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1 項目簡介
某公司有多台薄膜卷繞機需要進行自動化控製改造。
原設備采用機械式計數，卷繞動力采用離合器傳動，元件卷繞的起動、停止、圈數控製等均由人工操作控製，因此存在產品參數離散性大、產品質量與生產效率因人而異等不足之處。
工藝要求簡述：由於卷製材料是10幾微米的薄膜，要求卷軸平穩起動，均勻加速，以使用張力平穩；中間在某些位置需要停頓，作一些必要的處理，再繼續卷繞；和起動一樣，停頓或停止時，必須均勻減速，保持張力平穩；要求最後圈數準確。
2 控製係統構成
很自然地想到S7-200PLC應該能夠實現項目要求的控製功能。S7-200CPU本體已含有高速脈衝輸出功能，普通型號的CPU脈衝輸出頻率達20KHz，而224XP（CN）更是高達100kHz，可以用來驅動步進電機或伺服電機，再由電機直接驅動卷繞主軸旋轉，完成工藝所要求的動作。
步進電機在成本上具有優勢，但是步進電機的運轉平穩性不如伺服電機，而兩者的定位精度（圈數）的控製，在本工藝裏都可以達到要求。我們考慮先試用步進電機的方案。
步bu進jin電dian機ji的de驅qu動dong，實shi際ji上shang是shi由you相xiang應ying的de步bu進jin電dian機ji驅qu動dong器qi負fu責ze的de，所suo以yi步bu進jin電dian機ji的de相xiang數shu齒chi數shu等deng等deng問wen題ti由you相xiang應ying的de驅qu動dong器qi解jie決jue，選xuan擇ze步bu進jin電dian機ji要yao考kao慮lv的de主zhu要yao是shi體ti積ji、轉矩、轉速等，不是本文的重點；PLC向驅動器送的僅為代表速度與位置的脈衝，這裏要考慮的是步進電機在規定的轉速下是否足夠平穩，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，采用細分型的驅動器，在50齒的電機上達到10000步/轉，經17：25齒的同步帶減速傳動（同時電機的振動也可衰減），結jie果guo運yun轉zhuan很hen平ping穩wen，粗cu步bu確que定ding可ke以yi達da到dao工gong藝yi要yao求qiu。於yu是shi正zheng式shi試shi製zhi一yi台tai，也ye獲huo得de成cheng功gong，性xing能neng達da到dao工gong藝yi要yao求qiu，目mu前qian已yi經jing按an此ci方fang案an批pi量liang進jin行xing改gai造zao。
CPU選擇224XPCN DC/DC/DC，係統構成如下：
224XP*1、步進電機*2、細分型驅動器*2、TD200*1、LED顯示屏*1、編碼器*1。
2.1 PTO0（Q0.0）輸出一路高速脈衝，負責驅動卷繞主軸的旋轉；
2.2 PTO1（Q0.1）輸出一路高速脈衝，負責驅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，作為卷繞圈數的反饋；
2.4 TD200作為人機界麵，用於設定參數
2.5 一個LED顯示屏用於顯示實時的卷繞圈數。在實際生產中，工人需要時時參考卷繞的進度，LED顯示比LCD醒目，所以這裏放置了一個自製的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 控製係統完成的功能
3.1 控製係統首先要實現的功能，是卷繞的平穩起動、加速、減速、平穩停止。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的向導程序，非常容易實現。實際上，以目前的情況，線性加減速隻能使用向導生成的程序，Siemens沒有公開獨立可使用的指令。
3.2 使用位置控製向導生成以下四個子程序（僅限CPU內的PTO，不包括專用模塊的情況），以PTO0為例：
3.2.1 PTO0_CTRL：每周期調用一次，可以控製PTO0的行為；
3.2.2 PTO0_MAN：可以控製PTO0以某一頻率輸出脈衝，並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(在向導中生的)包絡，以預定的速度輸出確定個數的脈衝，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，輸出脈衝數可變（圈數可設定），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。
3.3 精確的位置（圈數）控製
3.3.1 PTO0_RUN + 中斷
卷繞定位與圈數控製，達到0.1圈以內的精度即可，以10000步/轉的細分驅動器，0.1圈相當於1000脈衝。
假使PTO正以最高100kHz速度輸出脈衝，以1ms的時間響應中斷，脈衝的誤差約為100個，所以從理論上說，中斷方式把脈衝誤差控製在1000個以下完全可以。
當PTO0_MAN指令RUN=1允許脈衝輸出時，脈衝序列從最低速（起始速度，本例設為100p/s，很小，可以認為0）線性加速，加到指定速度speed後保持勻速，當收到減速停止RUN=0命令時，線性減速，至最低速後停止。
所suo以yi，我wo們men隻zhi要yao在zai脈mai衝chong輸shu出chu前qian計ji算suan出chu停ting止zhi指zhi令ling執zhi行xing的de位wei置zhi，並bing在zai此ci位wei置zhi設she置zhi中zhong斷duan以yi便bian執zhi行xing減jian速su停ting止zhi指zhi令ling，就jiu可ke保bao證zheng輸shu出chu的de序xu列lie脈mai衝chong個ge數shu在zai要yao求qiu的de誤wu差cha範fan圍wei內nei。
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 用向導生成一個最高速單速包絡，從生成的PTO0_DATA中找出加速和減速脈衝數（可以參考3.3.2節的描述），如果加減速斜率相同，這兩個數應該是一樣的，由於計算精度的關係，差幾個脈衝也屬正常。這個數據在程序中可以作為常數使用。
3.3.1.2 如果目標脈衝數大於加速和減速脈衝數之和，表示脈衝輸出可以加速到最高速，有恒速階段，那麼中斷位置=目標脈衝數-減速脈衝數；
3.3.1.3 如果目標脈衝數不大於加速和減速脈衝數之和，無恒速階段，包絡變成一個等腰三角形（兩邊斜率相同的情況），那麼中斷位置=目標脈衝數/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、薄膜最高線速的限製，取三者中的最小值，然後才能確定加速到該速度所需的脈衝數，通過簡單的數學計算即可獲得。
3.3.2 PTO0_RUN + 修改包絡參數
用向導生成一個單一速度包絡，我們來研究自動生成的包絡數據結構：
PTO0_DATA
//----------------------------------------------------------------
//輸出 Q0.0 的 PTO 包絡表
//----------------------------------------------------------------
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 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 //加速的脈衝數
VB1037 0 //段 1 的 S_STEP
VB1038 16#04 //S_PROP
VD1039 +199707040 //SFREQ
VD1043 98 //恒速的脈衝數
VB1047 0 //段 2 的 S_STEP
VB1048 16#00 //S_PROP
VD1049 -1 //SFREQ
VD1053 49951 //減速的脈衝數
VB1057 0 //段 3 的 S_STEP
VB1058 16#10 //S_PROP
VD1059 +10240000 //SFREQ
VD1063 1 //最終減速的脈衝數
VB1067 0 //保留。
VB1068 0 //保留。
VB1069 0 //保留。
可以看出，一個最簡單的包絡分為4段（VB1025）：
段0：加速段，加速脈衝數在VD1033
段1：恒速段，恒速脈衝數在VD1043
段2：減速段，減速脈衝數在VD1063
段3：最終減速脈衝數，VD1063。依我的經驗看，這個最終減速脈衝數始終為1。
在(zai)向(xiang)導(dao)中(zhong)，隻(zhi)能(neng)生(sheng)成(cheng)有(you)限(xian)的(de)包(bao)絡(luo)，如(ru)果(guo)目(mu)標(biao)脈(mai)衝(chong)數(shu)任(ren)意(yi)的(de)，我(wo)們(men)隻(zhi)好(hao)修(xiu)改(gai)包(bao)絡(luo)裏(li)麵(mian)的(de)數(shu)據(ju)了(le)。加(jia)速(su)段(duan)和(he)減(jian)速(su)段(duan)的(de)脈(mai)衝(chong)數(shu)不(bu)方(fang)便(bian)改(gai)，因(yin)為(wei)線(xian)性(xing)加(jia)減(jian)速(su)的(de)指(zhi)令(ling)並(bing)不(bu)清(qing)楚(chu)，所(suo)以(yi)隻(zhi)好(hao)修(xiu)改(gai)恒(heng)速(su)段(duan)的(de)脈(mai)衝(chong)數(shu)。實(shi)踐(jian)證(zheng)明(ming)，修(xiu)改(gai)恒(heng)速(su)段(duan)的(de)脈(mai)衝(chong)數(shu)，可(ke)以(yi)非(fei)常(chang)容(rong)易(yi)且(qie)準(zhun)確(que)地(di)控(kong)製(zhi)輸(shu)出(chu)脈(mai)衝(chong)數(shu)。唯(wei)一(yi)的(de)限(xian)製(zhi)是(shi)，總(zong)的(de)脈(mai)衝(chong)數(shu)，必(bi)須(xu)大(da)於(yu)加(jia)減(jian)速(su)段(duan)+最終減速段脈衝數之和，也即恒速段的脈衝不能小於1。
使用步驟：
3.3.2.1 在啟動PTO0_RUN之前，計算出恒速段的脈衝數=目標脈數數-加減速脈衝數之和-1，填入包絡表中的恒速位置；
3.3.2.2 啟動PTO0_RUN。
3.4 在本項目的設備改造中，主軸卷繞的圈數、中間起停點的變化範圍大，使用“PTO0_RUN + 中斷”，安排在Q0.0輸出；
中斷是由高速計數器觸發的，所以在Q0.0的向導中使能HC0為作脈衝輸出內部反饋，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，調節範圍小，使用“PTO1_RUN + 修改包絡參數”，安排在Q0.1。
4 項目運行
首台設備改造完成於2005年12月，至目前已有6台投入運行，效果達到預期的目標，保證了產品質量的一致性，生產效率也有提高，工人勞動強度明顯降低。
5 體會
S7-200是(shi)一(yi)款(kuan)是(shi)非(fei)常(chang)優(you)秀(xiu)的(de)微(wei)型(xing)控(kong)製(zhi)器(qi)，許(xu)多(duo)功(gong)能(neng)進(jin)行(xing)深(shen)入(ru)研(yan)究(jiu)之(zhi)後(hou)可(ke)以(yi)做(zuo)到(dao)靈(ling)活(huo)應(ying)用(yong)，拓(tuo)寬(kuan)其(qi)在(zai)小(xiao)型(xing)控(kong)製(zhi)領(ling)域(yu)的(de)應(ying)用(yong)範(fan)圍(wei)，同(tong)時(shi)保(bao)持(chi)較(jiao)低(di)的(de)應(ying)用(yong)成(cheng)本(ben)。
S7-200非常象一台帶控製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。
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