1 項目簡介
某公司有多臺薄膜卷繞機需要進行自動化控制改造,。
原設(shè)備采用機械式計數(shù)，卷繞動力采用離合器傳動,，元件卷繞的起動,、停止、圈數(shù)控制等均由人工操作控制,，因此存在產(chǎn)品參數(shù)離散性大、產(chǎn)品質(zhì)量與生產(chǎn)效率因人而異等不足之處。
工藝要求簡述：由于卷制材料是10幾微米的薄膜,，要求卷軸平穩(wěn)起動,，均勻加速，以使用張力平穩(wěn),；中間在某些位置需要停頓,，作一些必要的處理，再繼續(xù)卷繞,；和起動一樣,，停頓或停止時，必須均勻減速,，保持張力平穩(wěn),；要求最后圈數(shù)準確。
2 控制系統(tǒng)構(gòu)成
很自然地想到S7-200PLC應(yīng)該能夠?qū)崿F(xiàn)項目要求的控制功能,。
S7-200CPU本體已含有高速脈沖輸出功能,，普通型號的CPU脈沖輸出頻率達20KHz，而224XP（CN）更是高達100kHz,，可以用來驅(qū)動步進電機或伺服電機,，再由電機直接驅(qū)動卷繞主軸旋轉(zhuǎn)，完成工藝所要求的動作,。
步進電機在成本上具有優(yōu)勢,，但是步進電機的運轉(zhuǎn)平穩(wěn)性不如伺服電機，而兩者的定位精度（圈數(shù)）的控制,，在本工藝里都可以達到要求,。我們考慮先試用步進電機的方案。
步進電機的驅(qū)動,，實際上是由相應(yīng)的步進電機驅(qū)動器負責(zé)的,，所以步進電機的相數(shù)齒數(shù)等等問題由相應(yīng)的驅(qū)動器解決，選擇步進電機要考慮的主要是體積,、轉(zhuǎn)矩,、轉(zhuǎn)速等，不是本文的重點,；
PLC向驅(qū)動器送的僅為代表速度與位置的脈沖,，這里要考慮的是步進電機在規(guī)定的轉(zhuǎn)速下是否足夠平穩(wěn)，是否適合作為薄膜卷繞的動力,。
我們作了一個模型機進行試驗,，采用細分型的驅(qū)動器，在50齒的電機上達到10000步/轉(zhuǎn),，經(jīng)17：25齒的同步帶減速傳動（同時電機的振動也可衰減）,，結(jié)果運轉(zhuǎn)很平穩(wěn)，粗步確定可以達到工藝要求。于是正式試制一臺,，也獲得成功,，性能達到工藝要求，目前已經(jīng)按此方案批量進行改造,。
CPU選擇224XPCN DC/DC/DC,，系統(tǒng)構(gòu)成如下：
224XP*1、步進電機*2,、細分型驅(qū)動器*2,、TD200*1、LED顯示屏*1,、編碼器*1,。
2.1 PTO0（Q0.0）輸出一路高速脈沖，負責(zé)驅(qū)動卷繞主軸的旋轉(zhuǎn),；
2.2 PTO1（Q0.1）輸出一路高速脈沖,，負責(zé)驅(qū)動主軸的水平直線移動；
2.3 一個正交增量型編碼器裝在主軸上,，作為卷繞圈數(shù)的反饋,；
2.4 TD200作為人機界面，用于設(shè)定參數(shù)
2.5 一個LED顯示屏用于顯示實時的卷繞圈數(shù),。在實際生產(chǎn)中,，工人需要時時參考卷繞的進度，LED顯示比LCD醒目,，所以這里放置了一個自制的LED顯示屏,。LED屏和PLC的連接方式，可參考本人在2003年的專家論文集中的文章,。
3 控制系統(tǒng)完成的功能
3.1 控制系統(tǒng)首先要實現(xiàn)的功能,，是卷繞的平穩(wěn)起動、加速,、減速,、平穩(wěn)停止。在新版的S7-200中,，支持高速輸出口PTO0/PTO1的線性加/減速,，通過MicroWin的向?qū)С绦颍浅Ｈ菀讓崿F(xiàn),。實際上,，以目前的情況，線性加減速只能使用向?qū)傻某绦颍?/span>Siemens沒有公開獨立可使用的指令,。
3.2 使用位置控制向?qū)梢韵滤膫€子程序（僅限CPU內(nèi)的PTO,，不包括專用模塊的情況）,，以PTO0為例：
3.2.1 PTO0_CTRL：每周期調(diào)用一次，可以控制PTO0的行為,；
3.2.2 PTO0_MAN：可以控制PTO0以某一頻率輸出脈沖,，并且可以通過程序隨時中止（減速或立即中止）；
3.2.3 PTO0_RUN：運行(在向?qū)е猩?/span>)包絡(luò),，以預(yù)定的速度輸出確定個數(shù)的脈沖，也可以通過程序隨時時中止（減速或立即中止）,。
3.2.4 PTO0_LDPOS：裝載位置用,，本例使用相對位置，所以不必裝載,。
本例的工藝要求,，輸出脈沖數(shù)可變（圈數(shù)可設(shè)定），又要在工藝允許的情況下盡可能地按指定的速度運行,，也要隨時能夠減速停止,，包括人工手動的停車要求。直接使用PTO0_MAN和PTO0_RUN都無法直接滿足要求,，以下來研究配合輔助手段如何實現(xiàn),。
3.3 精確的位置（圈數(shù)）控制
3.3.1 PTO0_RUN + 中斷
卷繞定位與圈數(shù)控制，達到0.1圈以內(nèi)的精度即可,，以10000步/轉(zhuǎn)的細分驅(qū)動器,，0.1圈相當于1000脈沖。
假使PTO正以最高100kHz速度輸出脈沖,，以1ms的時間響應(yīng)中斷,，脈沖的誤差約為100個，所以從理論上說,，中斷方式把脈沖誤差控制在1000個以下完全可以,。
如何實現(xiàn)？我們來看下面一個PTO0_MAN指令執(zhí)行的示意圖：
有恒速階段
無恒速階段
當PTO0_MAN指令RUN=1允許脈沖輸出時,，脈沖序列從最低速（起始速度,，本例設(shè)為100p/s，很小,，可以認為0）線性加速,，加到指定速度speed后保持勻速，當收到減速停止RUN=0命令時,，線性減速,，至最低速后停止。
所以,，我們只要在脈沖輸出前計算出停止指令執(zhí)行的位置,，并在此位置設(shè)置中斷以便執(zhí)行減速停止指令,，就可保證輸出的序列脈沖個數(shù)在要求的誤差范圍內(nèi)。
計算過程：
本例加速和減速的斜率是相同的,，比較簡單,，如果兩個斜率不同，計算稍麻煩一點,，原理差不多,。
3.3.1.1 用向?qū)梢粋€最高速單速包絡(luò)，從生成的PTO0_DATA中找出加速和減速脈沖數(shù)（可以參考
3.3.1.2 如果目標脈沖數(shù)大于加速和減速脈沖數(shù)之和,，表示脈沖輸出可以加速到最高速,，有恒速階段，那么中斷位置=目標脈沖數(shù)-減速脈沖數(shù),；
3.3.1.3 如果目標脈沖數(shù)不大于加速和減速脈沖數(shù)之和,，無恒速階段，包絡(luò)變成一個等腰三角形（兩邊斜率相同的情況）,，那么中斷位置=目標脈沖數(shù)/2,。
3.3.1.4 更進一步，水平恒速的速度可變,，就象本案的情況,，卷繞速度是可設(shè)定的，而且這個速度受機械/電機最高限速,、薄膜最高線速的限制,，取三者中的最小值，然后才能確定加速到該速度所需的脈沖數(shù),，通過簡單的數(shù)學(xué)計算即可獲得,。
3.3.2 PTO0_RUN + 修改包絡(luò)參數(shù)
用向?qū)梢粋€單一速度包絡(luò)，我們來研究自動生成的包絡(luò)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：
PTO0_DATA
//----------------------------------------------------------------
//輸出 Q0.0 的 PTO 包絡(luò)表
//----------------------------------------------------------------
VB1000 'PTOA' //
VW1004 54 //FREQ
VD1006 10240000 //SS_SPEED
VD1010 204800000 //MAX_SPEED
VD1014 16#02000E69 //K_ACC
VD1018 16#82FFF197 //K_DEC
VB1022 1 //NUMPROF
VW1023 25 //OFFS_0
VB1025 4 //包絡(luò) 0 的 NUM_SEGS
VB1026 0 //保留,。
VB1027 0 //段 0 的 S_STEP
VB1028 16#08 //S_PROP
VD1029 +10240000 //SFREQ
VD1033 49950 //加速的脈沖數(shù)
VB1037 0 //段 1 的 S_STEP
VB1038 16#04 //S_PROP
VD1039 +199707040 //SFREQ
VD1043 98 //恒速的脈沖數(shù)
VB1047 0 //段 2 的 S_STEP
VB1048 16#00 //S_PROP
VD1049 -1 //SFREQ
VD1053 49951 //減速的脈沖數(shù)
VB1057 0 //段 3 的 S_STEP
VB1058 16#10 //S_PROP
VD1059 +10240000 //SFREQ
VD1063 1 //最終減速的脈沖數(shù)
VB1067 0 //保留,。
VB1068 0 //保留。
VB1069 0 //保留,。
可以看出,，一個最簡單的包絡(luò)分為4段（VB1025）：
段0：加速段，加速脈沖數(shù)在VD1033
段1：恒速段,，恒速脈沖數(shù)在VD1043
段2：減速段,，減速脈沖數(shù)在VD1063
段3：最終減速脈沖數(shù),，VD1063。依我的經(jīng)驗看,，這個最終減速脈沖數(shù)始終為1,。
在向?qū)е校荒苌捎邢薜陌j(luò),，如果目標脈沖數(shù)任意的,，我們只好修改包絡(luò)里面的數(shù)據(jù)了。加速段和減速段的脈沖數(shù)不方便改,，因為線性加減速的指令并不清楚,，所以只好修改恒速段的脈沖數(shù)。實踐證明,，修改恒速段的脈沖數(shù)，可以非常容易且準確地控制輸出脈沖數(shù),。唯一的限制是,，總的脈沖數(shù)，必須大于加減速段+最終減速段脈沖數(shù)之和,，也即恒速段的脈沖不能小于1,。
使用步驟：
3.3.2.1 在啟動PTO0_RUN之前，計算出恒速段的脈沖數(shù)=目標脈數(shù)數(shù)-加減速脈沖數(shù)之和-1,，填入包絡(luò)表中的恒速位置,；
3.3.2.2 啟動PTO0_RUN。
3.4 在本項目的設(shè)備改造中,，主軸卷繞的圈數(shù),、中間起停點的變化范圍大，使用“PTO0_RUN + 中斷”,，安排在Q0.0輸出,；
中斷是由高速計數(shù)器觸發(fā)的，所以在Q0.0的向?qū)е惺鼓?/span>HC0為作脈沖輸出內(nèi)部反饋,，在啟動PTO0前使能12#中斷“HSC0 CV=PV”,，中斷程序樣例如下：
LD SM0.0
R M20.4, 1
CALL PTO0_MAN, M20.4, PTO0_V, VB290, VD292
DTCH 12
主軸的水平直線運動，行程比較固定,，調(diào)節(jié)范圍小,，使用“PTO1_RUN + 修改包絡(luò)參數(shù)”，安排在Q0.1,。
4 項目運行
首臺設(shè)備改造完成于2005年12月,，至目前已有6臺投入運行，效果達到預(yù)期的目標,，保證了產(chǎn)品質(zhì)量的一致性,，生產(chǎn)效率也有提高,，工人勞動強度明顯降低。
5 體會
S7-200是一款是非常優(yōu)秀的微型控制器,，許多功能進行深入研究之后可以做到靈活應(yīng)用,，拓寬其在小型控制領(lǐng)域的應(yīng)用范圍，同時保持較低的應(yīng)用成本,。
S7-200非常象一臺帶控制IO功能的超級微型計算機,，使用STL編程，完全不受繼電器邏輯那一套框框的約束,，可以象一種計算機語言一樣自由地編程,。