1、PLC 控制系统课程设计1第 1 章 控制工艺流程分析1.1 步进电机的控制过程描述近年来,数控机床及数控技术得到了飞速发展,在柔性、精确性、可靠性和宜人 性等方面的功能越来越完善,已成为现代先进制造业的基础。 数控就是数字控制,数控技术在机床行业应用得多,就是依靠数字(电脑编程)来控制机床,具有效率高,精度高等主要特点。数控技术是指用数字、文字和符号组成的数字指令来实现一台或多台机械设备动作控制的技术。它所控制的通常是位置、角度、速度等机械量和与机械能量流向有关的开关量。数控的产生依赖于数据载体和二进制形式数据运算的出现。1908 年,穿孔的金属薄片互换式数据载体问世;19 世纪末,以纸为数
2、据载体并具有辅助功能的控制系统被发明;1938 年,香农在美国麻省理工学院进行了数据快速运算和传输,奠定了现代计算机,包括计算机数字控制系统的基础。数控技术是与机床控制密切结合发展起来的。1952 年,第一台数控机床问世,成为世界机械工业史上一件划时代的事件,推动了自动化的发展。现在,数控技术也叫计算机数控技术,目前它是采用计算机实现数字程序控制的技术。这种技术用计算机按事先存贮的控制程序来执行对设备的控制功能。由于采用计算机替代原先用硬件逻辑电路组成的数控装置,使输入数据的存贮、处理、运算、逻辑判断等各种控制机能的实现,均可通过计算机软件来完成。步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开
3、环控制元步进电机件。在非超载的情况下,电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数,而不受负载变化的影响,当步进驱动器接收到一个脉冲信号,它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度,称为“步距角” ,它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量,从而达到准确定位的目的;同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度,从而达到调速的目的。通常电机的转子为永磁体,当电流流过定子绕组时,定子绕组产生一矢量磁场。该磁场会带动转子旋转一角度,使得转子的一对磁场方向与定子的磁场方向一致。当定子的矢量磁场旋转一个角度。转子也随着该磁场转一个角度。每输入一个电脉冲
4、,电动机转动一个角度前进一步。它输出的角位移与输入的脉冲数成正比、转速与脉冲频率成正比。改变绕组通电的顺序,电机就会反转。所以可用控制脉冲数量、频率及电动机各相绕组的通电顺序来控制步进电机的转动。步进电机驱动器,它是把控制系统发出的脉冲信号转化为步进电机的角位移,或者说:控制系统每发一个脉冲信号,通过驱动器就使步进电机旋转一个步距角。也就是说步进电机的转速与脉冲信号的频率成正比。所以控制步进脉冲信号的频率,就可以对电机精确调速;控制步进脉冲的个数,就可以对电机PLC 控制系统课程设计2精确定位。步进电机驱动器有很多,应以实际的功率要求合理的选择驱动器。步进电机需要提供具有一定驱动能力的脉冲信号
5、才能正常工作,脉冲信号由单片机输出的激励信号经过脉冲分配产生。脉冲分配可以通过硬件模拟分配电路实现,也可以利用软件方便地实现。一个完整的驱动电路不仅需要激励信号,还需有足够的功率。在一般的电路驱动中,需将由 CPU 产生的脉冲信号经过功率放大后,再接到步进电机输入端。随着大规模集成电路技术的发展,逐渐出现了很多专门用于步进电机控制的脉冲分配芯片,它们配合功率放大的驱动电路可以实现步进电机的驱动。1.2 PLC 控制步进电机的控制工艺分析可编程序控制器简称 PLC,是在继电器控制和计算机控制的基础上开发出来的,并逐渐发展成以微处理器为核心,把自动化技术、计算机技术、通讯技术融为一体的新型工业自动
6、控制装置。它具有可靠性高、环境适应性好、编程简单、使用方便以及体积小、重量轻、功耗低等优点,因此迅速普及并成为当代工业自动化的支柱设备之一。PLC 所有的 I/O 接口电路均采用光电隔离,使工业现场的外电路与 PLC 内部电路之间电气上隔离;各输入端均采用 RC 滤波器,其滤波时间常数一般为1020ms ;各模块均采用屏蔽措施,以防止辐射干扰;采用性能优良的开关电源:具有良好的自诊断功能一旦电源或其他软、硬件发生异常情况,CPU 立即采用有效措施,以防止故障扩大;简化编程语言,对信息进行保护和恢复设置警戒时钟 WDT;对程序和动态数据进行电池后备。上述措施使 PLC有高的可靠性。而采用循环扫描
7、工作方式也提高其抗干扰能力。PLC 在工业自动化领域起着举足轻重的作用。在国内外已广泛应用于机械、冶金、石油、化工、轻工、纺织、电力、电子、食品、交通等行业。实践证明80以上的工业控制可以使用 PLC 来完成。PLC 可用于逻辑顺序控制、过程控制、运动及位置控制、数据处理、通信联网等。使用 PLC 可实现步进电机的控制。可使步进电机动作的抗干扰能力强、可靠性高。 时至今日,软件以及电子设备等相关技术都有了长足发展。虽然软件的发展速度比不上硬件的发展速度那么迅速,但已能满足现在的工业需求。对步进电机的传统控制通常完全由硬件电路搭接而成。随着 PLC 的普及,现在已普遍采用硬件与软件相结合的方式对
8、其进行控制,这种控制方法有很多优点,比如:可以实现高精度的控制,降低成本,降低控制难度,简化控制电路等。今后步进电机的总体发展趋势是向着低功耗、高频率精度、多功能、高度自动化和智能化的方向发展。PLC 作为简单化了的计算机,功能完备、灵活、通用、控制系统简单易懂,价格便宜,可现场修改程序,体积小、硬件维护方便,价格便宜等优点,在全世界广泛应用,为生产生活带来巨大效益方便。因此,通过研究用 PLC 来控制步进电动机的,既可实现精确定位控制,又能降低控制成本,还有利于维护。PLC 控制系统课程设计3以往的步进电动机需要靠驱动器来控制,随着技术的不断发展完善,PLC 具有了通过自身输出脉冲直接步进电
9、动机的功能,这样就有利于步进电动机的精确控制。PLC 对步进电机的控制主要包括三个方面,即步进电机的转速控制、方向控制、步数控制。改变步进电机定子绕组的通电顺序,就改变步进电机的旋转方向,改变脉冲频率,就改变步进电机的转速,改变脉冲个数。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。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。步进电机具有较好的控制性能,其启动、停车、反转及其它任何运行方式
10、的改变,都在少数脉冲内完成,且可获得较高的控制精度,因而得到了广泛的应用。步进电机控制的最大特点是开环控制,不需要反馈信号。因为步进电机的运动不产生旋转量的误差累积。本系统 PLC 选用 S7-200PLC。其控制系统如图 1-1 所示。图 1-1 PLC 控制步进电机系统框图PLC 控制系统课程设计4第 2 章 控制系统总体方案设计2.1 系统硬件组成可编程控制器有两种基本的工作状态,即运行(RUN)状态与停止(STOP )状态。在运行状态中,可编程控制器通过执行反应控制来实现用户的控制要求。为了使可编程控制器的输出及时地响应随时可能变化的输入信号,用户程序不仅仅执行一次,而是反复不断地重复
11、执行,直到可编程控制器停机或切换到 STOP 工作状态。下面用一个简单的例子来进一步说明可编程序控制器的扫描工作过程。图2-1 所示的 PLC 的输入输出接线图,起动按钮 SB1 和停止按钮 SB2 的常开触点分加别接在编号为 X000 和 X001 的可编程控制器的输入端,接触器 KM 的线圈接在编号为 YO00 的可编程控制器的输出端。图(b)是这 3 个输入/ 输出变量对应的 I/O 映像寄存器。图(c)是可编程控制器的梯形图,它与图 2.1 所示的继电器电路的功能相同。但是应注意,梯形图是一种程序,是可编程控制图形化的程序。图中的 X000 等是梯形图中的编程元件,XO00 与 X00
12、1 是输入继电器,Y000 是输出继电器。编程元件 X000 与接在输入端子 XO00 的 SB1 的常开触点和输入映像寄存器 XO00 相对应,编程元件 Y000 与输出映像寄存器 Y000 和接在输出端子 Y000 的可编程控制器内部的输出电路相对应。图 2-1 PLC 的外部接线图与梯形图PLC 采用了典型计算机结构,主要包括 CPU、RAM 、ROM 和输入/ 输出接口电路等。把 PLC 看作一个系统,该系统由输入变量-PLC-输出变量组成,外部各种开关信号、模拟信号、传感器检测信号均作为 PLC 输入变量,它们经PLC 外部端子输入到内部寄存器中,经 PLC 内部逻辑运算或其它各种运
13、算、处理后送到输出端子,它们是 PLC 输出变量,由这些输出变量对外围设备进行各种控制。PLC 的系统硬件结构如图 2-2 所示。PLC 控制系统课程设计5图 2-2 PLC 系统硬件图在输出处理阶段,CPU 将各输出映像寄存器中的二进制数传送给输出模块并锁存起来,如果输出映像寄存器 Y000 中存放的是二进制数“1”,外接的 KM 线圈将通电,反之将断电。X000,X001 和 Y000 的波形高电平表示按下按钮或 KM 线圈通电,当 TT1 时,读入输入映像寄存器 X000 和 X001 的均为二进制数“0”此时输出映像寄存器Y000 中存入的亦为“0”在程序执行阶段,经过上述逻辑运算过程
14、之后,运算结果仍为 Y000=0,所以 KM 的线圈处于断电状态.在 TT1 区间,虽然输入/输出信号的状态没有变化,用户程序确在一直反复不断地执行着。T=T1 时按下起动按钮SB1,X0 变为“1”状态,经逻辑运算后 Y000 变为“1”状态,在输出处理阶段,将 Y000 对应的输出映像寄存器中的“1”送到输出模块,将可编程控制器内Y000 对应的物理继电器的常开触点接通,使接触器 KM 的线圈通电。梯形图以指令的形成储存在可编程控制器的用户程序存储器中,梯形图与下面的 4 条指令对应“;”之后是该指令的注解。LD X000 ;接在左侧母线上的 X000 的常开触点。OR Y000 ;与 X
15、00O 的常开触点并联的 Y000 的常开触点。ANI X001 ;与并联电路串联的 X001 的常闭触点。OUT Y000 ;Y000 的线圈。在输入处理阶段,CPU 将 SB1,SB2 的常开触点的状态读入相应的输入映像寄存器,外部触点接通时存入寄存器的是二进制数“1”,反之存入“0”。执行第一条指令时,从输入映像寄存器 X000 中取出二进制数并存入运算结果寄存器。PLC 控制系统课程设计6执行第二条指令时,从输出映像寄存器 Y000 中取出二进制数,并与运算结果寄存器中的二进制数相“或”(触点的并联对应“或”结算),然后存入运算结果寄存器。执行第三条指令时,取出输入映像寄存器 X001
16、 中的二进制数,因为是常闭触点,取反后与前面的运算结果相“与”(电路的串联对应“与”运算),然后存入运算结果寄存器。在输出处理阶段,CPU 将各输出映像寄存器中的二进制数传送给输出模块并锁存起来,如果输出映像寄存器 Y000 中存放的是二进制数“1”,外接的 KM 线圈将通电,反之将断电。X000,X001 和 Y000 的波形高电平表示按下按钮或 KM 线圈通电,当 TT1 时,读入输入映像寄存器 X000 和 X001 的均为二进制数“0”此时输出映像寄存器Y000 中存入的亦为“0”在程序执行阶段,经过上述逻辑运算过程之后,运算结果仍为 Y000=0,所以 KM 的线圈处于断电状态.在
17、TT1 区间,虽然输入/输出信号的状态没有变化,用户程序确在一直反复不断地执行着。T=T1 时按下起动按钮SB1,X0 变为“1”状态,经逻辑运算后 Y000 变为“1”状态,在输出处理阶段,将 Y000 对应的输出映像寄存器中的“1”送到输出模块,将可编程控制器内Y000 对应的物理继电器的常开触点接通,使接触器 KM 的线圈通电。22 控制方法分析工作原理:步进电机是将给定的电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。给定一个电脉冲信号,步进电机转子就转过相应的角度,这个角度就称作该步进电机的步距角。目前常用步进电机的步距角大多为 1.8 度(俗称一步)或 0.9 度(俗称半步) 。以步
18、距角为 0.9 度的进步电机来说,当我们给步进电机一个电脉冲信号,步进电机就转过 0.9 度;给两个脉冲信号,步进电机就转过 1.8 度。以此类推,连续给定脉冲信号,步进电机就可以连续运转。由于电脉冲信号与步进电机转角存在的这种线性关系,使得步进电机在速度控制、位置控制等方面得到了广泛的应用.步进电机的位置控制是靠给定的脉冲数量控制的。给定一个脉冲,转过一个步距角,当停止的位置确定以后,也就决定了步进电机需要给定的脉冲数。其工作原理如下:设 A 相首先通电,转子齿与定子 A、A对齐。然后在 A 相继续通电的情况下接通 B 相。这时定子 B、B极对转子齿 2、4 产生磁拉力,使转子顺时针方向转动
19、,但是 A、A极继续拉住齿 1、3,因此,转子将转到两个磁拉力平衡为止。即转子顺时针转过了 15。接着 A 相断电,B 相继续通电。这时转子齿2、4 和定子 B、B极对齐,转子从图(b)的位置又转过了 15。这样,如果按AA、BBB、CCC、AA的顺序轮流通电,则转子便顺时针方向一步一步地转动,步距角 15。电流换接六次,磁场旋转一周,转子前进了一个齿距角。如果按 AA、CCC、BBB、AA的顺序通电,则电机转子逆时针方向转动。PLC 控制系统课程设计7图 2-3 步进电机通电方式原理图控制方案:(1)三相步进电动机有三个绕组: A、B、C正转通电顺序为:AABBBCCCA反转通电顺序为:AC
20、ACBCBAB(2)用 7 个开关控制其工作#1 开关控制其运行 ( 启 )。#2 开关控制其运行 ( 停 )。#3 号开关控制其低速运行 (转过一个步距角需 0.5 s)。#4 号开关控制其中速运行 (转过一个步距角需 0.1 s)。#5 号开关控制其高速运行 (转过一个步距角需 0.04 s)。#6 号开关控制其转向 ( ON 为正转 )。#7 号开关控制其转向 ( OFF 为反转)。23 I/O 分配步进电动机以最常用的三相六拍通电方式工作,并要求步进电动机设有快速、慢速控制、正反转及单步控制 4 种控制方式。根据要求,可选用 C28PCDTD 的 PLC 进行控制并设计出步进电动机的
21、PLC 控制系统 I/O 接线图。PLC 控制系统课程设计8图 2-4 步进电动机的 PLC 控制系统 I/O 接线图步进电动机 PLC 控制系统梯形图设计图 2-5 步进电动机的 PLC 控制系统梯形图24 系统结线图设计PLC 机型选择的基本原则是:在功能满足要求的前提下,选择最可靠、维护使用最方便以及性价比最优的机型。通常做法是,在工艺过程比较固定、环境条件较好的场合,建议选用整体式结构的 PLC;其他情况则最好选用模块式结构的 PLC;对于开关量控制以及以开关量控制为主、带少量模拟量控制的工程项目中,一般其控制速度无须考虑,因此,选用带 A/D 转换、D/A 转换、加减运算、数据传送功
22、能的低档机就能满足要求;而在控制比较复杂,控制功能要求比较高的工程项目中(如要实现 PID 运算、闭环控制、通信联网等) ,可视PLC 控制系统课程设计9控制规模及复杂程度来选用中档或高档机(其中高档机主要用于大规模过程控制、全 PLC 的分布式控制系统以及整个工厂的自动化等) 。本次设计选择的是三菱系列的 FX1N 系列。图 2-6 控制系统原理图图 2.6 是控制系统的原理接线图,图 2-6 中 Y7 输出的脉冲作为步进电机的时钟脉冲,经驱动器产生节拍脉冲,控制步进电机运转。同时 Y7 接至 PLC 的输入接点 X0,并经 X0 送至 PLC 内部的 HSC。HSC 计数 Y7 的脉冲数,
23、当达到预定值时发生中断,使 Y7 的脉冲频率切换至下一参数,从而实现较准确的位置控制。控制系统的运行程序:第一句是将 DT9044 和 DT9045 清零,即为 HSC 进行计数做准备;第二句第五句是建立参数表,参数存放在以 DT20 为首地址的数据寄存器区;最后一句是启动 SPD0 指令,执行到这句则从 DT20 开始取出设定的参数并完成相应的控制要求。由第一句可知第一个参数是 K0,是 PULSE 方式的特征值,由此规定了输出方式。第二个参数是 K70,对应脉冲频率为 500Hz,于是 Y7 发出频率为 500Hz 的脉冲。第三个参数是 K1000,即按此频率发 1000 个脉冲后则切换到下一个频率。而下一个频率即最后一个参数是 K0,所以当执行到这一步时脉冲停止,于是电机停转。故当运行此程序时即可使步进电机按照规定的速度、预定的转数驱动控制对象,使之达到预定位置后自动停止。PLC 控制系统课程设计10第 3 章 控制系统梯形图程序设计3.1 步进电机控制流程图由 PLC 控制步进电机的程序流程图如图 3-1 所示图 3-1 步进电机控制流程图