传送装置设计论文光体积检测系统传送装置控制设计

南京工业大学毕业设计 题目：激光体积检测系统传送 装置控制设计 学生姓名：李满学号： P1501080718专业：自动化班级：浦自0807指导教师：孙冬梅2012年6月III体积检测系统传送装置控制设计摘要激光体积检测系统的传送装置的控制中，实现对PLC控制电机，对传送带的速度调节和开关控制。同时完成与硬件系统的通讯，实现速度信息、开关信息等信号的上传的目标。本课题以可编程逻辑控制器（PLC）、步进电机为基础，采用PLC控制技术，开展该控制技术的测试，实现了PLC对步进电机开关、正反转、加减速等控制。本文以成熟可靠的可编程逻辑控制技术和具备诸多优点的步进电机为课题背景，论述了基于西门子PLC驱动控制步进电机技术开发过程，主要完成课题中系统硬件及软件的设计。首先介绍了PLC应用现状与发展趋势与其的应用前景。其次，介绍了步进电机及其驱动器的应用和性能特点。另外，本文还介绍了STEP7编程软件的使用方法。本文最后提出了设计中的一些不足之处和对今后的一些要求。论文结尾附有传送装置控制系统机械结构图。关键词：PLC步进电机驱动器Design of Volume Detection System Transfer Device Control AbstractTo achieve the PLC to control the motor, the conveyor speed adjustment and switching control. At the same time to complete a communications system with hardware to achieve the goal of upload speed information, the switch information signal. The topic is base to the programmable logic controller (PLC) and stepper motor. Use the PLC control technology to carry out the testing of the control technology to achieve a PLC control of the stepper motor switch, rotating, and acceleration and deceleration. This thesis is use the Proven programmable logic control and the stepper motor that has many advantages as a subject background, it discusses about the process that based on Siemens PLC how to control the stepper motor , mainly to complete the system of hardware and software design. First introduced the status quo and development trend of the PLC application and its application prospects. Secondly, introduce the application and performance characteristics of a stepper motor and its driver. In addition, this article describes the use of the STEP 7 programming software. This article concludes with some inadequacies in the design and some of the requirements for the future. Paper at the end with Transmission device control system mechanical structure diagram. Key words: PLC； stepper motor ；Stepper motor driver目录摘要IAbstractII第一章 绪 论11.1概述11.2可编程逻辑控制器的发展现状21.3 现代物流系统中PLC技术应用的状况31.4 本文的主要工作3第二章 传送装置控制系统硬件设计52.1系统总体设计方案52.2 步进电机简介52.2.1 步进电机的分类及其基本参数62.2.2 步进电机的选择82.2.3 步进电机驱动电路92.2.4 步进电机主要特点122.3 S7200介绍及具体CPU选型132.3.1 S7200介绍132.3.2 CPU选型及其设计142.4 PLC驱动步进电机17第三章 控制系统的软件设计193.1 STEP7概述193.1.1 STEP 7的硬件接口193.1.2 STEP 7的编程功能193.2系统流程图213.3主/子程序及其实现功能的详细解释223.3.1本程序所用变量223.3.2主程序233.3.3初始化子程序253.3.4自由口通讯协议子程序26第四章 系统调试与结果27结语29参考文献30致谢31附录1：传送装置控制系统机械结构图32南京工业大学本科生毕业设计（论文）第一章 绪 论1.1概述现代物流是将信息、运输、仓储、库存、装卸搬运以及包装等物流活动综合起来的一种新型的集成式管理。系统对基于激光测量技术的体积测量装置设计，实现体积、重量分析计算。系统运用成熟可靠的激光测量技术1，能精确测量各种类型的物品。当物品通过输送机上的体积测量框时，其轮廓就会被扫描，在速度非常快的情况下也能精确检测出所有任何形态的物品。该技术以激光为基础2，排除了其他光和照明的需求，使该装置能独立运作，不受颜色，物品质地和输送皮带的影响。本项目搭建体积测量系统的传送控制系统，采用PLC控制电机，实现对传送带的速度调节和开关控制。同时完成与硬件系统的通讯，实现速度信息、开关信息等信号的上传。激光技术用于检测工作主要是利用激光的优异特性，将它作为光源，配以相应的光电元件来实现的。它具有精度高、测量范围大、检测时间短、非接触式等优点，常用于测量长度、位移、速度、振动等参数3。在激光技术发展过程中因其高的分辨率，可以直接用于物体外部4尺寸、轮廓以及位移和有关物理量的测量。激光检测技术属于非接触式测量技术，与接触式测量方法相比，具有限制更少、效率更高、不损伤测量表面、不易受被测对象表面状态影响等优点，因此高精度的激光检测技术越来越广泛地应用到精密、超精密加工中5。超精密加工技术，其精度从微米级到亚微米级、纳米级，在高技术领域和军用工业以及民用医疗工业中都有大量需求。另外我们知道步进电动机已成为除直流电动机和交流电动机以外的第三类电动机6，传统电动机作为机电能量转换装置，在人类的生产和生活进入电气化过程中起着关键的作用。可是在人类社会进入自动化时代的今天，传统电动机的功能已不能满足工厂自动化和办公自动化等各种运动控制系统的要求。为适应这些要求，发展了一系列新的具备控制功能的电动机系统，其中较有自己特点，且应用十分广泛的一类便是步进电7。1.2可编程逻辑控制器的发展现状可编程逻辑控制器8（Programmable Logic Controller，简称PLC 或PC）是专为在工业环境下应用而设计的一种数字运算操作电子系统。它采用了可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字量、模拟量的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC 是微机技术与传统的继电接触控制技术相结合的产物，它克服了继电接触控制系统中的机械触点的接线复杂、可靠性低、功耗高、通用性和灵活性差的缺点，充分利用了微处理器的优点。PLC 的主要特点9如下：A. 用内部已定义的各种辅助继电器代替机械触点继电器9，通过软件编程方式用内部逻辑关系代替实际的硬件连接导线，这些内部继电器的节点变位时间可理想化地认为等于零，因此只需考虑它的0-1 状态而无需考虑传统继电器所固有的返回系数；B. 可靠性高，抗干扰能力强，适用于复杂的工业环境；C. 配套齐全，功能完善，适用性强，易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充其功能；D. 易学易用，照顾到现场电气操作维修人员的技能与习惯，特别是PLC 的程序编制采用简单指令形式，使用户程序编制形象、直观、方便易学。PLC作为工控机的一员，在主要工业国家中成为自动化系统的基本电控装置。它具有控制方便、可靠性高、容易掌握、体积小、价格适宜等特点。据统计，当今世界PLC生产厂家约150家，生产300多个品种。2000年销售额约为86亿美元，占工控机市场份额的50%，PLC将在工控机市场中占有主要地位，并保持继续上升的势头。PLC在60年代末引入我国时，只用作离散量的控制，其功能只是将操作接到离散量输出的接触器等，最早只能完成以继电器梯形逻辑的操作。新一代的PLC具有PID调节功能，它的应用已从开关量控制扩大到模拟量控制领域，广泛地应用于航天、冶金、轻工、建材等行业。但PLC也面临着其它行业工控产品的挑战，各厂家正采取措施不断改进产品，主要表现为以下几个方面101.微型、小型PLC功能明显增强2.集成化发展趋势增强由于控制内容的复杂化和高难度化，使PLC向集成化方向发展，PLC与PLC集成、PLC与DCS集成、PLC与PID集成等，并强化了通讯能力和网络化，尤其是以PC为基的控制产品增长率最快。3.向开放性转变 PLC曾存在严重的缺点，主要是PLC硬件体系结构是封闭而不是开放的，使各种PLC互不兼容。国际电工协会(IEC)在1992年颁布了IEC1131-3可编程序控制器的编程软件标准，为各PLC厂家编程的标准化铺平了道路。我国的PLC生产目前也有一定的发展，小型PLC已批量生产；中型PLC已有产品；大型PLC已开始研制。国内PLC形成产品化的生产企业约30多家，国内产品市场占有率不超过10%。经过30 多年的发展，PLC 已十分成熟与完善，尤其在顺序控制、开关量逻辑运算和处理这两方面具有显著优势，而模拟量闭环控制也已非常成熟。PLC技术自从引入我国的电力行业后就得到了广泛应用，并发展壮大。1.3 现代物流系统中PLC技术应用的状况现代物流是将信息、运输、仓储、库存、装卸搬运以及包装等物流活动综合起来的一种新型的集成式管理。它使用先进的技术、设备与管理为销售提供服务，生产、流通、销售规模越 标准的现代物流企业和第三方物流大、范围越广，物流技术、设备及管理越现代化。现代物流5的发展趋势呈现出全球化、多功能化、信息化、自动化和智能化的特征，其中信息化是现代物流的核心。在物流系统中PLC11技术得到了广泛的应用，现代物流的包装加工、仓储、分拣和传送等均是采用PLC技术进行控制。该技术可以扩大物流作业能力、提高劳动生产率、减少物流作业的差错等。用自动化技术和信息技术对传统物流业务进行优化整合，达到降低成本、提高水平的目的。1.4 本文的主要工作本传送控制系统具体完成硬件上功能有： 1）对步进电机进行开关、正反加减速运行等控制，从而实现传送带的控制。2）实现PLC与体积测量仪的接口的通讯。软件上实现功能有：1）通过改变PLC的刷新输出频率参数实现对步进电机转速的控制。2）实现对整个系统的控制。本设计基于体积测量仪的软件硬系统，完成传送带系统的控制功能和与体积测量仪通讯。通过该毕业设计，可以提我们的工程实践能力和软件开发能力。本文完成PLC系统硬件设计，电源模块设计，开关、按钮等接口的选型，控制电机正反转让运行以及与体积测量仪的接口。31南京工业大学本科生毕业设计（论文）第二章 传送装置控制系统硬件设计2.1系统总体设计方案 系统框图如图2-1所示：开关、正反转、速度调节按钮。体积激光扫描仪传送带电机PLC电源PC/PPI图2-1系统框图本控制系统可分为五部分：体积激光扫描仪、PLC、传送带电机开关、正反转、速度调节按钮和电源。其中PLC是本系统的主控制单元，当开关按钮给它发出开关信号时，它将很据预定的程序执行，进而控制电机的运行状态。体积激光扫描仪与PLC之间的通讯是双向的，扫描仪将传送带上物品的位置告诉PLC，而PLC将所计算得的物品长度发送给扫描仪。电源模块为每个单元供电。2.2 步进电机简介步进电动机是一种将数字脉冲信号转换成机械角位移或者线位移的数模转换元件12。在经历了一个大的发展阶段后，目前其发展趋于平缓。然而，由于电动机的工作原理和其它电动机有很大的差别，具有其它电动机所没有的特性。因此，沿着小型、高效、低价的方向发展。步进电动机由此而得名。步进电动机的运行是在专用的脉冲电源供电下进行的，其转子走过的步数，或者说转子的角位移量，与输入脉冲数严格成正比。步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一， 广泛应用在各种家电产品中，例如打印机、磁盘驱动器、玩具、雨刷、机械手臂和录像机等。另外步进电机也广泛应用于各种工业自动化系统中。由于通过控制脉冲个数可以很方便的控制步进电机转过的角位移，且步进电机的误差不积累，可以达到准确定位的目的。还可以通过控制频率很方便的改变步进电机的转速和加速度，达到任意调速的目的，因此步进电机可以广泛的应用于各种开环控制系统中。2.2.1 步进电机的分类及其基本参数步进电机的分类：1）永磁式步进电机一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5度或15度。2）反应式步进电机一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为1.5度，但噪声和振动都很大。3）混合式12步进电机是指混合了永磁式和反应式的优点，它又分为两相和五相。两相步进角一般分为1.8度而五相步进角一般为 0.72度，这种步进电机的应用最为广泛。三相混合式步进电机的结构如图图2-2所示。左边给出混合式步进电动机的轴向剖面图。定子铁心的齿槽与磁阻式电动机相同，和永磁式电动机一样配置有双绕组或单绕组，分别适用于单极性驱动或双极性驱动。转子中含有一个轴向磁化的永磁体，这个永磁体产生一个单向磁场，磁路通过转子、气隙和定子闭合。由软磁材料制作的两段转子分别被永磁体磁化为N极和S极，A-A和B-B截面分别表示了S段和N段转子。图中可以看到两段转子具有相同的齿数，但是错开半个齿距。图2-2 三相混合式步进电机的结构图下面利用图2-3进一步说明混合式步进电动机的工作原理。图中的电动机定子有4个沿圆周均匀分布的齿，线圈绕制在齿上且成对连接。具有不同极性的两段转子各有3个齿。图中以实线表示S段，以虚线表示N段，两段转子交错半个齿距。 当绕组中不通电流时，因为转子中的永磁体总是试图减少磁路中的磁阻，转子将趋向有限的若干位置，直至N极和S极转子上各有一齿与定子磁极对齐。对于图中的电机来说，这样的位置有12个。将转子保持在这些位置上的转矩通常不大，称之为维持转矩。图2-3混合式步进电机工作原理如果如图11. 28(a)那样有电流通过一相绕组，在定子上产生的N极和S极将吸引异性转子段上的齿，在这种情况下，只有和转子的齿数一样的3个稳定位置，将转子从定位位置上拉开的转矩要大得多，称为锁定转矩。 将通电方式由图(a)切换至图(b)，定子磁场转过90。，并将吸引另一对齿，结果转子旋转了30。，相当于一个整步。在从图(b)到图(c)中，励磁又回到前一绕组，但是电流方向相反，可使转子再前进一整步。在图(d)中再使第二相绕组电流反向又可前进一步。这样转子就走过了一个齿距。步骤从图(d)后再回到图(a)，如此反复，形成电动机的旋转运动，每转需要12步。显然，以相反的顺序激励定子绕组，电动机将反转。步进电机的基本参数：1.电机固有步距角 它表示控制系统每发一个步进脉冲13信号，电机所转动的角度。电机出厂时给出了一个步距角的值，这个步距角可以称之为“电机固有步距角”，它不一定是电机实际工作时的真正步距角，真正的步距角和驱动器有关。2.步进电机的相数 步进电机的相数是指电机内部的线圈组数，目前常用的有二相、三相、四相、五相步进电机。电机相数不同，其步距角也不同，一般二相电机的步距角为0.9/1.8、三相的为0.75/1.5、五相的为0.36/0.72 。在没有细分驱动器时，用户主要靠选择不同相数的步进电机来满足自己步距角的要求。如果使用细分驱动器，则“相数”将变得没有意义，用户只需在驱动器上改变细分数，就可以改变步距角。3.保持转矩 保持转矩是指步进电机通电但没有转动时，定子锁住转子的力矩。它是步进电机最重要的参数之一，通常步进电机在低速时的力矩接近保持转矩。由于步进电机的输出力矩随速度的增大而不断衰减，输出功率也随速度的增大而变化，所以保持转矩就成为了衡量步进电机最重要的参数之一。比如，当人们说2Nm的步进电机，在没有特殊说明的情况下是指保持转矩为2Nm的步进电机。 4.钳制转矩 钳制转矩是指步进电机没有通电的情况下，定子锁住转子的力矩。由于反应式步进电机的转子不是永磁材料，所以它没有钳制转矩。2.2.2 步进电机的选择 1）型号：130BYG350A（三相混合式）如图 图2-4三相混合式步进电机实物图2）步距角精度5%温 升80 Max环境温度-20+50绝缘电阻00MMin.500VC DC绝缘强度000V 50Hz 1mA 1Minu绝缘等级 B3)技术数据如下 表2-1 步进电机的技术参数电机型号步距角相电压相电流相电阻相电感保持转矩重量长度单轴degreeVAmHN.mkgmm130BYG350A1.2/0.680-32550.84.123131704)外型尺寸如下图： 图2-5 130BYG350A三相混合式步进电机尺寸5）接线图如图：图2-6 130BYG350A三相混合式步进电机接线2.2.3 步进电机驱动电路2.2.3.1驱动器选型本设计采用混合式步进电机驱动器型号：MD-3008A 如图：图2-7 MD-3008A步进电机驱动器的实物图 一该型号驱动器的特点14:1采用交流伺服控制原理，在控制方式上增加了全数字式电流环控制，三相正弦电流驱动输出，使三相混合式电机低速无爬行，无共振区，噪音小。2驱动器功放级的电压最高可达DC325伏，步进电机高速运转仍然有高转矩输出。3具备短路、过压、欠压、过热等完善保护功能，可靠性高。4具有细分、半流和掉电相位记忆功能。5具有多种细分选择，可控制电机在任意细分状态下精确定位，最小步距角可设为0.036（10000步/转）。适用面广，通过设置不同相电流可配置各种电机。二驱动器对步距角的细分和输出相电流将“电机固有步距角”细分成若干小步的驱动方法，称为细分驱动，细分是通过驱动器精确控制步进电机的相电流实现的，与电机本身无关。1：设置电机每转步数, 使用拨码(DIP)开关来设置步数。按下表:表2-2 拨码(DIP)开关来设置步数表SW10O11OO11SW21OO11OO1SW31111OOOO电机步数2004005001000200040005000100002：输出相电流：表2-3 拨码(DIP)开关来设置输出相电流表SW5111111110000SW6111100001111SW7110011001100SW8101010101010电流1.72.02.42.73.13.43.74.14.44.85.15.4注意：第4位拨码(DIP)开关无效三. 电气参数：表2-4 步进电机驱动器的电气参数输入电源1.7A6.8A驱动方式PWM（脉宽调制）恒流斩波，三相正弦波电流输出。适配电机90、110、130系列三相混合式步进电机工作环境0501585%RH、不结露。无腐蚀性、易燃、易爆、导电性气体、液体和粉尘。存放环境050 1585%RH、不结露。外形尺寸255*143*85mm(见外观尺寸)(长*宽*高)重 量1.5Kg2.2.3.2驱动器电路下图为步进电机的驱动电路16。图中仅为一相的驱动电路，其余两相与之相同。在图中三极管 T1 起开关作用。当三极管截止时，无集电极电流流通，开关相当于断开；当三极管饱和时， 流过的集电极电流最大， 开关相当于闭合，该开关“动作”可由加于基极的电流来控制。由 T2、T3 两个三极管组成达林顿式功放电路， 驱动步进电机的 3个绕组，使电机绕组的静态电流达到近 2A。电路中使用光电耦合器将控制和驱动信号隔离。当控制输入信号为低电平时，T1 截止，输出高电平，则红外发光二极管截止，光敏三极管不导通，因此绕组中无电流流过；当输入信号为高电平时，T1 饱和导通， 于是红外发光二极管被点亮， 使光敏三极管导通，向功率驱动级晶体管提供基极电流， 使其导通，绕组被通以电流。图2-8 步进电机驱动电路2.2.3.3驱动电路接口 驱动 C V A B C步进电机驱动电源图2-9 驱动器接口2.2.4 步进电机主要特点1）一般步进电机的精度15为步进角的3-5%，且不累积。2）步进电机外表允许的最高温度取决于不同电机磁性材料的退磁点，步进电机温度过高时会使电机的磁性材料退磁，从而导致力矩下降乃至于失步，因此电机外表允许的最高温度应取决于不同电机磁性材料的退磁点；一般来讲，磁性材料的退磁点都在摄氏130度以上，有的甚至高达摄氏200度以上，所以步进电机外表温度在摄氏80-90度完全正常。3）步进电机的力矩会随转速的升高而下降。当步进电机转动时，电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势；频率越高，反向电动势越大。在它的作用下，电机随频率（或速度）的增大而相电流减小，从而导致力矩下降。4）步进电机低速时可以正常运转，但若高于一定速度就无法启动，并伴有啸叫声。步进电机有一个技术参数：空载启动频率，即步进电机在空载情况下能够正常启动的脉冲频率，如果脉冲频率高于该值，电机不能正常启动，可能发生丢步或堵转。在有负载的情况下，启动频率应更低。如果要使电机达到高速转动，脉冲频率应有加速过程，即启动频率较低，然后按一定加速度升到所希望的高频。 2.3 S7200介绍及具体CPU选型2.3.1 S7200介绍S7-20016 是一种小型的可编程序控制器，适用于各行各业，各种场合中的检测、监测及控制的自动化。S7-200系列在集散自动化系统中充分发挥其强大功能。使用范围可覆盖从替代继电器的简单控制到更复杂的自动化控制。应用领域极为广泛，覆盖所有与自动检测，自动化控制有关的工业及民用领域，包括各种机床、机械、电力设施、民用设施、环境保护设备等等。如：冲压机床，磨床，印刷机械，橡胶化工机械，中央空调，电梯控制，运动系统。S7-200系列的强大功能使其无论在独立运行中，或相连成网络皆能实现复杂控制功能。因此S7-200系列具有极高的性能/价格比。 S7-200系列出色表现在以下几个方面：1） 极高的可靠性。2） 极丰富的指令集。3）易于掌握。4） 便捷的操作。5）丰富的内置集成功能。6） 实时特性。7） 强劲的通讯能力。8）丰富的扩展模块。2.3.2 CPU选型及其设计本系统所选PLC的型号为CPU22417。其外观图如图。（1） （2）图2-10 CPU224外观和尺寸图该型号中央处理单元（CPU）的数据概述：1) CPU 常规规范表2-5 CPU 常规规范参数模块称及描述尺寸 W x H x D（mm）重量功耗电流供应+5DC+2DCCPU 224 DC/DC/DC14输入/10输出120.5 x 80 x 62360g7W660mA280mA2) CPU224技术规范表2-6 CPU 常规规范参数CPU 特性本机数字输入14 路数字量输入本机数字输出10 路数字量输出高速计数器 (32-位值)6 个高速计数器总数6 个都是20 kHz 时钟速率 单相计数器个数4 个都是20 kHz 时钟速率 两相计数器个数2 个，20 kHz 脉冲速率脉冲输出1 个，8 位分辨率模拟电位器2 个，1 ms 分辨率时间中断4 个上升沿和/或 4 下降沿边沿中断7 个，范围 0.2 ms 12.8 ms可选择的输入滤波器时间14 个脉冲捕捉输入时钟 (时钟精度)0C 55C 时，7分种/月扩展模块的数量7 个模块最大的数字量 I/O256定时器总数256 定时器 1 ms4 定时器（T0,T32,T64,T96） 10 ms16 定时器(T1T4,T33T36,T65T68,T97100)100 ms236 定时器(T5T31,T37T63,T96T95,T101T255)计数器总数256 计数器(C1C255) 布尔量执行速度0.37s 每条指令传送字的执行速度34s 每条指令定时器/计数器执行速度50s 64s 每条指令电源电源电压允许范围20.4 28.8 VDC(一般取24V)输入电流 仅 CPU / 最大负载120/900 mA，24 VDC+5 V 扩展I/O模块电源 (最大)660 mA24 VDC 传感器电源输出电压范围15.4 28.8 VDC随着微电子技术和计算机技术的发展，可编程序控制器有了突飞猛进的发展18，其功能已远远超出了逻辑控制、顺序控制的范围。继续沿着小型化的方向发展。随着电动机本身应用领域的拓宽以及各类整机的不断小型化，要求与之配套的电动机也必须越来越小。对电动机进行综合设计。即把转子位置传感器，减速齿轮等和电动机本体综合设计在一起，这样使其能方便地组成一个闭环系统，因而具有更加优越的控制性。向五相和三相电动机方向发展，目前广泛应用的二相和四相电动机，其振动和噪声较大，而五相和三相电动机具有优势性。而就这两种电动机而言，五相电动机的驱动电路比三相电动机复杂，因此三相电动机系统的性能价格比要比五相电动机更好一些。目前利用可编程序控制器（即PLC技术）可以方便地实现对电机速度和位置的控制，方便地进行各种步进电机的操作，完成各种复杂的工作，它代表了先进的工业自动化革命，加速了机电一体化的实现。用PLC对步进电机也具有良好的控制能力，利用其高速脉冲输出功能或运动控制功能，现对步进电机的控制。步进电机是一种将电脉冲信号转换成直线位移或角位移的执行元件19，每当对其施加一个电脉冲时，其输出轴便转过一个固定的角度。步进电机的输出位移量与输入脉冲个数成正比，其转速与单位时间内输入的脉冲数(即脉冲频率)成正比，其转向与脉冲分配到步进电机的各相绕组的相序有关。所以只要控制指令脉冲的数量、频率及电机绕组通电的相序，便可控制步进电机的输出位移量、速度和转向。PLC直接控制步进电机系统由PLC和步进电机组成，PLC具有实时刷新技术，输出信号的频率可以达到数千赫兹或更高，使得脉冲分配能有很高的分配速度，充分利用步进电机的速度响应能力，提高整个系统的快速性。并且，PLC有采用大功率晶体管的输出端口，能够满足步进电机各相绕组数10V级脉冲电压、1A级脉冲电流的驱动要求。有以上步进电机的工作原理以及工作方式我们可以看出：控制步进电机最重要的就是要产生出符合要求的控制脉冲。西门子PLC本身带有高速脉冲计数器和高速脉冲发生器，其发出的频率最大为10KHz，能够满足步进电动机的要求。对PLC提出两个特性要求。一是在此应用的PLC最好是具有实时刷新技术的PLC，使输出信号的频率可以达到数千赫芝或更高。其目的是使脉冲能有较高的分配速度，充分利用步进电机的速度响应能力，提高整个系统的快速性。二是PLC本身的输出端口应该采用大功率晶体管，以满足步进电机各相绕组数十伏脉冲电压、数安培脉冲电流的驱动要求。如下图所示：图2-11步进电机的PLC直接控制2.4 PLC驱动步进电机西门子PLC20本身带有高速脉冲计数器和高速脉冲发生器，其发出的频率最大为10KHz，能够满足步进电动机的要求。对PLC提出两个特性要求。一是在此应用的PLC最好是具有实时刷新技术的PLC，使输出信号的频率可以达到数千赫芝或更高。其目的是使环形脉冲分配能有较高的分配速度，充分利用步进电机的速度响应能力，提高整个系统的快速性。二是PLC本身的输出端口应该采用大功率晶体管，以满足步进电机各相绕组数十伏脉冲电压、数安培脉冲电流的驱动要求。如下图所示：图2-12 PLC直接驱动电机环形分配程序对步进电机各相绕组的通电顺序进行环形脉冲分配，从而控制接到步进电机三相绕组的48V直流电源的依次通、断，形成旋转磁场，使步进电机转动。步进电机的转动，由于步进电机是电感性负载，直流电阻很小，故接限流电阻以免脉冲电流过大损坏，当步进电机各相绕组的通电顺序按 ：AABBBCCCAA导通断开时，步进电机正转。按AACCCBBBAA依次导通、断开时，步进电机反转，即步进电机可以按三相六拍工作。每当步进电机走一步，环形脉冲分配程序的步数减一，当步数减为零时，停止环形脉冲分配，等待下一次的脉冲输入。南京工业大学本科生毕业设计（论文）第三章 控制系统的软件设计3.1 STEP7概述STEP7编程软件22用于SIMATIC S7、M7、C7和基于PC的WINAC，是供它们编程、监控和参数设置的标准工具。STEP 7具有以下功能：硬件配置和参数设置、通信组态、编程、测试、启动和维护、文件建档、运行和诊断功能等。在STEP 7中，用项目来管理一个自动化系统的硬件和软件。STEP 7用SIMATIC管理器对项目进行集中管理，它可以方便地浏览SIMATIC S7、M7、C7和WINAC的数据。实现STEP 7各种功能所需的SIMATIC软件工具都集成在STEP 7中。3.1.1 STEP7的硬件接口STEP7与windows操作系统的通讯方式23有3种： 通过PC/PPI多主站电缆直接连接； 通过带有MPI电缆的通信处理器卡连接； 通过一块MPI和配套的电缆相连接。要将计算机连接至S7-200，由于S7-200 CPU使用的是RS485，而PC机的COM口采用的是RS232，两者的电气规范并不相容，需要用中间电路进行匹配。PC/PPI其实就是一根RS485/RS232的匹配电缆。采用PC/PPI电缆建立个人计算机与PLC之间的通信是最常见和最经济的方式，它不需要其他的硬件设备，方法是把PC/PPI电缆的PC端连接到计算机的RS-232通讯口（一般是COM1），而把PC/PPI的PPI端连接到PLC的RS-485通讯口即可。3.1.2 STEP7的编程功能STEP 7的标准版只配置了3种基本的编程语言20，梯形图（LAD）、功能块图（FDB）和语句表（STL）、复制和粘贴功能。语句表是一种文本编程语言，使用户能节省输入时间和存储区域，并且“更接近硬件”。STEP 7专业版的编程语言包括S7-SCL（结构化控制语言）、S7-GRAPH（顺序功能图语言）、S7 HIGRAPH和CFC，这四种语言对于标准版是可选的。STEP 7用符号表编辑器工具管理所有的全局变量，用于定义符号名称、数据类型和全局变量的注释。使用这一工具生成的符号表可供所有应用程序使用，所有工具自动识别系统参数的变化。测试功能和服务功能包括设置断点、强制输入和输出、重新布线、显示交叉参考表、状态功能、直接下载和调试块、同时监测几个块的状态等。程序中的特殊点可以通过输入符号名或地址快速查找。STEP 7的帮助功能：选定想要得到的在线帮助的菜单目录，或打开对话框，按F1键便可得到与它们有关的在线帮助。执行菜单命令“HELP”“CONTENTS”进入帮助窗口，借助目录浏览器寻找需要的帮助主题，窗口中的检索部分提供了按字母顺序排列的主题关键词，可以查找与某一关键词有关的帮助。3.2系统流程图 系统停止运行状态指示是否启动动？传送带运行PLC计数器开始计数是否有停止信号？扫描仪是否收到信号1#扫描仪是否收到信号2#并发送脉冲数是是否否是是否否开始PLC计数器停止计数延时30ms 图3-1 程序流程图3.3主/子程序及其实现功能的详细解释3.3.1本程序所用变量本程序中的I/O量、中间变量、存储变量和部分特殊标志位的功能描述如表所示：表3-1 I/O量、中间变量、存储变量和部分特殊标志位的功能描表操作元件功能描述输入量I0.0停止信号输入端I0.1电机正转控制信号输入端I0.2电机反转控制信号输入端I1.5启动高速计数器输入端输出量Q0.0正转信号输出端Q0.1反转信号输出端中间变量M0.0当停止端I0.0输入有效时，M0.0将得电，从而切断Q0.0或Q0.1M0.2当计数器被启动是同时M0.2将得电，M0.2作为启动传送指令MOV-B CH2，VD200的信号。从而将计数器的内容传送到存储单元VD200S0.1辅助继电器S0.2辅助继电器存储变量VD200存储高数计数器HSC2的计数脉冲VD300存储VD200的数据中的数据。特殊标志位SM0.0PLC在Run状态时，SM0.0总为1SM0.1PLC在由STOP转为Run时，SM0.1 ON一个扫描周期SM0.7CPU 处于TEMP状态 SM0.7=0，CPU 处于RUN状态 SM0.7=1，用来在RUN状态下启动自由口通讯。SMB30CPU处于RUN状态下，SMB30（对PORT0）置01（设置控制字），完成自由口模式的使能，即对自由通讯口选择波特率、奇偶校验和数据位数。SMB30.0 SMB30.1:01=自由口协议SMB30.2 SMB30.3 SMB30.4:010=波特率为9600bpsSMB30.5:0=每字符八位SMB30.6 SMB30.7:00=无校验SMB57实现高速计数器2（HSC2）控制字的编程。具体描述如下：SMB57.0: 复位信号有效电平,0=高电平有效；1=低电平有效SMB57.1: 启动信号有效电平,0=高电平有效；1=低电平有效SMB57.2: 倍率选择,0=4*（4倍率）；1=1*（1倍率）SMB57.3: 计数方向控制位,0=计数减；1=计数加SMB57.4: 向HSC写入计数方向,0=不更新；1=更新SMB57.5: 向HSC写入新的预设值,0=不更新；1=更新SMB57.6: 向HSC写入新的当前值,0=不更新；1=更新SMB57.7: 使能HSC,0=高电平有效；1=低电平有效SMD58HSC2当前计数值的设置。（装入0可实现清除）3.3.2主程序LD SM0.1CALL SBR0以上代码功能是：PLC在由STOP转为Run时，SM0.1 ON一个周期，此时开始调用子程序SBR0.LD I1.5EUHSC 2= M0.2LD M0.2MOVD HC2, VD200LD I1.5EDS S0.1, 1以上代码功能是：当扫描仪检测到信号1#（即激光光目被遮挡住的一瞬间）将产生一个上升沿(EU)信号给PLC，信号的输入端口为I1.5。此时启动启动高速计数器(HSC2)，当计数器被启动是同时M0.2将得电，M0.2作为启动传送指令MOV-B CH2，VD200的信号。将计数器（HSC2）的内容传送到存储单元VD200。随着传送带的传动，物品慢慢移动，当扫描仪检测到信号2#（即激光光目恰好离开物品的一瞬间）将产生一个下降沿(ED)信号。此时辅助继电器S0.1效。LSCR S0.1LD SM0.0MOVD VD200, VD300MOVB 16#F8, SMB57MOVD 0, SMD58TON T33, 3以上代码功能是：将存储在VD200中的计数脉冲数通过MOVB指令传送到VD300，并且再次给计数器HSC2重新赋控制字和将计数器的当前值清零。LD T33SCRT S0.2SCRE以上代码功能是：再经过定时器T33定时30ms后使顺控状态转移指令SCRT有效。LSCR S0.2LD SM0.0XMT VB300, 0SCRE以上代码功能是：30ms后转移另外一个状态，即执行发送指令：将保存在数据缓冲区VD300中的LD I0.0= M0.0以上代码功能是：当停止信号输入端I0.0输入有效时，M0.0将得电，从而切断Q0.0或Q0.1使步进电机停止。LD I0.1O Q0.0AN Q0.1AN I0.2AN M0.0= Q0.0以上代码说明：当电机正转控制信号输入端I0.1输入有效，且此时没有输入有效的停止（M0.0）信号和电机反转(Q0.1)信号，那么电机将处于正转(Q0.0)状态。LD I0.2O Q0.1AN Q0.0AN I0.1AN M0.0= Q0.1以上代码功能是：当电机正转控制信号输入端I0.2输入有效，且此时没有输入有效的停止（M0.0）信号和电机正转(Q0.0)信号，那么电机将处于反转(Q0.1)状态。3.3.3初始化子程序LD SM0.0R M0.0, 255 R S0.0, 255 FILL +0, VW200, 50 以上代码功能是：清零标志位M0.0-M31.6, 清零顺序继电器S0.0-S31.6， 清零存储器V200-VB298LD SM0.0MOVB 16#F8, SMB57 以上代码功能是：对高数计数器HSC2进行初始化，具体功能为：激活HSC2，可更新CV（计数器的当前值），可更新PV（预设值），计数可改变方向，正向计数。4*正交计数。HSC指令用这些控制位来组态HSC的。HDEF 2, 2 MOVD 0, SMD58 以上代码功能是：可知每一种高速计数器有多种功能不相同的操作模式，使能输入有效时，为指定的高速计数器分配一种工作模式，即用来建立高速计数器与工作模式之间的联系。每一个高速计数器使用之前必须使用HDEF指令，而且只能使用一次。HSC2定为模式2 ，该模式具有内部方向控制的单相增/减计数器，有启动和复位端。SMD58 专门用来存储HSC2当前计数值。装入0可实现清除当前计数值。 3.3.4自由口通讯协议子程序LD SM0.7MOVB 9, SMB30以上代码功能是：CPU 处于TEMP状态 SM0.7=0，CPU 处于RUN状态 SM0.7=1，用来在RUN状态下启动自由口通讯。CPU处于RUN状态下，SMB30（对PORT0）置01（设置控制字），完成自由口模式的使能，即对自由通讯口选择波特率、奇偶校验和数据位数。SMB30.0 SMB30.1:01=自由口协议；SMB30.2 SMB30.3 SMB30.4:010=波特率为9600bps；SMB30.5:0=每字符八位，SMB30.6 SMB30.7:00=无校验。 9H=00001001B，将9H传送给SMB30即可实现以上协议。南京工业大学本科生毕业设计（论文）第四章 系统调试与结果本项目搭建体积测量系统的传送控制系统，采用PLC控制电机，实现对传送带的速度调节和开关控制。同时完成与硬件系统的通讯，实现速度信息、开关信息等信号的上传。然而由于条件有限目前只对对步进电机的开关，正反转等功能进行仿真、调试。采用S7_200_sim2.0仿真软件进行仿真。仿真的结果如下： 图4-1电机处于正转状态仿真图由图4-2得，当PLC处于RUN状态时，I0.1输入信号有效，继电器Q0.0输出驱动电机转动。图4-2电机处于反转状态仿真图图4-2的与图4-1功能相似，只是此时电机的运行方向处于反向。图4-3电机处于停止状态仿真图当发生突发事件或者由于控制的要求需要电机停转，只需按下停止按钮（I0.0），此时Q0.1或Q0.2都失电，电机无论处于哪种状态都会停止下来。结语结语在激光体积检测系统传送装置控制中，基于PLC的步进电机控制系统的设计方法和研制过程，包括硬件设计、软件设计以及系统组态等方面。硬件电路用西门子PLC、放大电路和相关集成电路设计而成。软件程序用PLC梯形图语言写成。在本次设计中，利用软硬件结合，实现对步进电机工作状态的自动控制和精确控制。利用PLC输出的时序脉冲和方向信号，改变对步进电机绕组的通电方式和通电顺序，来准确控制步进电机的正转、反转等工作状态。通过设定不同延时计时器的数值，来改变步进电机的工作频率。目前利用可编程序控制器（即PLC 技术）可以方便地实现对电机速度和位置的控制，方便地进行各种步进电机的操作，完成各种复杂的工作，它代表了先进的工业自动化技术水平，加速了机电一体化的实现。参考文献参考文献1 范滇元激光技术M北京：高等教育出版社，20022 杨贵铣激光与光电子学进展M苏州：苏州大学出版社，20083 史国生. 电气控制与可编程序控制器技术M.北京： 化学工业出版社，2008.4 周万珍. 高鸿斌PLC 分析与设计应用M.北京：电子工业出版社,20085 丁守成. 断料机控制系统的设计与应用J. 微计算机信息，2004 (5):45-49.6 邱道伊S7-200PLC入门和应用分析M北京：中国电力出版社，20087 廖常初. 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