PLC脉冲输出控制功能及其应用

刘英会，岳伟利，张宗彩

（1.朔州职业技术学院，山西 朔州 036000；2.中煤平朔发展集团有限公司，山西 朔州 036000；3.西北工业大学机电学院，西安 710072）

0 引言

随着微电子技术的发展，降低了PLC 的生产成本，同时PLC 功能不断丰富。PLC 可用于基本的逻辑控制、电动机的运动控制、多路模拟量的温度、压力、流量等连续变化量的控制。现代PLC 还具有丰富的数学运算功能，通信联网功能，能够满足工厂生产自动化、柔性制造系统等发展的需要。而欧姆龙PLC 具有较高的性价比，多种控制功能，广泛应用在各个行业。欧姆龙公司的CP1H 系列PLC，较以往产品处理速度大大提升。外形小巧紧凑，执行指令仅仅需要0.1 ps，并且其内置功能强大。尤其是其多样的脉冲控制功能，即从PLC 输出端子中发出的占空比固定和可调的脉冲输出信号，并将脉冲输入伺服电动机驱动器进行定位或速度控制，可实现复杂的运动控制。但不同厂家的CPU 脉冲控制方式不同，对欧姆龙公司同类型的PLC其脉冲输出的模式也有单独模式和连续模式两种。除此之外，多样的脉冲输出控制用到的指令也种类繁多不易理解，这给工程人员对脉冲输出控制功能的使用带来了困难。如何在生产实际中正确使用欧姆龙PLC的脉冲输出控制功能，快速高效地应用于生产实际控制运动过程进而实现机电设备的精确运行，就必须了解PLC 脉冲输出控制功能的具体知识和用法，因此对脉冲控制的特点、控制模式、软件设置方法、脉冲输出指令进行深入研究具有重要意义[1]。

1 CP1H系列脉冲控制的特点

对于CP1H 的X/XA 型，可支持100 kHz 最大4 轴的脉冲输出。脉冲信号通过内置的输出点发出，输入到步进或伺服驱动器中。该脉冲信号可实现定位及速度的控制。其丰富的脉冲输出功能体现在以下几方面：（1）可以选择脉冲输出方式为CW/CCW 或脉冲输出加方向控制。（2）建立绝对坐标系后，自动比较指令值和当前值，判断运动方向。（3）在连续模式控制中，可通过中断转为单独模式的脉冲数定位控制。（4）可使用指令控制输出脉冲的占空比。（5）在当前定位过程中，可利用其他指令改变目标位置和目标速度等。

2 脉冲输出控制

2.1 脉冲输出端子的分配

CP1H 系列X/XA 型PLC，脉冲输出0-3 所使用的端子编号也有所不同，其输出端子排列如表1 所示。对于输入端，输入0CH 的00 端、01 端分别连接脉冲输出0 原点输入信号和原点附近输入信号。对于输出端，PLC 为脉冲输出0 分配的端子为100CH 的00 端、01 端。脉冲输出1-3也有对应的输入输出端子，使用时需要对应。

表1 脉冲端口对应PLC端子的分配

2.2 脉冲输出的模式

根据输出脉冲量是否指定，脉冲输出有单独和连续两种模式。当单独模式的脉冲输出量达到设定数值时，工作停止。而处于连续模式时，脉冲持续输出直到收到脉冲停止的指示。前者常用于定位，后者用于速度控制[2]。

2.3 特殊辅助继电器区域的分配

使用脉冲输出功能时，系统配置了固定的特殊辅助继电器。脉冲输出0的当前值保存区域在A276，A277两个存储单元，分别存放十六进制数的低4 位和高4 位。CW 界限时输入信号为A540.08，CCW 界限对应的信号为A540.09。

2.4 脉冲输出指令

脉冲输出指令主要包括：PULS、SPED、PRV、ORG、PLS2、ACC、PWM 等，下面对各个指令的功能及参数做简要阐述。

（1）PULS

PULS 为脉冲量设定指令，此指令需要设定3 个参数C1、C2 和S。C1 的作用是指定脉冲输出端口。例如使用脉冲输出0 时，设定值为十六进制数0000。C2 的作用是指定脉冲的类型。如果输出为相对脉冲则设为0000，为绝对脉冲设定为0001。S 指定输出脉冲的个数，可以给出具体的数字或是存储单元。

（2）SPED指令

SPED为频率设定指令，同样具有3个参数，其中C1与上述PULS 指令相同，C2 的4 位数字含义各有不同。最高位是固定值0，次高位表示脉冲输出的模式，0表示CW/CCW 模式，而1 表示脉冲和方向模式。次低位是运动方向指定，0表示向CW 正转侧运动，1表示向CCW 反转侧运动。最低位为0时是连续模式输出，为1时是单独模式输出。而S 参数设定的是输出脉冲的频率，可直接给出数值或以D存储单元的形式。

（3）PRV指令

PRV 为脉冲当前值读取指令，参数C1 指定读取端口，参数C2 指定读取内容，如0000 读取当前值，0003读取脉冲输出频率。参数D 存储当前值数据。它是按C2指定的内容从C1 端口读取脉冲的当前值，结果保存在D通道中。

（4）ORG指令

在CPU 的脉冲输出作用中，利用脉冲输出功能驱动电机，电机带动执行部件运动，完成预定的动作后返回起始位置原点。ORG指令具有原点搜索和原点返回的功能。

①原点搜索功能

在PLC 设定选项中，可以设定原点搜索的参数，例如查找方向、查找高速度、查找接近速度等值。设定参数后，将位置信号连接好，包含原点输入信号、CW/CCW 极限信号。对于原点输入信号，需要与脉冲输出0-3 相对应。如对于脉冲输出0，输入0CH 的00 端子固定接入原点输入信号，01 端子固定接入原点附近信号。其他脉冲输出点可参考表2。

表2 脉冲输出对应的原点控制信号

完成参数设定和信号连接后，在梯形图中执行ORG指令，输出脉冲，驱动电动机，搜索原点。在PLC 执行原点搜索功能时，首先从启动频率逐渐加速到最高频率，然后按照最高速度运行，遇到原点附近输入信号时，脉冲逐渐减速，一直到原点搜索附近时速度开始保持，当原点输入信号有效时，PLC 输出脉冲停止，执行部件找到了原点位置。

②原点返回功能

在执行原点返回功能时，电动机带动执行机构可由其他位置向原点返回。电动机的运行速度经过加速，匀速，减速阶段，其中原点返回功能可在PLC 设定中设置加减速比率以及返回速度的具体数值。

ORG 指令共3个参数，C1指定脉冲输出端口，C2指定脉冲输出模式，共4 位十六进制数，最低位和次低位始终为00 固定值。次高位选择脉冲输出方式，如为CW/CCW 脉冲输出则为0，而脉冲加方向输出则为1。最高位为设定工作模式，原点搜索模式设定为0，原点返回模式设定为1[3]。

（5）PLS2指令

PLS2指令为定位控制，共4个参数。参数C1指定脉冲输出端口。参数C2 指定脉冲输出模式，参数S1 指定脉冲的加减速比率、目标频率和脉冲输出量。参数S2指定输出脉冲的启动频率。假设参数S1 存放于D100 单元中，那么D100 内数值为加速比率，D101 内数值为减速比率，D102 和D103 单元分别存放目标频率的低位和高位。D104 和D105 单元存放脉冲输出量设定值的低位和高位，由此可知，指定一个地址单元，而其他连续单元也同时被使用。使用此指令时，需要提前通过数据传送指令给存储单元赋值，指定以上参数具体的数值。

（6）ACC指令

ACC 指令用于频率加减速控制，共3 个参数。C1 作用是指定脉冲输出端口，C2 指定脉冲输出模式，其中最高位固定为0，其余3位依次为脉冲输出方式控制、脉冲方向指定、工作模式设定功能。参数S 指定脉冲的加减速比率和目标频率。假设参数S1 存放于D100 单元中，那么D100 的值为加减速比率的值。D101 和D102 单元存放目标频率的低位和高位。相比较PLS2指令而言，加减速比率由一个单元设定，并且没有脉冲输出量控制单元。

（7）PWM指令

PWM 为脉宽可调信号，参数C1 含义与以上指令相同，参数S1指定脉冲频率值，参数S2指定占空比。例如脉冲占空比为25%，可将25输入到S2参数的位置。

3 脉冲输出控制功能的应用

脉冲输出控制指令在应用时需要考虑以下内容，首先选择脉冲输出端口，脉冲输出方式；根据脉冲输出端口号，选用对应的输入输出端子，对应的特殊功能继电器区域；在编程软件中对PLC 相应的脉冲输出口进行参数设定；最后在编程软件中，利用基本编程指令及脉冲输出控制专用的指令进行程序编写。在本研究中，使用脉冲输出0，实现原点搜索，原点复位，脉冲和频率输出以及当前频率显示功能。脉冲输入0 的原点输入信号为0CH 的00 端子，脉冲输出选用的100CH 的00 和01 端子，分别用于输出CW和CCW脉冲[4]。

3.1 脉冲输出0的设置

在编程软件中，双击左边工程工作区域中的“设置”，弹出PLC 设定对话框，如图1 所示，在选项卡中选择“脉冲输出0”，该界面共分为3 部分，分别是基本设置，定义原点操作，原点返回。在基本设置中，设定未定义的原点为“保持”，限制输入信号操作设定为“只查找”，表示极限信号只有在原点搜索时起作用。限值输入信号为NO常开信号。

图1 脉冲输出0的设置

在定义原点操作中，勾选使用定义原点操作后可进行设置。设置查找方向为CCW 即反转侧。侦测模式为模式2，仅使用原点输入信号，当其由OFF 到ON 时，脉冲输出停止，此位置为原点。查找操作设为反转1，此项设定执行部件在CCW、原点、CW 的不同位置时，返回原点的不同方式[5]。操作模式设为模式1。原点输入信号和接近信号都设为NO 常开信号。查找高速度设为600 p/s，查找接近速度设为200 p/s，加减速比率均设置为10。在原点返回设置中，设置原点返回速度为600 pps，加减速比率设置为10。如果选用脉冲1-3，则需要设置对应的选项卡[6]。

3.2 单独模式控制

单独模式即定位模式，按照指定频率运行固定的脉冲数后停止。按照本研究上述需要实现的功能，需要使用ORG、 SPED、 PULS、PRV 四个指令。I0.02、I0.03 分别为CCW、CW侧的界限输入信号，按照上述特殊功能继电器区域的定义，CW 侧当I0.03 信号为ON 时，A540.08 信号接通为ON。同理，CCW 侧I0.02信号为ON时，A540.09接通。这两个信号为保护信号，当执行部件到左右界限位置时停止运动[7]。程序内容如图2所示。

图2 脉冲输出控制单独模式梯形图

I0.01 信号接通时，执行ORG原点搜索操作，第一个参数设为#0000，表示指定脉冲输出端口0，第二个参数#0000，表示执行原点搜索操作，脉冲输出采用CW/CCW方式。结合PLC设定中的参数，已经设好的搜索方向及模式，进行原点搜索，碰到I0.0信号时，执行机构停止，建立原点位置[8]。

I0.06 信号接通，执行PULS 和SPED 指令。PULS 指令中的第一个参数#0000，指定输出端口0，第二个参数#0001 表示绝对脉冲指定，以刚才建立原点为参考点[9]。D0 表示要输出的脉冲数，可通过MOV 指令传送一个固定值，也可在运行时写入改变当前值。通过以上设置，确定了通过脉冲输出通道输出D0个脉冲。

SPED 指令第一个参数#0000 与以上作用相同。第二个参数#0001，表示脉冲输出模式时CW/CCW 模式，执行机构的运动方向是CW 方向，运动模式为单独模式。脉冲频率为600 Hz[10]。

PRV 指令设置为一直接通，第一个参数#0000，与以上作用相同。第二个参数#0003 表示读取脉冲输出频率。D1000 用于保存读取的脉冲输出频率值。可在运行时监控状态下显示具体数值。

按下I0.05，ORG 执行原点返回操作，第二个参数#1000的最高位1表示执行原点返回操作[11]。

3.3 连续模式控制

连续模式即速度控制模式，按照设定的频率运行，当频率值为0时停止，或使用指令强制停止。

接通I0.01，SPED 指令接通，参数1 的#0000 表示脉冲输出0 工作，参数2 的#0000 表示脉冲输出方式为CW/CCW 方式，脉冲输出方向为CW 方向，工作模式为连续模式[12]。参数S 为500，表示输出频率为500 Hz，执行后PLC输出固定频率值的脉冲。

接通I0.02，ACC 指令接通。ACC 的参数1和参数2 的值均为#0000，含义与上述SPED指令相同。参数2 为D100，其含义在上述内容已作了介绍。数据传送指令MOV 将数值5 传入D100 单元中，其含义为加减速比率为5[13]。数值1 000 传入D101 单元中，表示最高频率为1 000 Hz。通过此指令，设定了加减速比率，最高频率值，使执行机构进行速度的变化。

当处于连续模式时，需通过指令停止脉冲输出，执行机构停止运行。而I0.03接通，ACC 参数各个参数没有改变，但通过数据传送指令将0 存储在D101 单元中，将最高运行频率设置为0，可实现停止运行。在该程序运行时，也可以通过PRV 指令监控当前脉冲的输出值的变化。程序内容如图3所示[14]。

图3 脉冲输出控制连续模式梯形图

4 结束语

在机电设备的运行中，运动控制是必不可少的。通过对CP1H 系列PLC 的脉冲输出控制功能特点的分析，脉冲输出控制端子的正确分配，在软件中控制功能的正确设置，编程中多种指令的正确选用，最终实现对步进或伺服电动机的控制，并实现所连接的执行部件的位置和速度控制。在使用过程中，按照以上的步骤可正确将PLC 的脉冲输出控制功能应用于实际。并且通过使用脉冲输出控制的不同指令，可实现步进或伺服电机工作在单独模式或连续模式的固定速度或加减速运动控制。该类型的PLC接线方式简单，设置界面简洁易操作，脉冲输出控制指令易掌握，是现代制造业从业者的理想选择[15]。