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角度的編碼，再由角度編碼進行位置的閉環控制。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)在工業控制中應用廣泛。其高可靠性、高穩定性、友好的編程環境以及輔以觸摸式人機界面，使得各種工業控制更方便直觀、經濟可靠。這里主要闡述了基于S7-200PLC實現位置控制方法。

1 系統硬件設計
該系統是以PLC控制器為核心的位置控制系統，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視其狀態，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接口和計算機實現邏輯運算及狀態管理，對設備進行遠程控制和監視。該系統使用S7-200 PLC的一個重要的功能：高速可逆計數。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的脈沖串，PLC通過輸入點讀取光電編碼器產生的脈沖，實現高速可逆計數。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。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。