PLC教程理论篇之PLC 用于运动控制一
关键词：脉冲量入（PI）、开关量入（DI）、模拟量入（AI）、脉冲量出（PO）、开关量出（DO）、模拟量出（AO）、电压到频率的转换技术（VF）、位置控制、运动控制、轨迹控制、运动控制多使用脉冲量。脉冲量，其取值总是不断地在 0（低电平）和 1（高电平）间交替变化着的逻辑量。每秒钟脉冲量交替变化的次数称频率。PLC 处理脉冲量的频率低的为几百、几千赫茨，高的为几十、几百千赫。
上个世纪 50 年代诞生的数控技术，简称数控（NC），就是基于脉冲量的应用而不断
展与完善的。它先是用于金属切削机床的运动控制，而今，已用到其它设备、机械手，以至于整个生产线的多方面控制，已是成为当今自动化技术的一个重要支柱。
作为后来者，也已成为当今自动化又一支柱的 PLC，也可处理脉冲量。目前，它不仅有输入、输出脉冲量的接口或模块，而且还有很多处理脉冲量的设定与指令。有的虽为微型机、小型机，但也有很强大的脉冲量处理功能，可经济、有效地，通过脉冲量的处理，进行种种运动及其它物理量控制。
除了位移、速度这样的物理量，可直接转换成脉冲量外，其它物理量转换成电量后，利用电压到频率的转换技术（VF），也可再转换成脉冲量。有了这个技术，用脉冲量也可实现对其它物理量，如温度、湿度、流量等的检测。再加上脉宽调制技术的应用，当今，使用脉冲量，不仅可实现运动控制，而且，也可实现对其它物理量控制。
用脉冲量实现控制的优点是：
系统的工作精度高，且这个精度可得以控制。因为它的精度以脉冲计。减少脉冲当量，即每脉冲对应的物理量的实际值，就可提高控制精度。随着技术进步，脉冲当量可作得非常之小。
资源比较节省，它用串行，而不是并行处理数值。用一个输入（单相时）或输出点（一个位），就可处理，原来用一个通道（16 位）或字节（8 位）才能处理的问题。这里的关键是，当今 PLC 的工作速度很高，可赢得时间。有了时间的富裕，就可换取这个空间的节省。
它的信号传送的电平高，信号失真对其影响也较小，所以，抗干扰能力很强。
由于用脉冲量实现对系统进行控制有这三个优点，所以，近来已用得越来越多。
一、控制类型
PLC 处理输入、输出数据的类型有：脉冲量入（PI）、开关量入（DI）、模拟量入（AI）、脉冲量出（PO）、开关量出（DO）及模拟量出（AO）6 种。与此对应的、与脉冲相关的控制大体有这么几种可能的组合：
1．脉冲量入（PI），开关量出（DO）
这种控制是输入的是脉冲量，而输出是开关量，用于 ON/OFF 输出的闭环控制。
若脉冲频率不高，又是单相的，如每秒不到 100 次，用普通的输入点，即可读入脉冲量。
频率稍高的，又是单相的，可用定时或外中断的子程序的读入脉冲量。若脉冲频率更高，或是双相的，则要用 PLC 的高速计数功能读入脉冲量。
在脉冲读入的同时，还要进行脉冲量的累计。如用了 PLC 的高速计数功能，在读入脉冲的同时，即行这个累计，即计数。计数的或加、或减，则视脉冲输入情况而定。
如未用 PLC 的高速计数功能，那可用计数器或加一（INC）指令读脉冲，就既可读入，又可累计。
计脉冲的同时还要不断地与设定值（给定值）进行比较。并根据比较结果产生相应的开关量（ON/OFF）输出。一般的位置、运动行程控制，或模拟量的 ON/OFF 控制用的就是这个办法。
如要控制速度，一般要计算读入的脉冲频率。并把这个频率与设定值比较，再确定开关量输出。
在这种控制中，比较是关键，所以又称“比较控制”。
2．脉冲量入（PI），模拟量出（AO）
这种控制输入的是脉冲量，而输出是模拟量，这可用于闭环控制，也可是开环控制。
脉冲量读入同上。不过多是要计算频率。用频率的大小代表某物理量的大小。所以这个频率也可作为是反馈量，或称被控量、调节量。
模拟量输出是控制量。它从给定量与反馈量比较，并按一定算法，如 PID，处理后得到的值，然后通过模拟量输出模块再加载给被控对象。
这种控制被控对象是脉冲量，又是闭环的，故也可称为脉冲量闭环控制。
脉冲量入、模拟量出也可用于开环控制。如一个模拟量（PLC 对其控制）要跟踪一个脉冲量（用 PLC 高速计数功能去读该运动发出的脉冲）的变化就是开环控制。这也就是比例控制。
3．模拟量入（AI），脉冲量出（PO）
这种控制是输入的是模拟量，而输出为脉冲量，可是闭环控制，也可是开环控制。
模拟量可作为反馈量，或称被控量、调节量。但控制量是脉冲量。从给定量、反馈量，按一定算法得出控制量，在上一章已作了很多介绍。而得出的控制量后，怎么产生脉冲量输出有三种可能可供选择：
输出固定频率的脉冲，但脉冲数量可调，其值取决于控制量；
连续输出脉冲，但频率可调，其值取决于控制量；
连续输出固定频率的脉冲，但脉宽可调，其值取决于控制量。
plc模拟量怎么编程选定后，作必要的设定，再选用相应的处理指令，即可达到目的。
这种控制被控量是闭环的，又用有脉冲量，故故应算是脉冲量闭环控制的一种。
模拟量入、脉冲量出也可用于开环控制。如一个脉冲量（PLC 对其控制）要跟踪一个模拟量（用 PLC 读该值）的变化，就是开环控制。这也就是比例控制。
4．脉冲量入（PI），脉冲量出（PO）这种控制是输入、输出都是脉冲量。用它可实现闭环控制，也可实现开环控制。
在前一章，讨论的模拟量的种种闭环控制（含 PID、模糊等智能控制），一般也都可用它实现。与前不同的只是，这里用的都是脉冲量，而以前用的都是模拟量。
这种控制被控对象也是脉冲量，又也是闭环的，故也可称为脉冲量闭环控制。
脉冲量入、脉冲量出也可用于开环控制。如一个运动（PLC 的脉冲输出控制）要跟踪另一个运动（用 PLC 高速计数功能去读该运动发出的脉冲）就是开环控制。也就是比例控制。
5．开关量入（DI），脉冲量出（PO）
这种控制是输入的是开关量，而输出为脉冲量，应算是开环控制。因为，这里的开关量只是发送控制命令。命令发出后，即根据预定要求启动脉冲量输出程序，输出脉冲量。而输出的结果是不予反馈的。
脉冲量输出程序，有一个坐标（一个输出点）的，也有多个坐标（多个输出点）的。在多个坐标中，有坐标控制不相关的，也有相关的。后者要使两个坐标的运动协调的，以达到按一定轨迹运动。
发出脉冲的办法有：通过普通的半导体输出的输出点（频率不高时），用基本指令控制；
通过指定的输出点（也是半导体输出），用脉冲输出指令（小型机多有这个指令）控制；通过位置控制或运动控制单元的输出点，用该单元的相关命令控制。等等。
开环控制较简单，而且，还能对运动实现协调与精确的控制，这确是它的一大优点。数控（NC）技术用的多是这个控制。
开环控制，总是按预先设定好的程序工作，故也称为（数字）程序控制。
2、控制目的
PLC 脉冲量控制目的有：
1．位置控制
位置控制用以控制对象的位置移动，也称定位控制。如立体仓库的操作机取货、送货，首先就要定位，要移动到指定的目标位置，才能进行相关操作。
位置控制可以用闭环控制，也可用开环控制。
闭环控制总是要得知脉冲量的变化，并依此确定进一步的该怎么控制。具体是，脉冲量入（PI），开关量出（DO）或模拟量出（AO）。脉冲量入是，读入脉冲。读入后与设定值（控制要求）比较。再根据比较结果确定相应的开关量出（DO）或模拟量出（AO）。进而
实现位置控制。
开环控制可不管脉冲量是怎么变化，总是按原定的目标进行控制。具体是，开关量入（DI）或模拟量入（AI），脉冲量出（PO），也可按设定的程序（预定要求）输出脉冲。不管那一种，它都要用到 PLC 的脉冲输出功能（或用脉冲输出点，或用位置控制单元），要按要求输出脉冲，以实现位置控制。
2．运动控制
它不仅控制目标位置，而且要控制到目标位置间的运动规律。这些规律指，有确定的起动速度、加速度、运行速度、减速度、结束速度等。
位置控制再加上运动控制，可实现更为准确的定位。
运动控制可以是开环，也可是闭环。
3．轨迹控制
它用于多个坐标的运动控制，不仅控制目标位置，控制运动规律，还要控制坐标间的位置协
调。其目的是使对象能按要求的轨迹运动。
基于计算机的技术的 NC 是实现这个要求的最好方法，用它可实现复杂型面的单件、小批量生产的自动化，已发展到非常完善的境地。NC 系统功能很强，如 NC 系统多的可达五、六轴协调控制。还有很多其它功能。但它很复杂，价格昂贵。
PLC 对脉冲量进行控制，也可实现 NC 的某些功能，如目前也可实现三轴协调控制…，数据长度可能短些，但比 NC 要简单得多，价格比 NC 也要低得多。
特别在近期，不少 PLC 厂家推出种种运动控制单元，不仅可进行两轴或多轴的位置控制，可形成种种曲线轨迹，还可用数控的 G 语言编程（要另用有关编程器），而无需梯形图。
可存储的程序也多，操作更方便。为在 PLC 中使用 NC 技术开辟了新的前景。
4 模拟量控制
以上三个目的，都是针对运动量控制的。这也是早期脉冲量控制的目的。如今，随着脉冲技术的发展，脉冲生成器、执行器的不断开发与完善。用部分脉冲量（入或出有一个用脉冲量）
，或全部用脉冲量（入出全用脉冲量），对其它模拟量进行控制，包括基本反馈控制、PID 控制、模糊控制及其它智能控制也都可实现。有关的目的，如保持被控量定植（定值控制）、使被控量跟随别的量变化（随动控制）或按一定程序变化（程序控制），等等，也都可达到。
三、输出方法
输出脉冲，中、大型机使用位置控制或运动控制单元。这些单元都有自己的CPU、内存及输出、输入点。通过与PLC CPU交换数据，或预先设定，可确定用那个输出点发送脉冲，送多少脉冲，以及脉冲的频率多大等。确定之后，无须 PLC CPU干预，可自行工作。所以，这类PLC就没有自身的脉冲输出口，也没有脉冲输出指令。
有的小型机也有位置控制单元，用它时，其特点与中、大型机相同。但小型机即使不配置位置控制单元，仍都有输出脉冲的资源。
1．用内置脉冲输出点输出脉冲
小型机多都内置有脉冲输出资源。一般有 2 个输出点（如 CPM2A 为 10.00 及 10.01 、S7-200 为 Q0.0 及 Q0.1、FX2N 为 Y000 及 Y001），并具有脉冲输出指令。使用这些指令，可按要求产生脉冲输出。一旦这些点指定用于脉冲输出，将不能再用作正常输出。
由于脉冲输出频率都较高，所以，应选用半导体输出的 PLC。否则将影响 PLC 的工作速度与寿命。