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PLC的最新發(fā)展趨勢
一、前 言
長期以來，PLC始終處于工業(yè)自動化控制領域的主戰(zhàn)場，為各種各樣的自動化控制設備提供了非?？煽康目刂茟?。其主要原因，在于它能夠為自動化控制應用提供安全可靠和比較完善的解決方案，適合于當前工業(yè)企業(yè)對自動化的需要。另一方面，PLC還必須依靠其他新技術來面對市場份額逐漸縮小所帶來的沖擊，尤其是工業(yè)PC所帶來的沖擊。PLC需要解決的問題依然是新技術的采用、系統(tǒng)開放性和價格。
PLC技術展的最終趨勢仍然是人們所爭論的焦點之一。大多數(shù)人認為，PLC將會繼續(xù)失去市場份額；更有甚者認為，在工業(yè)PC面前，PLC將會一步一步走向死亡；但也有一部分人相信，一些特殊工業(yè)應用領域仍將為PLC提供一定的市場份額。
在全球工業(yè)計算機控制領域，圍繞開放與再開放過程控制系統(tǒng)、開放式過程控制軟件、開放性數(shù)據(jù)通信協(xié)議，已經(jīng)發(fā)生巨大變革，幾乎到處都有PLC，但這種趨勢也許不會繼續(xù)發(fā)展下去。隨著軟PLC(SoftPLC)控制組態(tài)軟件技術的誕生與進一步完善和發(fā)展，安裝有SoftPLC組態(tài)軟件和基于工業(yè)PC控制系統(tǒng)的市場份額正在逐步得到增長，這些事實使傳統(tǒng)PLC供應商在思想上已經(jīng)發(fā)生了戲劇性的變化，他們必須面對現(xiàn)實，在傳統(tǒng)PLC的技術發(fā)展與提高方面作出更加開放的高姿態(tài)。對于控制軟件來講，這是PLC控制器的核心，PLC供應商正在向工業(yè)用戶提供開放式的編程組態(tài)工具軟件，而且對于工業(yè)用戶表現(xiàn)得非常積極。此外，開放式通信網(wǎng)絡技術也得到了突破，其結果是將PLC融入更加開放的工業(yè)控制行業(yè)。
二、開放和基于工業(yè)PC控制
PLC制造商已經(jīng)開始注視基于工業(yè)PC控制技術所帶來的強大沖擊。有專家甚至認為，新商務活動所帶來的新技術和開放技術規(guī)范將會埋葬傳統(tǒng)PLC。PLC制造商認為，雖然在工業(yè)現(xiàn)場安裝有大量的PLC控制設備，但他們?nèi)匀恍枰?lián)合工控軟件公司，以便開發(fā)他們自己的基于工業(yè)PC的過程控制軟件。
誠然，幾年前在工業(yè)現(xiàn)場明顯存在著新舊PLC混合使用的情況，工業(yè)用戶不得不同時學習相關的新舊知識，甚至彼此借鑒學習。大多數(shù)PLC制造商為工業(yè)用戶僅僅提供了軟邏輯和一種操作平臺。
在高端應用方面，很難進一步區(qū)分PLC控制系統(tǒng)和工業(yè)PC控制系統(tǒng)之間的差異，因為這兩者均采用了同樣類型的微處理器和內(nèi)存芯片。形象地打個比喻，如果你忘掉工業(yè)PC和PLC這些詞語字面上的含義，那么在箱子里所能夠觀察到的恰恰是一些基本計算機硬件技術，我們更多觀察到的卻是那些基本技術的復雜化和混合體，這些技術被有效地組合到控制系統(tǒng)中去。
另外，采用開放控制的原因一方面是系統(tǒng)功能集成的需要，另一方面也是由于一些工業(yè)用 戶對功能過分苛求所致。如果能夠給予高度的重視，就能夠獲得更多的基本技術知識。PLC制造商專注于系統(tǒng)功能化，而工業(yè)用戶則專注于系統(tǒng)應用。人們可以看到，將來的發(fā)展趨勢是將更多的功能進一步集成到一個控制箱內(nèi)。因而像順序控制和過程控制這樣的事件將會采用功能化方式進行處理，其他像運動控制等也能夠共享到相同的控制結構體系中。
可以相信，PLC技術將繼續(xù)向開放式控制系統(tǒng)方向轉移，尤其是基于工業(yè)PC的控制系統(tǒng)。后者除了在靈活性方面比傳統(tǒng)PLC具有截然不同的優(yōu)勢外，還具有其他優(yōu)點，如能夠縮短系統(tǒng)投放到市場的周期，降低系統(tǒng)投資費用，提高從工廠底層到企業(yè)辦公自動化的數(shù)據(jù)信息流動效率等。
關于工業(yè)PC控制系統(tǒng)的實時響應問題已經(jīng)得到很好的解決，也許其主要的東西仍然隱藏在技術背后，但缺乏相應的跟蹤記錄。對于PLC來講，堅固性是其主要特點之一，這已經(jīng)有相當多的跟蹤記錄來驗證。工業(yè)用戶仍然非常小心地對待PLC，他們正在對PLC作不同的技術測試工作。在利用一種新技術時，工業(yè)用戶需要考慮的問題是要冒多大的風險，同時需要考慮對其商務活動能夠帶來多少機會和收益。
但工業(yè)用戶不完全相信開放式控制系統(tǒng)所帶來的好處。隨著技術的進一步發(fā)展，他們開始逐漸淡化這些思想觀念。工業(yè)用戶正在平衡采用新技術所存在的風險和給他們的商務活動所帶來的收益，以便為今后的決策提供有效的保障。
工業(yè)PC技術提供了許多功能，能夠增強PLC的功能特性，包括內(nèi)藏視頻和高速浮點數(shù)字協(xié)處理器。盡管Microsoft公司沒有進一步提升該項功能特性的計劃，但新的Windows CE 3.0完全能夠更好地滿足過程控制的需要。
不久前，Siemens公司公布了一套新的基于開放式控制系統(tǒng)的軟件產(chǎn)品，即3.0版本的SIMATIC WinAC(Windows自動化中心)。WinAC是基于Windows NT，與SIMATIC S7 PLC兼容的適合于工業(yè)PC的控制系統(tǒng)解決方案。WinAC 3.0提供了具有較高集成度的Profibus現(xiàn)場總線局域網(wǎng)的連接性能，以及遠程程序設計。此外，它還為現(xiàn)場控制設備本地化集成提供了一種新的DeviceNet I/O設備驅動程序，用于連接所安裝的DeviceNet I/O設備。
Steeplechase軟件公司也已推出了一套支持硬實時過程控制的嵌入式Windows NT操作系統(tǒng)接口部件。該部件進一步結合了Steeplechase公司采用SBS技術并運行于Windows NT環(huán)境的工業(yè)Compact PCI的硬實時控制軟件?，F(xiàn)在，Steeplechase公司的可視化邏輯控制器已經(jīng)升級到5.0版。該控制器適合于Windows NT 4.0和Windows 2000兩種操作系統(tǒng)，它的實時引擎能夠直接與普通的Ethernet和TCP/IP集成在一起。5.0版本的控制器利用了一種增強型OPC服務器驅動程序，因而比以前的版本具有更快的運行速度。其他一些特點還包括新OI網(wǎng)絡特性，以及能夠讓工業(yè)用戶自己設計出豐富多彩的動態(tài)圖形畫面等。
Transysoft公司最近推出了新版本的ISaGRAF系列工業(yè)控制組態(tài)軟件包，即ISaGRAF PRO，它是基于IEC 61131-3國際標準，并獨立于任何硬件平臺的軟邏輯自動化控制軟件包。在一個網(wǎng)絡化過程控制系統(tǒng)環(huán)境中，該軟件包能夠應用于多種組態(tài)和分布式控制系統(tǒng)的開發(fā)，它包含了一套開發(fā)工具、應用程序工作平臺，以及相應的“虛擬機器”運行時目標。該運行時目標能夠運行于各種各樣的硬件平臺。
CTC自動化工程公司已經(jīng)發(fā)布了一套新的控制軟件包MachineLogic PCLC（工業(yè)PC邏輯控制器），該軟件可以讓工業(yè)PC扮演PLC的角色，且仍然保持著工業(yè)PC的功能特性。該軟件能夠完成一臺PLC所確定的控制任務，并且與程序執(zhí)行時間一樣快，均在1 ms以內(nèi)；還能夠同時處理多任務工作，但不能同時超過16個控制任務。一種具有優(yōu)先級和多任務處理內(nèi)核的機制保持著對每一件控制任務的跟蹤，確?？刂迫蝿漳軌蛉〉米罡叩膬?yōu)先權。該軟件能夠運行全部5種IEC 61131-3標準程序設計語言和PID控制程序，支持兩種類型的I/O控制設備。一種是像Profibus和DeviceNet等這樣的現(xiàn)場總線I/O設備；另一種是像ISA和PC/104這樣的工業(yè)PC I/O模板。另外，該軟件還提供了對控制系統(tǒng)的在線編輯組態(tài)功能。程序可以在Windows 95/98和Windows NT下開發(fā)并運行，但也能夠在RTXDOS下執(zhí)行。
SoftPLC公司也提供了一種工控軟件產(chǎn)品Tealware，有人非常形象地把這種軟件產(chǎn)品稱作穿著工業(yè)PC衣服的PLC。那些安裝在支架上的控制系統(tǒng)已經(jīng)有了小型PLC的形狀系數(shù)，但SoftPLC公司的控制軟件已經(jīng)被嵌入到CPU中。Tealware軟件能夠滿足各種類型工業(yè)用戶的需要，從小型、單機系統(tǒng)到大型、分散多控制工作站應用。其特點包括全系列I/O模件、內(nèi)藏Ethernet和工業(yè)串行通信接口。
最近，Tealware軟件已經(jīng)升級到2.3版本。其中，控制軟件提供了事實上無限的梯形圖邏輯控制步序，同時允許有超過百萬字的數(shù)據(jù)表；許多OI/SCADA應用接口；內(nèi)藏Java引擎和FTP服務器用于遠程維護與管理；支持用戶自己編寫的C、C++、Java程序和設備驅動程序；適合于嵌入式Web服務器用；程序設計的在線運行模式；堅固的I/O模件支持能力和許多其他標準PLC功能；可以運行所輸入的，或者是經(jīng)過轉換的A-B公司的PLC-5、PLC-2/PLC、PLC-3和SLC-500程序。
三、Ethernet的擴展與進一步容納Web技術
當前，在所有過程控制領域，最大的發(fā)展趨勢之一就是Ethernet技術的擴展。PLC也例外，現(xiàn)在，越來越多的PLC供應商開始提供Ethernet接口部件。在最近的幾年間，我們已經(jīng)看到，發(fā)展比現(xiàn)有普通小快靈PLC更加強大的PLC是種趨勢。Ethernet將會成為PLC的通信標準嗎？也許最終結果是這樣的，但現(xiàn)在還為時尚早。對于在PLC上提供Ethernet接口將能夠解決所有通信問題，人們普遍存在著誤解。Ethernet僅僅定義了OSI參考模型底部的幾層協(xié)議標準，如果上層協(xié)議相互之間不能兼容，那么仍然不可能進行相互之間的通信處理。打個比方，這如同一個不懂英語的中國人與一個不懂漢語的美國人之間是不能夠通過電話進行對話一樣。因此，協(xié)議就是設備之間相互通信的語言。
另一方面，前進的步伐已經(jīng)邁出，我們只有迎著困難而上，為了將Ethernet技術應用到工廠底層的現(xiàn)場過程控制設備中去，ODVA協(xié)會為此建立了一套全球性標準技術規(guī)范，即Ethernet/IP標準，以便能夠解決在實際工作中所遇到的困難。
向Ethernet靠近的一個目的在于通過Internet能夠連接到所希望的任何地方。實際上，在一些意想不到的地方，Web服務器正在顯露出其應有的威力。幾年前，有一些PLC系統(tǒng)已經(jīng)內(nèi)藏了Web服務器，這無疑又為PLC系統(tǒng)增加了更多的特點。其他類型的控制設備也正在準備進一步集成Web服務器。例如，Square D公司已經(jīng)有一個具備Ethernet連接接口的發(fā)動機控制中心，并正在準備開發(fā)一種內(nèi)藏Web服務器連接接口的變速裝置。
內(nèi)藏Web服務器所體一風的益處包括開放網(wǎng)絡、商業(yè)工具的影響、客戶機/服務器關系。在過去，工業(yè)用戶可能會有代表性地詢問一些有關PLC方面的信息，但在現(xiàn)在，由于新技術的不斷誕生和發(fā)展，工業(yè)用戶很容易就可以得到有關這方面的信息。另一方面，隨著芯片和處理器大規(guī)模的生產(chǎn)，PLC生產(chǎn)制造商能夠生產(chǎn)并提供開放網(wǎng)絡的產(chǎn)品，讓工業(yè)用戶花較少的費用就能夠購買到功能非常完善的PLC產(chǎn)品。
在為將PLC連接到Ethernet和Web上提供技術支持方面，Schneider公司已經(jīng)成了先驅者之一。最近，該公司推出了一種運行于Premium PLC平臺的新型快速Ethernet(100 Mb/s)模件。該模件為PLC能夠連接到TCP/IP的Ethernet提供了全雙工自適應10/100Mb/s的連接速度，現(xiàn)場過程控制器之間可以共享實時數(shù)據(jù)信息，自動掃描Momentum I/O模件和其他任何基于Modbus通信協(xié)議的現(xiàn)場控制設備，采用一個嵌入式Web服務器提供HTML通信服務，同時提供了SNMP用于標準網(wǎng)絡通信管理。在一次展覽會上，Schneider公司還向工業(yè)用戶展示了他們有關透明工廠的觀念。另外，Schneider公司最近還推出了基于Modicon公司的Momentum MIE系列處理器的適配器，該適配器提供了標準IEC程序控制性能，進一步為e-制造提供了完美的解決方案。該適配器還提供了將智能化I/O系統(tǒng)和其他現(xiàn)場過程控制設備連接到Internet和Ethernet的能力，現(xiàn)場過程控制設備包括所有功能化實時過程控制器。
幾年前，Rockwell自動化公司也在其PLC產(chǎn)品中提供了Ethernet接口，而且正在堅定不移地穩(wěn)步提高Ethernet的功能特性。該公司最近已經(jīng)公布了一種柔性I/O模件解決方案，這種柔性I/O模件利用非專利版本的Ethernet技術能夠提供實時過程控制性能。A-B公司提供的1756型ControlLogix I/O也是基于標準Ethernet TCP/IP和UDP數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議的組件，其應用層使用了一種開放式、面向對象、基于生產(chǎn)者/ 消費者的技術。這種技術在ControlNet、DeviceNet和FF現(xiàn)場總線H1網(wǎng)絡系統(tǒng)中也能夠找到。
同樣，其他許多公司也已經(jīng)推出了Ethernet通信接口模件。例如，來自于IDEC公司的OpenNet PLC控制器所提供的通信接口，實現(xiàn)了與DeviceNet、LonWorks和Interbus等現(xiàn)場總線設備的兼容。該控制器利用一個Interbus遠程I/O主卡件能夠處理不超過480點本地I/O和512點遠程數(shù)字量I/O。
Sierra公司所提供的8051型工業(yè)通信橋路能夠讓彼此之間互不兼容的PLC、DCS、RTU和SCADA系統(tǒng)很好地集成在一起。這種工業(yè)通信橋路通過RS-232、422、485，或者Ethernet通信鏈路實現(xiàn)了高速網(wǎng)絡應用。該橋路控制器同時提供8個RS-232串行通信接口，2個RS-485/422隔離串行通信接口，2個10Base-T Ethernet接口，以及一個用于冗余熱備份橋路的連接器。
來自于ProSoft公司的多制造商接口套裝組件為A-B公司的PLC、SLC、ControlLogix和FLEX I/O（包括1771、1746、1765和1794）平臺提供了串行通信能力。每一個模件包含了一個80386處理器，并同時嵌入有DOS操作系統(tǒng)，因而，可以被看作是具有I/O能力的工業(yè)PC，另外，該控制器同樣具有“A>”磁盤操作提示符，以及Autoexec.bat和Config.sys文件。應用程序可以是從簡單的ASCII通信到復雜的32位控制算法。
另一家通常從事運動控制方面研究的公司Giddings & Lewis也為其PiC（可編程工業(yè)控制）和MMC（機械與運動控制）系列應用于運動控制方面的產(chǎn)品增加了Ethernet TCP/IP接口。這些單元部件提供了可以連接到工廠內(nèi)部Intranet和Internet的能力，允許現(xiàn)場過程控制器之間共享數(shù)據(jù)信息?，F(xiàn)場過程控制器與工業(yè)PC之間通常采用OPC服務器設備驅動程序來連接實時數(shù)據(jù)信息，利用Ethernet網(wǎng)絡系統(tǒng)和Web技術可以進行遠程文件傳輸、程序設計和系統(tǒng)維護。
現(xiàn)在，越來越多的企業(yè)正在計劃將其所有自動化控制設備逐步連接到企業(yè)范圍內(nèi)的信息系統(tǒng)中去。對于工業(yè)用戶來講，也許他們已經(jīng)注意到有關Ethernet for Control系列控制解決方案，該技術更加依賴于Ethernet和Internet。幾乎所有PLC供應商在其部分系列化產(chǎn)品中均提供了Ethernet連接特性，而且有些公司已經(jīng)確定將Web服務器徹底嵌入到他們的設備內(nèi)部，以便充分展現(xiàn)PLC的性能特點。利用PLC的Web連接特性，工業(yè)用戶不但可以從任何地方監(jiān)控控制系統(tǒng)的運行狀況，而且還可以像利用系統(tǒng)手冊一樣獲取所需要的任何數(shù)據(jù)信息。
當然，如果工業(yè)用戶正在著手將其控制系統(tǒng)連接到Internet，則必須為此設置安全的信息發(fā)布地址。另外，為了防止黑客進入到控制系統(tǒng)中去，還必須安裝一套安全性能較好的防火墻軟件。
SoftPLC公司在網(wǎng)絡安全性方面投入了極大的熱情和興趣，他們將一個具有實時和確定性的Java虛擬機器嵌入到過程控制器中去。Java使其不僅能夠運行基于Web的Active X控件對象，同樣也能夠運行Servlets。Servlets是個運行于Web服務器任務高度集成在一起，能夠提供動態(tài)Web頁面內(nèi)容。Servlets程序代碼清晰可見、面向對象設計、模件化，開發(fā)起來非常簡單明了，Servlets也提供了數(shù)據(jù)信息安全性能，允許進一步限制實時數(shù)據(jù)信息，如僅僅是所選定的工業(yè)用戶，或者是所選定的注冊數(shù)據(jù)信息。如果過程控制器被有效地連接到Internet，那么安全性對其是非常的重要。
黑客的入侵還不是唯一的煩惱，如果網(wǎng)絡系統(tǒng)癱瘓，我們首先需要干什么呢？黑客入侵的解決方案是采用冗余。在過程控制器中采用冗余IP地址、冗余網(wǎng)絡系統(tǒng)、冗余通信電纜，以及熱備份等方式，當突發(fā)事件發(fā)生時能夠很好地為過程控制系統(tǒng)提供服務。
許多PLC供應商在其產(chǎn)品的開發(fā)過程中仍然繼續(xù)不斷地改進和提高通信性能，其開發(fā)方向主要面向于Ethernet技術和基于Web技術。
湘潭大學興湘學院
畢業(yè)論文（設計）任務書
論文（設計）題目： 電磁鐵推拉力測試系統(tǒng)——控制部分設計
學號： 2006183829 姓名： 劉 明 專業(yè)： 機械設計制造及其自動化
指導教師： 毛美姣 系主任：
一、主要內(nèi)容及基本要求
本設計內(nèi)容是電磁鐵推拉力測試統(tǒng)設計，采用S7-200 PLC系列，控制兩相混合式步進電機，對步進電機進行正轉、反轉和速度控制，結合滾珠絲桿，利用力傳感器技術，
采用PLC控制一個步進電機和滾珠絲桿組成的機構，實現(xiàn)推或拉力小于2000N，行程小于±30mm的電磁鐵的推拉力測試，得到其推或拉力與銜鐵位移之間的關系曲。 用S7-200 PLC的高速脈沖輸出指令和高速計數(shù)指令實現(xiàn)脈沖的高速輸出和高數(shù)計數(shù)。
二、重點研究的問題
1.S7-200 PLC 的基本指令和功能指令以其編程方法
2.步進電機、驅動器和PLC之間的接線方法
3.控制系統(tǒng)的梯形圖、語句表、控制部分原理圖
三、進度安排
序號
各階段完成的內(nèi)容
完成時間
1
查資料
2010.3.10
2
控制系統(tǒng)設計、編寫程序
2010.4.26
3
翻譯
2010.5.10
4
撰寫論文
2010.5.28
5
答辯
四、應收集的資料及主要參考文獻
應收集的資料：
一、S7-200 PLC的使用教程
二、步進電機和驅動器的工作原理和特征參數(shù)
三、電磁鐵、力傳感器、滾珠絲桿的應用
四、外文資料一篇
主要參考文獻：
[1] 黃賢武，鄭筱霞. 傳感器原理與應用［M］．成都:電子科技大學出版社,高等教育出版社
[2] 黃堅. 可編程控制器原理及其應用［M］．北京:高等教育出版社
[3] 戴佳,戴衛(wèi)恒.執(zhí)行電動機 [M].北京：電子工業(yè)出版社
[4]何立民.機電傳動控制技術[M].北京：北京航空航天大學出版社
湘潭大學興湘學院
畢業(yè)設計說明書
題 目：電磁鐵推拉力測試系統(tǒng)——控制部分設計
專 業(yè)： 機械設計制造及其自動化
學 號： 2006183829
姓 名： 劉 明
指導教師： 毛美姣
完成日期： 2010-6-4
電磁鐵推拉力測試系統(tǒng)——控制部分
摘要：電磁鐵在我們的日常生活中到處可見，應用非常廣泛，生活中我們越來越離不開它。電磁鐵是一種電器，它被廣泛應用于機床、起重機等大型機電設備中。電磁鐵的靜態(tài)力性能直接影響到由它所構成的元件及裝置的整體性能，進行電磁鐵的靜態(tài)力特性分析，對電磁鐵的設計制造和實際應用具有一定的參考價值。本論文基于PLC控制步進電機和滾珠絲桿組成的機構，應用力傳感器技術，對電磁鐵進行推拉力測試，得到其推或拉力與銜鐵位移之間的關系曲線。對西門子S7-200 PLC系統(tǒng)和步進電機進行深入學習，掌握了西門子S7-200 PLC系統(tǒng)的組成、基本指令及其功能指令。理解的步進電機的工作原理及其驅動控制技術，實現(xiàn)了PLC對步進電機的控制。
關鍵詞：電磁鐵，S7-200，步進電機，驅動器
Solenoid Push Pull Test System - Control Part
Abstact：Electromagnet in our daily life everywhere, is widely used in daily life more and we can not do without it. Is an electrical solenoid, which is widely used in machine tools, cranes and other large electrical and mechanical equipment. Electromagnet static forces directly affects the performance of its composition from the overall performance of components and equipment to carry out the static force analysis of the electromagnet, the electromagnet of the design and manufacture and application has some reference value. This paper, based on PLC control of stepping motor and ball screw institution, application of force sensor technology, push pull solenoid for test, get the push or pull the relationship between the keeper and the displacement curve. Siemens S7-200 PLC system and the stepper motor in-depth study and master the Siemens S7-200 PLC system components, basic commands and features instruction. Understand the working principle of stepper motor and drive control technology, the PLC on the stepper motor control.
Key words：Electromagnet, S7-200, stepping motor, drive
湘潭大學興湘學院
畢業(yè)論文（設計）評閱表
學號 2006183829 姓名 劉 明 專業(yè) 機械設計制造及其自動化
畢業(yè)論文（設計）題目： 電磁鐵推拉力測試系統(tǒng)——控制部分設計
評價項目
評 價 內(nèi) 容
選題
1.是否符合培養(yǎng)目標，體現(xiàn)學科、專業(yè)特點和教學計劃的基本要求，達到綜合訓練的目的；
2.難度、份量是否適當；
3.是否與生產(chǎn)、科研、社會等實際相結合。
能力
1.是否有查閱文獻、綜合歸納資料的能力；
2.是否有綜合運用知識的能力；
3.是否具備研究方案的設計能力、研究方法和手段的運用能力；
4.是否具備一定的外文與計算機應用能力；
5.工科是否有經(jīng)濟分析能力。
論文
（設計）質量
1.立論是否正確，論述是否充分，結構是否嚴謹合理；實驗是否正確，設計、計算、分析處理是否科學；技術用語是否準確，符號是否統(tǒng)一，圖表圖紙是否完備、整潔、正確，引文是否規(guī)范；
2.文字是否通順，有無觀點提煉，綜合概括能力如何；
3.有無理論價值或實際應用價值，有無創(chuàng)新之處。
綜
合
評
價
評閱人：
2010年6月 日
湘潭大學興湘學院
目錄
第一章 引言 1
1.1 電磁鐵概述 1
1.2 課題背景及意義 1
1.3 國內(nèi)外基本研究情況 1
1.4 課題的主要研究內(nèi)容 1
第二章 理論知識介紹 3
2.1 PLC簡介 3
2.1.1 PLC的結構及各部分的作用 4
2.1.2 PLC的工作原理 5
2.1.3 PLC編程語言 5
2.2 步進電機及其發(fā)展 6
2.3 步進電機的結構和工作原理 7
2.4 步進電機的特點 8
第三章 元器件選擇及I/O分配 10
3.1 系統(tǒng)基本框圖的確定 10
3.1.1 元器件的選擇 11
3.1.2 雷賽ND1182 步進驅動器 11
3.1.3 雷賽110HS20兩相混合式步進電機 15
3.2 系統(tǒng)控制過程 17
3.3 控制系統(tǒng)的I/O點及地址分配 17
第四章 系統(tǒng)控制過程設計 18
結束語 26
參考文獻 27
34
第一章 引言
1.1 電磁鐵概述
電磁鐵在我們的日常生活中到處可見，應用非常廣泛，生活中我們越來越離不開它。電磁鐵是一種電器，它被廣泛應用于機床、起重機等大型機電設備中。電磁鐵是利用通電的鐵心線圈吸引銜鐵或保持某種機械零件、工件于固定位置的一種電器。銜鐵的動作可使其他機械裝置發(fā)生聯(lián)動。當電源斷開時，電磁鐵的磁性隨之消失，銜鐵或其他零件即被釋放。
電磁鐵在生產(chǎn)中的應用極為普遍，工業(yè)上常用來制動機床和起重機的電動機。當接通電源時，電磁鐵動作而拉開彈簧，把抱閘提起，于是放開裝在電動機軸上的制動輪，這時電動機便可自由轉動。當電源斷開時，電磁鐵的銜鐵落下，彈簧便把抱閘壓在制動輪上，電動機就被制動。在起重機中采用這種方法，可以避免由于工作過程中的斷電而使重物滑下造成的事故。
隨著機械工業(yè)的發(fā)展，在機床中也常用電磁鐵操縱氣動或液壓傳和控制變速機構。電磁吸盤和電磁離合器也都是電磁鐵的具體應用
此外，現(xiàn)代物流業(yè)的集裝流程中，也使用電磁鐵進行起重提放鋼材等。不論是機床、起重機，還是物流裝卸的電磁繼電器和接觸器，電磁鐵的任務是開閉電路，起到一個開關的作用。
1.2 課題背景及意義
電磁鐵是一種基于電磁系統(tǒng)產(chǎn)生電磁力，使銜鐵做機械運動，從而對外做功的電-機轉換器，因此，電磁鐵力特性成為表征其主要性能的基本特性。作為一個轉換元件，電磁鐵的靜態(tài)力特性直接影響到由它所構成的元件及裝置的整體性能，國內(nèi)外有許多機構、學者都曾做過電磁鐵的推拉力測試，可以測試量電磁鐵的靜動態(tài)力和位移特性。有的結構復雜，精度不高，且難以測量出雙向電磁鐵的靜動態(tài)力特性。因此，對電磁鐵進行推拉力的測試是非常必要的。
1.3 國內(nèi)外基本研究情況
電磁鐵被廣泛應用于工業(yè)生產(chǎn)和日常生活之中，其作用不容忽視。電磁鐵的特性中力的特性是很重要的一部分，因此對電磁鐵進行推拉力測試具有非常的實際意義。國內(nèi)外已經(jīng)有很多學者和機構對其進行研究和探討過。此次，本人在前人的基礎上，基于PLC控制步進電機和滾珠絲桿組成的機構，應用力傳感器技術，再一次嘗試對電磁鐵的推拉力測試進行學習研究，以更好的學習掌握所學的相關內(nèi)容。
1.4 課題的主要研究內(nèi)容
電磁鐵推拉力測試系統(tǒng)——控制部分設計，其主要工作內(nèi)容是：
1）確定電磁鐵測力系統(tǒng)的方案及系統(tǒng)的各組成部件
首先擬定一個大致方案，初步確定各組成部件的型號。再分析了解各組成部分的功能用途，掌握各部件的使用方法和工作原理。最后討論系統(tǒng)的可行性、連續(xù)性、完整性，不斷修正系統(tǒng)，確保系統(tǒng)能正常、穩(wěn)定的工作。握PLC基本指定和程序設計的方法。要弄清步進電機、驅動器的工作原理和其參數(shù)特性以及他們之間的接線問題。最終學會如何用PLC對步進電機實現(xiàn)精確的速度控制、正轉、反轉等。
2）對電磁鐵測力系統(tǒng)的控制部分進行學習和研究
為實現(xiàn)PLC對步進電機的精確控制，一定要掌握PLC應用技術的核心內(nèi)容，如各種控制線路圖、功能圖、梯形圖、時序圖、語句表等，掌握PLC的基本指定和程序設計的方法；要弄清楚步進電機、驅動器的工作原理和參數(shù)特性以及他們之間的接線問題，最終學會如何用PLC對步進電機實現(xiàn)精確地速度控制、正轉、反轉等。
3）其他工作
要知道力傳感器、位移傳感器、滾珠絲杠和顯示終端的工作原理和特征參數(shù)，最終得到不同距離時電磁鐵推拉力的大小
對本課題的研究，預期要達到能用PLC實現(xiàn)對步進電機的精確速度控制、正轉、反轉等，熟悉步進電機、驅動器、滾珠絲杠、推拉力傳感器、位移傳感器、電磁鐵的工作原理和特征參數(shù)，最終得到電磁鐵在每隔0.2mm時所對應的推拉力大小的目標。其中關鍵的理論和技術是PLC應用技術在工程實現(xiàn).中程序設計的方法，技術指標要達到精確的控制。其使用的方案是用電磁鐵 、位移傳感器、力傳感器、滾珠絲杠、顯示終端、步進電機、驅動器、電源所組成的系統(tǒng)進行電磁鐵的推拉力測試。
第二章 理論知識介紹
2.1 PLC簡介
自二十世紀六十年代美國推出可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）取代傳統(tǒng)繼電器控制裝置以來，PLC得到了快速發(fā)展，在世界各地得到了廣泛應用。同時，PLC的功能也不斷完善。隨著計算機技術、信號處理技術、控制技術網(wǎng)絡技術的不斷發(fā)展和用戶需求的不斷提高，PLC在開關量處理的基礎上增加了模擬量處理和運動控制等功能。今天的PLC不再局限于邏輯控制，在運動控制、過程控制等領域也發(fā)揮著十分重要的作用。
作為離散控的制的首選產(chǎn)品，PLC在二十世紀八十年代至九十年代得到了迅速發(fā)展，世界范圍內(nèi)的PLC年增長率保持為20%～30%。隨著工廠自動化程度的不斷提高和PLC市場容量基數(shù)的不斷擴大，近年來PLC在工業(yè)發(fā)達國家的增長速度放緩。但是，在中國等發(fā)展中國家PLC的增長十分迅速。綜合相關資料，2004年全球PLC的銷售收入為100億美元左右，在自動化領域占據(jù)著十分重要的位置。
PLC是由摸仿原繼電器控制原理發(fā)展起來的，二十世紀七十年代的PLC只有開關量邏輯控制，首先應用的是汽車制造行業(yè)。它以存儲執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和運算等操作的指令；并通過數(shù)字輸入和輸出操作，來控制各類機械或生產(chǎn)過程。用戶編制的控制程序表達了生產(chǎn)過程的工藝要求，并事先存入PLC的用戶程序存儲器中。運行時按存儲程序的內(nèi)容逐條執(zhí)行，以完成工藝流程要求的操作。PLC的CPU內(nèi)有指示程序步存儲地址的程序計數(shù)器，在程序運行過程中，每執(zhí)行一步該計數(shù)器自動加1，程序從起始步（步序號為零）起依次執(zhí)行到最終步（通常為END指令），然后再返回起始步循環(huán)運算。PLC每完成一次循環(huán)操作所需的時間稱為一個掃描周期。不同型號的PLC，循環(huán)掃描周期在1微秒到幾十微秒之間。PLC用梯形圖編程，在解算邏輯方面，表現(xiàn)出快速的優(yōu)點，在微秒量級，解算1K邏輯程序不到1毫秒。它把所有的輸入都當成開關量來處理，16位（也有32位的）為一個模擬量。大型PLC使用另外一個CPU來完成模擬量的運算。把計算結果送給PLC的控制器。
相同I/O點數(shù)的系統(tǒng)，用PLC比用DCS，其成本要低一些（大約能省40%左右）。PLC沒有專用操作站，它用的軟件和硬件都是通用的，所以維護成本比DCS要低很多。一個PLC的控制器，可以接收幾千個I/O點（最多可達8000多個I/O）。如果被控對象主要是設備連鎖、回路很少，采用PLC較為合適。PLC由于采用通用監(jiān)控軟件，在設計企業(yè)的管理信息系統(tǒng)方面，要容易一些。
近10年來，隨著PLC價格的不斷降低和用戶需求的不斷擴大，越來越多的中小設備開始采用PLC進行控制，PLC在我國的應用增長十分迅速。隨著中國經(jīng)濟的高速發(fā)展和基礎自動化水平的不斷提高，今后一段時期內(nèi)PLC在我國仍將保持高速增長勢頭。
通用PLC應用于專用設備時可以認為它就是一個嵌入式控制器，但PLC相對一般嵌入式控制器而方具有更高的可靠性和更好的穩(wěn)定性。實際工作中碰到的一些用戶原來采用嵌入式控制器，現(xiàn)在正逐步用通用PLC或定制PLC取代嵌入式控制器。
可編程控制器對用戶來說，是一種無觸點設備，改變程序即可改變生產(chǎn)工藝，因此可在初步設計階段選用可編程控制器，在實施階段再確定工藝過程。另一方面，從制造生產(chǎn)可編程控制器的廠商角度看，在制造階段不需要根據(jù)用戶的訂貨要求專門設計控制器，適合批量生產(chǎn)。由于這些特點，可編程控制器問世以后很快受到工業(yè)控制界的歡迎，并得到迅速的發(fā)展。目前，可編程控制器已成為工廠自動化的強有力工具，得到了廣泛的應用。
2.1.1 PLC的結構及各部分的作用
可編程控制器的結構多種多樣，但其組成的一般原理基本相同，都是以微處理器為核心的結構。通常由中央處理單元（CPU）、存儲器（RAM、ROM）、輸入輸出單元（I/O）、電源和編程器等幾個部分組成。
（一）中央處理單元（CPU）
CPU作為整個PLC的核心，起著總指揮的作用。CPU一般由控制電路、運算器和寄存器組成。這些電路通常都被封裝在一個集成電路的芯片上。CPU通過地址總線、數(shù)據(jù)總線、控制總線與存儲單元、輸入輸出接口電路連接。CPU的功能有以下一些：從存儲器中讀取指令，執(zhí)行指令，取下一條指令，處理中斷。
（二）存儲器
存儲器主要用于存放系統(tǒng)程序、用戶程序及工作數(shù)據(jù)。存放系統(tǒng)軟件的存儲器稱為系統(tǒng)程序存儲器;存放應用軟件的存儲器稱為用戶程序存儲器；存放工作數(shù)據(jù)的存儲器稱為數(shù)據(jù)存儲器。常用的存儲器有RAM、EPROM和EEPROM。RAM是一種可進行讀寫操作的隨機存儲器存放用戶程序，生成用戶數(shù)據(jù)區(qū)，存放在RAM中的用戶程序可方便地修改。RAM存儲器是一種高密度、低功耗、價格便宜的半導體存儲器，可用鋰電池做備用電源。掉電時，可有效地保持存儲的信息。EPROM、EEPROM都是只讀存儲器。用這些類型存儲器固化系統(tǒng)管理程序和應用程序。
（三）輸入輸出單元（I/O單元）
I/O單元實際上是PLC與被控對象間傳遞輸入輸出信號的接口部件。I/O單元有良好的電隔離和濾波作用。接到PLC輸入接口的輸入器件是各種開關、按鈕、傳感器等。PLC的各輸出控制器件往往是電磁閥、接觸器、繼電器，而繼電器有交流和直流型，高電壓型和低電壓型，電壓型和電流型。
（四）電源
PLC電源單元包括系統(tǒng)的電源及備用電池，電源單元的作用是把外部電源轉換成內(nèi)部工作電壓。PLC內(nèi)有一個穩(wěn)壓電源用于對PLC的CPU單元和I/O單元供電。
（五）編程器
編程器是PLC的最重要外圍設備。利用編程器將用戶程序送入PLC的存儲器，還可以用編程器檢查程序，修改程序，監(jiān)視PLC的工作狀態(tài)。除此以外，在個人計算機上添加適當?shù)挠布涌诤蛙浖?，即可用個人計算機對PLC編程。利用微機作為編程器，可以直接編制并顯示梯形圖。
2.1.2 PLC的工作原理
PLC采用循環(huán)掃描的工作方式，在PLC中用戶程序按先后順序存放，CPU從第一條指令開始執(zhí)行程序，直到遇到結束符后又返回第一條，如此周而復始不斷循環(huán)。PLC的掃描過程分為內(nèi)部處理、通信操作、程序輸入處理、程序執(zhí)行、程序輸出幾個階段。全過程掃描一次所需的時間稱為掃描周期。當PLC處于停狀態(tài)時，只進行內(nèi)部處理和通信操作服務等內(nèi)容。在PLC處于運行狀態(tài)時，從內(nèi)部處理、通信操作、程序輸入、程序執(zhí)行、程序輸出，一直循環(huán)掃描工作。
（一）輸入處理
輸入處理也叫輸入采樣。在此階段，順序讀入所有輸入端子的通端狀態(tài)，并將讀入的信息存入內(nèi)存中所對應的映象寄存器。在此輸入映象寄存器被刷新。接著進入程序執(zhí)行階段。在程序執(zhí)行時，輸入映象寄存器與外界隔離，即使輸入信號發(fā)生變化，其映象寄存器的內(nèi)容也不會發(fā)生變化，只有在下一個掃描周期的輸入處理階段才能被讀入信息。
（二）程序執(zhí)行
根據(jù)PLC梯形圖程序掃描原則，按先左后右先上后下的步序，逐句掃描，執(zhí)行程序。遇到程序跳轉指令，根據(jù)跳轉條件是否滿足來決定程序的跳轉地址。從用戶程序涉及到輸入輸出狀態(tài)時，PLC從輸入映象寄存器中讀出上一階段采入的對應輸入端子狀態(tài)，從輸出映象寄存器讀出對應映象寄存器，根據(jù)用戶程序進行邏輯運算，存入有關器件寄存器中。對每個器件來說，器件映象寄存器中所寄存的內(nèi)容，會隨著程序執(zhí)行過程而變化。
（三）輸出處理
程序執(zhí)行完畢后，將輸出映象寄存器，即器件映象寄存器中的Y寄存器的狀態(tài)，在輸出處理階段轉存到輸出鎖存器，通過隔離電路，驅動功率放大電路，使輸出端子向外界輸出控制信號，驅動外部負載。
2.1.3 PLC編程語言
（一）梯形圖編程語言
梯形圖沿襲了繼電器控制電路的形式，它是在電器控制系統(tǒng)中常用的繼電器、接觸器邏輯控制基礎上簡化了符號演變來的，形象、直觀、實用。
梯形圖的設計應注意以下三點：
(1)梯形圖按從左到右、從上到下的順序排列。每一邏輯行起始于左母線，然后是觸點的串、并聯(lián)接，最后是線圈與右母線相聯(lián)。
(2)梯形圖中每個梯級流過的不是物理電流，而是“概念電流”，從左流向右，其兩端沒有電源。這個“概念電流”只是形象地描述用戶程序執(zhí)行中應滿足線圈接通的條件。
(3)輸入繼電器用于接收外部輸入信號，而不能由PLC內(nèi)部其它繼電器的觸點來驅動。因此，梯形圖中只出現(xiàn)輸入繼電器的觸點，而不出現(xiàn)其線圈。輸出繼電器輸出程序執(zhí)行結果給外部輸出設備，當梯形圖中的輸出繼電器線圈得電時，就有信號輸出，但不是直接驅動輸出設備，而要通過輸出接口的繼電器、晶體管或晶閘管才能實現(xiàn)。輸出繼電器的觸點可供內(nèi)部編程使用。
（二）語句表編程語言
指令語句表示一種與計算機匯編語言相類似的助記符編程方式，但比匯編語言易懂易學。一條指令語句是由步序、指令語和作用器件編號三部分組成。
（三）控制系統(tǒng)流程圖編程圖
控制系統(tǒng)流程圖是一種較新的編程方法。它是用像控制系統(tǒng)流程圖一樣的功能圖表達一個控制過程，目前國際電工協(xié)會(IEC)正在實施發(fā)展這種新式的編程標準。
2.2 步進電機及其發(fā)展
步進電機又稱脈沖電機或階躍電機，是一種將電脈沖信號轉變?yōu)榻俏灰苹蛑本€位移的電磁元件，從能量的轉換角度看，它和普通電機無異。國外一般稱為Stepmotor或Stepping motor，Pulse motor，Stepper servo，Stepper等等。
步進電機是一種受電脈沖信號控制的無刷式直流電機，也可看作是在一定頻率范圍內(nèi)轉速與控制頻率同步的同步電機。步進電機的工作過程為，每輸入一個脈沖信號，則改變一次勵磁狀態(tài)使轉子轉過一定角度，若沒有脈沖信號輸入，則轉子保持在某一位置靜止不動。
步進電機原始模型起源于1830年至1860年間，工作的機理是基于最基本的電磁鐵作用，步進電機的控制是從1870年前后開始的，應用于氫弧燈的電極輸送機構中，這被認為是最初的步進電機。此后，在電話自動交換機中廣泛使用了步進電機。不久又在缺乏交流電源的船舶和飛機等獨立系統(tǒng)中廣泛使用。
隨著永磁材料的發(fā)展，在20世紀60年代后期，各種實用性步進電機應運而生，半導體技術的發(fā)展又推動了步進電機在眾多領域的應用。在近30年間，步進電機迅速發(fā)展并成熟起來。步進電機已經(jīng)能與直流電機、異步電機，以及同步電機并列，從而成為電動機的一種基本類型。
上世紀50年代后期，我國開始進行步進電機的研究及制造。從50年代后期到60年代后期，主要是科研機構為研究一些裝置而使用或開發(fā)少量產(chǎn)品。這些產(chǎn)品以多段結構三相反應式步進電機為主。70年代初期，步進電機的生產(chǎn)和研究有所突破。主要在驅動器設計方面和反應式步進電機本體設計研究方面。70年代中期至80年代中期為產(chǎn)品發(fā)展階段，主要是新品種高性能電機不斷被開發(fā)。自80年代中期以來，由于對步進電機精確模型做了大量研究工作，各種混合式步進電機及其驅動器作為產(chǎn)品廣泛利用。
步進電機分三種：永磁式（PM） ，反應式（VR）和混合式（HB）永磁式步進一般為兩相，轉矩和體積較小，步進角一般為7.5 度 或15 度；反應式步進一般為三相，可實現(xiàn)大轉矩輸出，步進角一般為1.5 度，但噪聲和振動都很大。在歐美等發(fā)達國家80年代已被淘汰；混合式步進是指混合了永磁式和反應式的優(yōu)點。它又分為兩相和五相：兩相步進角一般為1.8 度而五相步進角一般為 0.72 度。這種步進電機的應用最為廣泛。
2.3 步進電機的結構和工作原理
步進電機是機電一體化的關鍵部件之一，被廣泛應用于需要精確定位、同步、行程控制等場合。
一、步進電動機有三線式、五線式、六線式三種，但其控制方式均相同，必須以脈沖電流來驅動。若每旋轉一圈以200個勵磁信號來計算，則每個勵磁信號前進1.8 度，其旋轉角度與脈沖數(shù)成正比，正、反轉可由脈沖順序來控制。
二、步進電動機的勵磁方式可分為全部勵磁及半步勵磁,其中全步勵磁又有1相勵磁及2相勵磁之分，而半步勵磁又稱1-2相勵磁。圖為步進電動機的控制等效電路，適應控制A、B、/A、/B 的勵磁信號，即可控制步進電動機的轉動。每輸出一個脈沖信號，步進電動機只走一步。因此，依序不斷送出脈沖信號，即可步進電動機連續(xù)轉動。
分述如下：
A、1 相勵磁法：在每一瞬間只有一個線圈導通。消耗電力小，精確度良好，但轉矩小，振動較大，每送一個勵磁信號可走1.8 度。若欲以1 相勵磁法控制步進電動機正轉，其勵磁順序如圖2-1所示。若勵磁信號反向傳送，則步進電動機反轉。
圖2-1 1相勵磁法
B、2 相勵磁法：在每一瞬間會有二個線圈同時導通。因其轉矩大，振動小，故為目前用最多的勵磁方式，每送一勵磁信號可走1.8 度。若以2 相勵磁法控制步進電動機正轉，其勵磁順序如圖所示。若勵磁信號反向傳送，則步進電動機反轉
圖2-2 2相勵磁法
C、1-2 相勵磁法：為1 相與2 相輪流交替導通。因分辨率提高，且運轉平滑，每送一勵磁信號可走0.9 度，故亦廣泛被采用。若以1 相勵磁法控制步進電動機正轉，其勵磁順序如圖2-3所示。若勵磁信號反向傳送，則步進電動機反轉。
圖2-3 1-2 相勵磁法
步進電動機的負載轉矩與速度成反比，速度愈快負載轉矩愈小，當速度快至其極限時，步進電動機即不再運轉。所以在每走一步后，程序必須延時一段時間。
2.4 步進電機的特點
步進電機由于它的運行原理、驅動原理及控制方式的特殊性，使其具有如下特點：
(1)步進電機只能在一定脈沖電源供電下才能運行。
(2)采用脈沖供電方式，即勵磁繞組上施加的不是一個恒定的直流或交流電壓，而是采用電子開關斷續(xù)加以直流電壓。
(3)電機的轉速與脈沖頻率保持嚴格的同步關系。
(4)定位能力高，具有自鎖能力。
(5)具有較大的加速轉矩，其性能的提高與控制方式、驅動電路的參數(shù)等有密切關系。
(6)正反轉及變速響應性好，易于啟動、停止。
(7)電機本體部件少，無刷，可靠性高；
(8)步距角選擇范圍大，可在幾十角分至180范圍內(nèi)選擇，在小步距角情況下，通?？梢栽诔退傧赂咿D矩穩(wěn)定運行，通?？梢圆唤?jīng)減速器直接驅動負載。
(9)同時用一臺控制器控制幾臺步進電機可使它們完全同步運行。速度可在相當寬范圍內(nèi)平滑調(diào)節(jié)。
(10)步進電機帶慣性負載的能力較差。
(11)由于存在失步和共振，因此步進電機的加速、減速方法根據(jù)利用狀態(tài)不同而復雜化。
(12)不能直接使用普通的交流電源驅動。
第三章 元器件選擇及I/O分配
3.1 系統(tǒng)基本框圖的確定
電磁鐵推拉力測試系統(tǒng)的基本框圖如圖3-1所示
圖3-1 系統(tǒng)基本框圖
系統(tǒng)測試原理如圖3-2所示
1-力傳感器安裝座 2-測試臺 3-步進電機 4-滾珠絲桿副 5-移動工作臺 6-力傳感器 7-被測電磁鐵 8-工件安裝座 9-工件安裝工作臺
圖3-2 系統(tǒng)測試原理圖
3.1.1 元器件的選擇
PLC選用西門子S7-200 CPU222 PLC系列，無需擴展。
步進電機選用雷賽公司110HS20兩相混合式步進電機。
驅動器選用與步進電機相配套的雷賽ND1182 步進驅動器。
滾珠絲桿型號為2504-4，導程角4mm。
力傳感器為上海天沐NS-WL1型拉壓力傳感器。
離合器型號為天津市首達永恒離合器廠DLY0-20A。
顯示終端選用國光CJ6812系列液晶顯示終端
3.1.2 雷賽ND1182 步進驅動器
驅動器接口和接線介紹
P1 端口控制信號接口描述如圖3-3所示
圖3-3 P1端口控制信號接口
P2 端口強電接口描述如圖3-4所示
圖3-4 P2端口強電接口
輸入接口電路
輸入接口電路（共陽極接法）控制器集電極開路輸出如圖3-5所示
圖3-5 輸入接口電路（共陽極接法）控制器集電極開路輸出
西門子PLC 系統(tǒng)和驅動器共陽極的連接如圖3-6所示
圖3-6 西門子PLC 系統(tǒng)和驅動器共陽極連接
控制信號時序圖
為了避免一些誤動作和偏差，PUL、DIR 和ENA 應滿足一定要求，如圖3-7所示：
圖3-7 控制信號時序圖
注釋：
（1）t1：ENA（使能信號）應提前DIR 至少5μs，確定為高。一般情況下建議ENA+和ENA-懸空即可。
（2）t2：DIR 至少提前PUL 下降沿5μs 確定其狀態(tài)高或低。
（3）t3：脈沖寬度至少不小于1.2μs。
（4）t4：低電平寬度不小于1.2μs。
ND1182兩相步進電機的典型接線如圖3-8所示
圖3-8 ND1182兩相步進電機的典型接線
工作（動態(tài)）電流設定
四位撥碼開關SW5-SW8 一共可設定16 個電流級別，參見下表3-1。
表3-1 ND1182驅動器工作（動態(tài)）電流設定
輸出峰值電流
輸出均值電流
SW5
SW6
SW7
SW8
0.7A
0.5A
off
off
off
off
1.2A
0.86A
off
off
off
on
1.72A
1.23A
off
off
on
off
2.2A
1.57A
off
off
on
on
2.75A
1.96A
off
on
off
off
3.28A
2.34A
off
on
off
on
3.75A
2.68A
off
on
on
off
4.22A
3.01A
off
on
on
on
4.72A
3.37A
On
off
off
off
5.2A
3.71A
On
off
off
on
5.78A
4.13A
On
off
on
off
6.25A
4.46A
On
off
on
on
6.78A
4.84A
On
on
off
off
7.31A
5.22A
On
on
off
on
7.81A
5.58A
On
on
on
off
8.2A
5.86A
On
on
on
on
細分設定
細分精度由SW1-SW4 四位撥碼開關設定，參見表3-2所示。
表3-2 ND1182驅動器細分設定
步數(shù)/轉
SW1
SW2
SW3
SW4
200
on
on
on
on
400
off
on
on
on
800
on
off
on
on
1600
off
off
on
on
3200
on
on
off
on
6400
off
on
off
on
12800
on
off
off
on
25600
off
off
off
on
1000
on
on
on
off
2000
off
on
on
off
4000
on
off
on
off
5000
off
off
on
off
8000
on
on
off
off
10000
off
on
off
off
20000
on
off
off
off
25000
off
off
off
off
3.1.3 雷賽110HS20兩相混合式步進電機
技術規(guī)格如圖3-9所示
圖3-9雷賽110HS20兩相混合式步進電機技術規(guī)格
外形尺寸如圖3-10所示
圖3-10雷賽110HS20兩相混合式步進電機外形尺寸
接線圖如圖3-11所示
圖3-11 雷賽110HS20兩相混合式步進電機接線圖
3.2 系統(tǒng)控制過程
電磁鐵推拉力測力系統(tǒng)的控制過程：
步進電機的步進角是1.8度，步進電機每轉一圈需要200個脈沖，滾珠絲杠每轉一圈前進4mm。正轉、反轉行程是30mm，所以一個單行程需要1500個脈沖。
現(xiàn)擬定讓步進電機正轉，用100個高速脈沖讓步進電機的速度從0到一個穩(wěn)速，然后穩(wěn)速運行1300個脈沖，再用100個脈沖讓步進電機從穩(wěn)速到0。再讓步進電機反轉，整個反轉過程同正轉一樣，步進電機正轉，反轉各一次，用高速計數(shù)器實時記錄脈沖個數(shù)值。
3.3 控制系統(tǒng)的I/O點及地址分配
控制系統(tǒng)的I/O點及地址分配如圖3-12
圖3-12 控制系統(tǒng)的I/O點及地址分配
第四章 系統(tǒng)控制過程設計
主程序網(wǎng)絡1如圖4-1。
圖4-1 主程序網(wǎng)絡1
主程序網(wǎng)絡1中SM0.1是首次掃描接通，用于初始化，也就是說PLC啟動后第一次掃描置位Q0.1，即給步進驅動器方向端子高電平，步進處于正轉狀態(tài)。S就是置位指令，就是將此置為1。下面的R就是復位指令，將位置為0
主程序網(wǎng)絡2如圖4-2。
圖4-2 主程序網(wǎng)絡2
主程序網(wǎng)絡2中，SM0.1還是初次掃描接通，即PLC接通瞬間第一次掃描周期調(diào)用高速輸出子程序，至于為什么用SM0.1調(diào)用，這是因為西門子PLC中高速輸出的程序調(diào)用必須用脈沖調(diào)用，也就是說子程序不能處于一直調(diào)用狀態(tài)。而復位Q0.0這是高速輸出子程序的格式，防止Q0.0處于高電平而不能進行高速輸出。因為除了正轉調(diào)用高速輸出外，在正轉結束后電機還要反轉，也就是需要二次調(diào)用高速輸出子程序，因為SM0.1只有PLC初次掃描時接通，以后都處于關閉狀態(tài)，所以二次調(diào)用需要用到另外一個中間位，這里本人用了M0.0（也可以是其他中間位），前面說過，高速輸出子程序的調(diào)用必須是脈沖調(diào)用，所以M0.0不能一直接通，而是接通瞬間又要關閉，故后面加一個上升沿|P|復位掉M0.0，這樣M0.0接通時調(diào)用高速輸出，然后又斷開，這樣就形成了一個脈沖來調(diào)用高速輸出子程序，M0.0的置位是在后面做的，后面再講。
如圖4-3所示的主程序網(wǎng)絡3中，由于還要對當前輸出的脈沖進行實施觀測，所以還需要對脈沖進行高速計數(shù)，這里就是調(diào)用高速計數(shù)的子程序，至于為什么用SM0.1，解釋同高速輸出，這個子程序的調(diào)用也必須是脈沖調(diào)用。
圖4-3 主程序網(wǎng)絡3
高速輸出子程序中網(wǎng)絡1中（如圖4-4所示），SM0.0是PLC中一個特殊寄存器，就是一直接通的一個開關。MOV就是寫數(shù)據(jù)的指令，就是將數(shù)據(jù)寫入地址。這是對脈沖三段輸出的輪廓表格式字寫入，因為PTO脈沖輸出是有一個加速段，一個勻速段，一個減速段，一共三段，所以要對這三段的參數(shù)進行設置。西門子PLC脈沖輸出PTO三段輸出的參數(shù)設置格式就是這個樣子的。這是西門子PLC規(guī)定的。
VB500（首地址，這個首地址也可以是其他地址），這里寫入的是一個字節(jié)，固定為3，意思就是三段輸出；VW501，下一個地址，這里是寫入的一個字，寫入的是初始周期，本人這里寫入的是300微秒，VW503是加速段平均變化周期，寫入-2意思是每個脈沖周期大小減2，周期減小，脈沖輸出頻率就會增加，步進速度 加快；VD505，這里寫入的是一個雙字，是加速段的脈沖數(shù)，按照設計要求是100個脈沖，寫入100；VW509是勻速段的脈沖輸出周期，這里寫入100微秒，VW511是勻速段平均變化周期，但是因為勻速段周期是不變的，所以這里固定寫入0；VD513是勻速段的脈沖個數(shù)，按設計要求是1300個脈沖，寫入1300；VW517是減速段的初始周期，也就是勻速段的周期，100微秒；VW519是減速段平均變化周期，寫入2，即每個脈沖周期加2，這樣脈沖頻率就會慢慢降低，電機速度就會 下降；VD521是減速段的脈沖數(shù)，按設計要求是100個，寫入100。
圖4-4 高速輸出子程序中網(wǎng)絡（接上一頁）
圖4-5 高速輸出子程序網(wǎng)絡2
高速輸出子程序網(wǎng)絡2中（如圖4-5），SMB67是高速PTO脈沖輸出的控制字，控制字各個位的意思如圖4-6所示：
圖4-6 高速脈沖輸出控制字
由于用的是Q0.0作為脈沖輸出，所以要用到SMB67，而不是SMB77，SMB67是一個字節(jié)，有8個位組成，分別是SM67.0~SM67.7，每個位的意思如上圖所示。這里寫入的是2#10100000，這是一個二進制數(shù)，也就是只有SM67.7和SM67.5為1，其他幾個位都是0，這個意思就是啟用PTO/PWM高速脈沖輸出（SM67.7為1），選擇PTO模式（SM67.6為0），多段操作（SM67.5為1），異步更新（SM67.4為0，這個參數(shù)一般不常用，影響不大），周期單位選擇為微秒（SM67.3為0），脈沖計數(shù)無更新（SM67.2為0.，因為脈沖數(shù)都在多段輪廓表里規(guī)定過了，所以不需要更新），脈寬無更新（SM67.1為0，PTO輸出的脈寬是不變的，占空比一直都是50%，所以這個參數(shù)只針對PWM模式才有效），周期無更新（SM67.0為0，周期值輪廓表已規(guī)定，這里不需要更新）。
SMW168這里要寫入前面我們?nèi)屋喞淼氖椎刂?，首地址是VB500，所以這里寫入數(shù)據(jù)500，至于為什么寫到SMW168里面，這是西門子PLC規(guī)定的。
ATCH這是連接中斷，INT0是進入中斷子程序INT0，19是中斷號，19號中斷就是PTO0輸出完成。這個指令的意思就是Q0.0的PTO脈沖輸出完成后程序就進入中斷子程序INT0進行一周期的掃描。
PLS是脈沖輸出的指令，在前面對各種參數(shù)設置完成后就要調(diào)用這個指令開始脈沖輸出了。
圖4-7 高速計數(shù)子程序
高速計數(shù)子程序如圖4-7所示，用SM0.1調(diào)用，這是西門子PLC高速計數(shù)的格式，規(guī)定是SM0.1調(diào)用，SMB37，這個地址里是寫入高速計數(shù)的控制字，如圖4-8所示。一般采用的是計數(shù)器HSC0，所以控制字是SMB37，同上面講到的高速輸出控制字，這個控制字也是一個字節(jié)，由8位組成，為SM37.0--SM37.7。這里寫入的數(shù)據(jù)是16#F8，這是一個十六進制數(shù)，換成二進制就是2#11111000，意思就是啟用HSC，更新當前計數(shù)值（因為下面要想當前計數(shù)值里寫入數(shù)據(jù)0，所以要更新），更新預設值（理由同計數(shù)值），更新方向（因為我們這里只是計數(shù)當前輸出脈沖，并不管脈沖的方向，所以這里無所謂），向上計數(shù)（就是增計數(shù)，每給驅動器一個脈沖，計數(shù)值就加1），其他三個位用不到。
圖4-8 高速計數(shù)的控制字
HDEF是定義高速計數(shù)器的模式，參數(shù)HSC為0的意思就是使用高速計數(shù)器HSC0，參數(shù)MODE是9的意思就是采用模式9，模式的意思如圖4-9。模式9是A/B相正交計數(shù)器，因為有AB兩相，所以采用了模式9，這樣A相就接I0.0，B相就接I0.1。
圖4-9 （接上一頁）
SMD38這個地址里放的是當前計數(shù)值，因為計數(shù)從0開始計數(shù)，所以寫入0。SMD42這個地址放的是預設值，這個一般用于高速計數(shù)中斷，因為用不到高速計數(shù)中斷，所以這里的預設值只需要大于前面輸出脈沖個數(shù)的最大值就可以了。HSC就是調(diào)用高速計數(shù)了，在各種參數(shù)都寫入規(guī)定好后就要調(diào)用了。
圖4-10 中斷子程序INTO網(wǎng)絡1
中斷子程序INT0網(wǎng)絡1如上圖4-10所示，前面說過這個中斷子程序是PTO高速輸出完成后所要掃描的程序，網(wǎng)絡1的意思就是在PTO高速輸出完成后，也就是正轉完成后，復位掉方向輸出Q0.1，即這時驅動器的方向控制端子為低電平，電機進入反轉狀態(tài)，因為反轉也需要脈沖驅動，并且也是加速、勻速、減速三個階段，并且加減速的各種參數(shù)以及脈沖數(shù)都和正轉是相同，所以需要二次調(diào)用高速脈沖輸出，所以這里置位M0.0、M0.0置位后，在主程序網(wǎng)絡2中高速輸出子程序的前面又接通了，所以就實現(xiàn)了二次調(diào)用。至于為什么在置位M0.0前面加上一個Q0.1的常開點，這是因為如果不加這個常開點在反轉脈沖輸出結束后程序再次進入中斷子程序，再次置位M0.0，這樣就會出現(xiàn)三次調(diào)用高速輸出，電機就會在反轉結束后再次轉動，與要求不符，所以加個Q0.1的常開點，這樣在第一次正轉結束后進入中斷時，因為此時是正轉狀態(tài)方向Q0.1是1（在主程序網(wǎng)絡1中初始化置位），所以這個時候Q0.1的常開點是接通的，就能成功置位M0.0實現(xiàn)高速輸出子程序的二次調(diào)用，而在反轉脈沖輸出完成后進入中斷時，這是是反轉狀態(tài)，Q0.1是0，Q0.1的常開點是斷開的，所以這時就不能置位M0.0，就不會出現(xiàn)三次調(diào)用。
圖4-11 中斷子程序INT0網(wǎng)絡2
中斷子程序INTO網(wǎng)絡2如上圖4-11所示，在正轉脈沖輸出完成后進入中斷，然后就將0寫入SMD38，前面說過SMD38這個地址的數(shù)據(jù)是高速計數(shù)的當前值，所以正轉結束進入中斷后就清零當前值，為下次反轉做準備；同樣反轉結束后也是清零，為下次使用電機正傳的計數(shù)做準備。
SMB37是16#C0，這是高速計數(shù)的控制字，各個位的意思前面已經(jīng)介紹過，16#C0換算成二進制數(shù)就是2#11000000，即啟用高速計數(shù)，更新當前值。因為要重新清零當前值，所以要對當前值更新的這個位置1。下面就是調(diào)用HSC0，前面對當前值的更改只有在調(diào)用這個HSC指令后才能生效。
至此整個設計過程結束。
符號表見圖3-12
結束語
本次畢業(yè)論文設計是基于PLC控制步進電機，借助于力傳感器技術實現(xiàn)對電磁鐵推拉力測試，是在指導老師的指導和嚴格監(jiān)督下完成的。通過這次設計，本人對所學的知識在實際應用中有了更感性的認識和全新的體會。本次論文設計讓我學會了怎樣實現(xiàn)PLC對步進電機的控制。對PLC、步進電機、電磁鐵等有了更深刻了解。學會了用PLC編程、PLC的基本指令及其功能指令。理解了步進電機、驅動器、電磁鐵等的工作原理和使用方法。
這次畢業(yè)設計不僅增強了我的專業(yè)方面的能力，在與小組成員的合作中，也學會了溝通和合作，學會共同解決問題，互幫互助。對于各自的問題也有更深的理解。也鍛煉了我們在問題和困難面前的耐心與毅力，不輕易放棄，一遍不行就試第二遍，相信自己最終都能解決。當然要感謝毛老師在整個設計中對我們耐心詳細的講解和輔導，及理論和技術等各方面的支持。使我們能更好的完成畢業(yè)設計。
參考文獻
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附錄I 程序梯形圖
主程序
子程序 高速脈沖輸出:
子程序 高速計數(shù)器
子程序 中斷程序
附錄Ⅱ 程序語句表
主程序:
Network 1 Q0.1接步進驅動器方向脈沖，初始化置位Q0.1，步進正傳
LD SM0.1
S Q0.1, 1
Network 2 調(diào)用高速脈沖輸出，同時M0.0作為第一次正傳脈沖輸出結束后使能反轉脈沖輸出
LD SM0.1
O M0.0
CALL SBR0
R Q0.0, 1
EU
R M0.0, 1
Network 3 調(diào)用高數(shù)計數(shù)
LD SM0.1
CALL SBR1
子程序高速脈沖輸出:
Network 1 這是西門子PLC中高速PTO脈沖輸出3段輸出的格式字，3是指三段（加速段，勻速段，減速段），Q0.0是脈沖輸出點，接驅動器脈沖信號端
LD SM0.0
MOVB 3, VB500
MOVW 100, VW501
MOVW -2, VW503
MOVD 100, VD505
MOVW 100, VW509
MOVW 0, VW511
MOVD 1300, VD513
MOVW 100, VW517
MOVW 2, VW519
MOVD 100, VD521
Network 2 這是執(zhí)行PTO高速輸出指令，同時在輸出結束進入中斷
LD SM0.0
MOVB 2#10100000, SMB67
MOVW 500, SMW168
ATCH INT0, 19
ENI
PLS 0
子程序高速計數(shù):
Network 1 這是西門子高速計數(shù)器格式，采用HSC0計數(shù)器9號模式（AB相正交，A接I0.0，B接I0.1）
LD SM0.1
MOVB 16#F8, SMB37
HDEF 0, 9
MOVD 0, SMD38
MOVD 99999999, SMD42
HSC 0
中斷程序:
Network 1 在正傳脈沖輸出結束后復位Q0.1，反轉，同時置位M0.0，在主程序中再次調(diào)用脈沖輸出，實現(xiàn)反轉運行
LD SM0.0
LPS
A Q0.1
S M0.0, 1
LPP
R Q0.1, 1
Network 2
// 正傳脈沖輸出結束后，高速計數(shù)器清零，為反轉脈沖計值做初始化
LD SM0.0
MOVD 0, SMD38
MOVB 16#C0, SMB37
HSC 0
附錄Ⅲ 控制系統(tǒng)外部接線圖