将运转方向信号反馈给PLC，PLC将该信号与根据编码器信号序列判断的方向信息进行比较，给出两只信号灯的四种组合状态，代表系统的四种运行状态。

本装置可以根据需要增加控制点，只需选配相应的输出模块即可；也能够进一步形成功能系列化，派生为具有工业以太网、Profibus现场总线、多输入/输出(最多可扩展至256点)等多功能的产品，在基本不增加投资的情况下满足不同用户的多种需求。

Claims (3)

1、一种全数字智能位置控制器，其特征是由连接文本显示器的可编程逻辑控制器构成，可编程逻辑控制器的数据端与光电编码器组成的数据采集器相连构成数据采集输入回路。

2、根据权利要求1所述的全数字智能位置控制器，其特征是文本显示器采用西门子TD200文本显示器，可编程逻辑控制器采用西门子S7-200 PLC可编程逻辑控制器，TD200与S7-200 PLC通过TD/CPU通讯电缆相连接。

3、根据权利要求1所述的全数字智能位置控制器，其特征是数据采集器的光电编码器采用高性能的光电编码器，型号为意大利ELTRA EAM58C32/256G8/28PPX10X3PDR，光电编码器与可编程逻辑控制器采用数据电缆连接。

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