毕业设计（论文）-基于MCGS组态软件的步进电机滑台控制系统.docx

基于MCGS组态软件的步进电机滑台控制系统学生姓名院系名称专业名称班 级 学 号指导教师完成时间I基于MCGS组态软件的步进电机滑台控制系统 摘要 随着社会的发展，科技的不断进步，工业也生产越来越趋向自动化。而自动化控制系统采用最多的最多的就是PLC与计算机的结合，实现程序控制，数据采集分析，参数设定可以实现对工业生产的控制与监控。而工业生产中电机者扮演者重中之重的角色。设计所用到的步进电机广泛的用于数控车床与机器人系统中。 设计涉及到的步进电机的运行方式程序设计以及MCGS的监控画面设计两大方面。主要包括下面几个方面:（1）该系统采用4相步进电机对丝杆滑台进行水平位移控制。（2）采用MCGS设计组态窗口，实现对步进电机的多种方式运行控制及设置。（3）能够在组态窗口实时显示滑台位移信息等，能够模拟多工位控制功能。（4）在PLC上设计实现下位机控制程序，与MCGS实现交互功能。关键词 步进电机 MCGS 自动控制 滑台Based on the MCGS stepper motor control systemAbstract with the development of the society, the progress of science and technology, industrial production also are becoming more and more automation.And automation control system adopts the most the most is the combination of PLC and the computer implementation process control,Data collection and analysis, parameter setting can be achieved for the control and monitoring of industrial production.And the motor in industrial production ,Who played a key role.This paper used stepping motor is widely used in CNC lathe and machine People in the system. This article involves the stepping motor of the operation mode of the program design and the MCGS design two monitoring pictureBig aspects.Mainly includes the following several aspects:(1) the system USES 4 phase stepper motor to control the horizontal displacement screw sliding table.(2) based on the MCGS design window, to achieve a variety of ways of running the stepper motor control and Settings.(3) be able to set up a real-time display the configuration window sliding displacement information, etc., to simulate multi-station control function.(4) on the PLC control program design is implemented under the machine, and the MCGS to realize interaction function.Keywords stepper motor MCGS automatic control sliding table II目 录摘要IAbstract II1 绪论11.1课题的背景和研究意义11.2国内外现状和动态11.2.1 PLC应用现状概述11.2.2 MCGS组态软件现状概述21.3 设计完成的主要工作22 MCGS软件及STEP 7-Micro/WIN软件介绍32.1 MCGS组态软件介绍32.1.1 MCGS五大组成部分32.1.2 MCGS软件的功能特点32.1.3 MCGS软件与PLC通讯42.2 PLC STEP 7-Micro/WIN软件介绍62.2.1 硬件连接62.2.2 常用指令介绍93 课题软件设计及硬件设计123.1 课题分析及方法123.1.1 42系列四相步进电机控制原理123.1.2 步进电机速度快慢控制123.1.3 步进电机的正反转设计123.2 MCGS软件设计123.2.1 MCGS总控系统画面123.2.2 实时数据库数据对象组态143.2.3 设备窗口组态143.2.4 运行策略163.3下位机PLC梯形图程序设计193.3.1 产生脉冲信号梯形图193.3.2 电机正转梯形图223.3.3 电机反转梯形图243.3.4 最终输出控制梯形图273.4 硬件设计284 总结314.1 设计遇到的问题314.1.1 通讯314.1.2 电机反转程序314.2 设计特点314.2.1电机运行方式314.2.2 电机的速度控制324.2.3 组态软件的监控画面324.2.4 运行策略的应用32参考文献331 绪论1.1课题的背景和研究意义 在这个科技飞速发展的时代，人们在生产活动中，滑台的控制系统在实际的工作中应用的也非常的多，通过滑台带动着工件运载到指定工位，实现对工件的加工与转移。滑台的应用大大的提高了工厂的生产效率。在现代化生产过程中担当着重要的角色。 设计研究的滑台是由PLC控制，步进电机带动。步进电机是一种特种电机，它歩进角小，控制精度强，惯性影响小，工作稳定，被广泛的应用于自动化。 随着PLC的不断发展，其功能越来越强大，各种运算功能和各类功能指令的加入，使得PLC对步进电机的控制应用变得更加广泛。使用PLC对步进电机进行控制，可使得步进电机的抗干扰能力更强，可靠性更高 高娟，遥控步进电机控制电路的设计J.电子制作，日照市技师学院 276826，2014年6期，P24P25 ,同时，由于实现了模块化结构，使系统构成更加灵活，而且编程语言简单易学，易于掌握。而且PLC程序，可以进行在线修改，体积小，维修方便。 1.2国内外现状和动态1.2.1 PLC应用现状概述 社会在进步，特别在科学技术领域，近些年也发展的很快，在很多的工厂PLC的应用也越来越多，它的使用大大的提高了工厂的生产效率 张俊莉，PLC在电气自动化中的应用探究J.决策与信息（中旬刊），华能九台电厂 吉林九台 130500，2014年7期，P140P140。PLC有很多强大的功能，它可以对数据进行处理，可以用程序控制，可以参数设定和数据之间可以通信，能够实时的监控自动化生产生产过程 朱璐，MCGS组态软件在自动加药机系统中的设计与实现D.湖南大学，2012。PLC发展到今天，已经形成了大、中、小各种不同型号的产品 薛威，用PLC控制的交通信号灯J.未知，苏州职称评定中心。PLC的发展也进入了比较成熟的时期，其功能完善，适用性强，抗干扰能力强，可靠性高 刘嘉，浅谈PLC控制系统在选矿中的应用J.中国科技博览，河北邯邢矿台设计院有限公司,056001，2012年16期，P246P246。目前PLC已广泛应用于各个领域。其使用情况可大致分为：开关量的逻辑控制、模拟量控制、运动控制、过程控制、数据处理、通信联网等 刘子涛，轴类自动校直机控制系统研究D.重庆理工大学，2013。流水线的生产应用了很多开关量的逻辑控制；模拟量的控制主要针对工业生产中，温度、压力等模拟量，在对这些量进行控制时会涉及到数模的转换，给PLC配模数或数模转换模块，PLC就可以实现对温度、压力等模拟信号进行控制；运动控制被机械、机床、电梯等各种系统所使用；过程控制是一种在全世界很多工厂、企业都使用的很多闭环控制，简单的说，它是指对温度、流量等模拟量的控制，其应用非常广泛 谢加副，金属钾成型生产线研究与设计D.南京理工大学，2009；PLC内部有很多的运算模块，有函数逻辑等运算，所以可以实现对数据的处理功能；PLC发展至今，商家也越来越注重其之间的通信，PLC与PLC的通信让其在使用时更加的方便。1.2.2 MCGS组态软件现状概述 在工业自动化领域，其具有代表性的组态软件之一就是MCGS。MCGS是由北京昆仑通态自动化软件公司研发的。MCGS软件，是一款很符合中国人习惯的组态软件，比如说它里面的变量都可以是中文。它的主要功能是建立组态监控画面，并与下位机PLC进行通信，实现数据的收集，处理，并传送数据 许登阁，组态软件在水厂泵站监控系统中的应用J.工业控制计算机，郑州市自来水总公司,河南,郑州,450013，2008年1期，P86P87。MCGS组态软件有网络版、通用版、嵌入版。MCGS软件简单易学，其其监控画面设计也比较随意，能够装载位图，使其监控画面能够很形象的模拟工业生产现场。1.3 设计完成的主要工作 设计涉及到的步进电机的运行方式程序设计以及MCGS的监控画面设计两大方面。主要包括下面几个方面:（1）该系统采用4相步进电机对丝杆滑台进行水平位移控制。（2）采用MCGS设计系统控制画面，实现对步进电机的多种方式运行控制及设置。（3）能够在组态窗口实时显示滑台位移信息等，能够模拟多工位控制功能。（4）在PLC上设计实现下位机控制程序，与MCGS实现交互功能。2 MCGS软件及STEP 7-Micro/WIN软件介绍2.1 MCGS组态软件介绍2.1.1 MCGS五大组成部分图1 MCGS五大组成部分1 主控窗口 主控窗口用于展现工程总体外观，调度设备窗口，管理用户窗口，调用策略等。2 设备窗口 通过设备窗口中的通道链接，可以使上位机软件MCGS能收集PLC的数据，也可以将数据传输给PLC。3 用户窗口 用户窗口用来绘制监控画面。可以生动形象的模拟工业生产现场的情况。4 实时数据库 用于设置控制系统所需要的变量，常量等。数据类型可以是：开关型，数值型，字符型，事件型与组对象。5 运行策略 运行策略：通过编写脚本程序，辅助PLC的程序控制。使设计更为灵活，简洁。运行策略的分类：启动策略、用户策略、循环策略。启动策略：当系统运行开始时执行一次。用户策略：当达到用户设定的条件时，策略执行一次循环策略：按照设定的循环时间，不断的扫描周期性执行。2.1.2 MCGS软件的功能特点MCGS组态软件的功能特点： 简单形象的操作界面。MCGS是全中文的开发界面，在学习时上手会比较快。其用户窗口的设计，能够很形象的模拟工业生产设备，可视性很好。 丰富、生动的多媒体画面。操作员可以通过MCGS的图像、图符、数据、曲线等功能，及时获得系统在运行过程中的状况；其画面可以通过改变灯的亮灭，或者图形颜色的改变，或者是滑块的移动等来增强画面的动态感；MCGS软件还有很多的生动形象的小元器件，在建立组态画面时，大大的简化了画面的设计。 安全性好。MCGS有很多安全功能，MCGS可以对工程进行加密、锁定软件狗、设置工程运行的期限等功能，以保护组态开发者的成果 徐军峰，六面顶压机控制系统的研制D.天津大学，2003。 强大的网络功能。我们可以用IE浏览器，实现数据在整个企业区域的共享，方便的企业的管理。 多样化的报警功能。MCGS有很多不同的报警类型与报警函数。在设置报警时调用方便。其完善的报警系统，大大的提高了自动化工厂的安全水平。 方便控制复杂的运行流程。MCGS的策略窗口：我们可以编写用户策略，启动策略，循环策略。来辅助控制PLC程序。可以大大简化，PLC程序的设计。 MCGS系统可靠性高。MCGS中数据组态设计时的数据对像、报警信息以及运行时产生的数据都是生成数据库，用数据库对其进行处理。让系统很稳定，数据在通信时也很快。而且数据库的数据也可以用其他的软件进行操作。 对象元件库，组态工作简单方便。对象元件库实际上是储存图库，它本身有很多已有的供我们使用，方便我们绘制监控画面。在实际的设计中我们也可以将自己设计好的原件，添加到图库中，在以后的设计中调用即可。随着工作的积累，我们便有了自己丰富的元件图库，使设计变得更加方便。2.1.3 MCGS软件与PLC通讯本文用到的设备有：图2 MCGS上需要添加的设备设备的添加与设置：图3 串口通讯父设备的添加图4 西门子-S7200设备的添加 双击设备管理，然后在空白处右键，单击设备管理，找到串口父设备，增加；在PLC设备中找到：西门子S7200PPI，点击增加。图5 设备参数设置单击 先单击通用串口父设备，然后再单击西门子-S7200PPI，将其添加到父设备下单击串口父设备0-【通用串口父设备】设置数据将串口端信号的COM设置成与PLC一样的端口数据校验方式设置成偶检验。到此设备通讯就设置完成了。2.2 PLC STEP 7-Micro/WIN软件介绍2.2.1 硬件连接1 线缆驱动安装本设计用到的电缆 是 USB-PPI+ ，需要安装黑色电缆驱动。先用 USB-PPI+ 将电脑与PLC连接起来图6 黑色线缆驱动适用的黑色线缆型号驱动下载好后图7 线缆驱动安装XP系统可以直接点右边箭头直接安装。WIN7系统需要点左边箭头内的SETUP安装。看到驱动安装成功就好了。2 端口设置 打开STEP 7-Micro/WIN软件如图图8 STEP 7-Micro/WIN编程软件主界面点击双箭头所指处，设置端口图9 STEP 7-Micro/WIN软件通讯端口设置按照箭头所指顺序点击，最后将第四个箭头所指，设置成COM端口，安装了线缆驱动就会有。点击OK,这样就设置好了端口。图10 STEP 7-Micro/WIN端口通讯刷新 然后点击通信，不勾选所以波特率，双击刷新，就会找到端口设备，点击确定。至此，PLC就与电脑连接成功了，我们就可以开始编程，并下载程序，调试了。2.2.2 常用指令介绍1 移位指令图11 移位指令的端口功能ROL-B指令，字节循环左移。当EN为1时，IN中的数据开始向左移动，移动N位后的数据将存在OUT中。IN:VB、IB、QB、MB、SB、SMB、LB、AC、*VD、*AC、*LDOUT:IB、QB、MB、SB、SMB、LB、AC、*VD、*AC、*LDN:VB、IB、QB、MB、SB、SMB、LB、AC、*VD、*AC、*LD、常数图12 移位指令应用举例当按下I0.0，MBO中的数据就开始移位，一次移动移位。2 传送指令图13 传送指令MOV-B字节传送指令，如图，上电后，将IN中的数据1传个寄存器MB03 定时器图14 定时器指令PT端的数据可以是变量也可以是常量，如图当PT=1时，代表100MS。如图当IN=1时定时器开始计时，1s后定时器关断。3 课题软件设计及硬件设计3.1 课题分析及方法3.1.1 42系列四相步进电机控制原理 本次设计系统中，丝杆滑台的位移控制采用42系列四相步进电机来实现。四相步进电机内部具有A、B、C、D四组线圈，通过一定顺序将线圈与供电电源接通和断开 李练兵，基于步进电机的驱动器的设计与应用D.河北工业大学，2008，就能够使步进电机按照正转或反转方向步进一定的步距角。四组线圈的不同通断电组合就形成了不同拍数的控制方式。以八拍运行为例，需要通过PLC输出点依次导通A-AB-B-BC-C-CD-D-DA，此时步进电机将依次步进8步 黄露，基于FPGA的步进电机控制系统设计与实现D.重庆大学，2011。只要PLC不断的在输出点产生上述周期性的通断控制，四相步进电机将持续步进运行。本设计采用的方法是：通过对PLC内部标志字节进行移位来进行节拍的变化，即给8位的MB寄存器一个初值1，然后一次移动一位，然后选取寄存器的值作为控制信号，依次导通A-AB-B-BC-C-CD-D-DA就实现了步进电机的八拍运行方式 赵洁，甲醇裂解气发动机功率阀控制系统设计D.中北大学，2012。3.1.2 步进电机速度快慢控制 通过分析，只要控制寄存器的移动速度，就控制了电机运行速度。所以在PLC软件中采用内部定时器T37，当T37定时时间到，则进行移位操作。将定时器的预置时间设置成变量，这样就可以在上位机组态软件MCGS中就可以进行修改，实现对步进电机不同运行速度的控制。3.1.3 步进电机的正反转设计 先编写好了正转的3种运行方式，八拍，四拍，单四拍。在梯形图程序设计中，将控制ABCD导通的信号分别变成控制DCBA导通，这样PLC输出点对四相步进电机四组线圈的通断控制信号就按相应节拍的逆序输出，十分简便的实现了步进电机的反转控制。3.2 MCGS软件设计3.2.1 MCGS总控系统画面 MCGS组态设计中主要包括以下几个部分的组态及编程：系统控制窗口组态图15 控制系统主控画面 画面中的四个灯，用来读取步进电机的ABCD四相脉冲变化；中间的步进电机、滑块、还有一个导杆是我对实物拍照，然后PS处理，然后用MCGS软件的位图装载功能添加上去的，滑块建立了动画连接，可以用步进电机对其控制；速度控制的一个下拉框，可以给定时器T37写入数据，控制步进电机的速度；画面中八拍、单四拍、双四拍按钮可以给M6.0、M6.1、M6.2写入数据,用来控制电机的八拍、单四拍、双四拍运行；正转、反转按钮可以给开关型变量M7.0、M7.1写入数据，控制步进电机的正反转，正转和反转按钮动作时会调用对应的互锁脚本，使其动作可靠；总开关按钮可以给M7.2写入数据，让电机停止并让所有按钮置0。3.2.2 实时数据库数据对象组态图16 实时数据库组态画面 先设置4个开关型变量A相、B相、C相、D相、用来读取步进电机的定子4相开与断的状态,。设置数值型变量“时间”来调节定时器T37的定时时间。开关型变量“总开关”向M7.2写入数据，用于整个系统的清零；开关型变量“正转”向M7.0写入数据，用于控制步进电机的正转运行；开关型变量“反转”向M7.1写入数据，用来控制步进电机的反转运行；开关型变量“八拍”，向M6.0写入数据，用于控制步进电机的八拍运行方式的启动与停止；开关型变量“单四拍”，向M6.1写入数据，用于控制步进电机的单四拍运行方式的启动与停止；开关型变量“双四拍”，向M6.2写入数据，用于控制步进电机的双四拍运行方式的启动与停止；还有一个数值型的变量“位移”，用来控制显示滑块位子的变量。3.2.3 设备窗口组态 为了实现MCGS与PLC的通讯，需要对设备窗口进行组态设置，图17所示，为PLC设备的添加，图18所示，进行通讯参数的设置 李宁，基于工控组态软件的PLC虚拟实验系统设计与实现J.电子测试，西安航空职业技术学院自动化工程学院，陕西西安，710089，2014年18期，P8P10。图17 设计所需添加设备图18 串口通讯基本参数设置 PLC设置中在内部属性中添加需要的通道来传送数据，此通道用来从PLC内部寄存器里取值给MCGS软件和从MCGS软件中写值给PLC内部寄存器。然后是通道连接，即是把所建通道与我们设置的数据变量关联，即实现软件与PLC通信。正确连接过后便可以通过MCGS软件平台来控制PLC做出相应的动作了。连接如下图所示。图19 MCGS与PLC 数据通道连接组态3.2.4 运行策略 图20 运行策略图21 按钮互锁脚本 图21这几个脚本程序，写在了用户策略中，当按下按钮是调用一次。比如：当按下八拍按钮，单四拍、双四拍按钮置0，起互锁作用。用户策略的调用：图22 用户策略的调用 图22这个是八拍运行策略的调用，正转、反转，单四拍、双四拍的调用方法与此一样。图23 总开关循环策略 图23 系统运行后，总开关循环脚本，就以400ms一次的速度，不断检测总开关的状态，当总开关的值为1时，正转、反转、八拍、单四拍、双四拍按钮全部置0。图24 位移控制策略 位移连接的是系统总控制窗口中的滑块；位移的算法，是根据步进电机运行时每一拍的步进角度对应滑台的水平移动位移换算过来的。图25 系统循环控制策略 如果按下了正转按钮，电机控制的滑块就向左移动，当位移=0的时候，正转按钮置0，反转按钮置1；如图24脚本所示，滑块动画连接的位移就开始加，滑块就开始右移；当位移达到最大值40时，正转按钮置1，反转按钮置0；如此循环就实现了步进电机的自动循环控制。3.3下位机PLC梯形图程序设计3.3.1 产生脉冲信号梯形图 PLC的梯形图程序按程序主要功能段进行逐一说明。图26 移位时间设置 定时器T37的定时端口输入一个变量VW0，通过改变VW0变量的值，来控制移位指令的移动速度，得到频率不同的脉冲，来控制步进电机的速度 华满香 凌志学，8051单片机对步进电动机的控制J.机床电器,湖南铁道职业技术学院,412001,2007年4期,P45P46,4915C.Brecher,W.Lohse,W.Herfs.Mechatronic development of PLC software with virtual machine tools,2009. 2009 IEEE Internatioal Conference on Control and Automation . 2009 16Jee G., Rao R., Cern Y. Demonstration of the technical viability of PLC systems on Medium and Low Voltage lines in the United States. IEEE Communications Magazine, 2003. 致谢 时光荏苒，不知不觉中，在四川师范师大学工学院的四年学习的时间就匆匆而过，转眼就要离开这个生活了四年的地方，不由得怀恋起这里的美好时光。感谢四川师范大学校提供了良好的学习环境，这四年大学生涯中感触良多，学习收获也颇多，这次毕业设计或许能为我大学学习生活画上一个完美的句号。 在做毕业设计的过程中遇到了无数的困难和障碍，都在同学和老师的帮助下度过了。尤其要感谢我的毕业设计指导老师周震，在他的帮助下，我有了设计的思路，找到了设计一个比较简单的方法即用移位指令来产生脉冲控制步进电机的运行。这个方法为我的设计指明了设计方向，是整个设计的关键。;上电后Q0.4一直为高电平，Q0.4接电机的电源出现，使其为高电平。图27 寄存器清零M7.2为总开关按钮，当其为0时，MB0，MB1，MB2的数据清零。 图28 给控制八拍运行的寄存器赋值 M6.0为八拍运行方式按钮，按下后给八拍方式移位寄存器1，其他方式移位寄存器0，以此实现此种方式运行。单四拍，与双四拍与此类似。如图29、30。图29 给控制单四拍运行的寄存器赋值图30 给控制双四拍的寄存器赋值图31 移位产生步进电机控制脉冲T37时间到就移位，寄存器中的数据开始移位，用来产生步进电机ABCD相的脉冲信号。3.3.2 电机正转梯形图图32 电机正转梯形图 M7.1为电机反转控制按钮，M7.0为电机正转控制按钮。本段程序为正转时PLC输出点控制程序，M3.0M3.3替代最终输出点。每一个输出点由各节拍中相应的中间标志位控制导通，如M0.1M0.7表示八拍运行方式。3.3.3 电机反转梯形图图33 电机反转梯形图 M7.1为电机反转控制按钮，M7.0为电机正转控制按钮。本段程序为反转时PLC输出点控制程序，M4.0-M4.3替代最终输出点。每一个输出点由各节拍中相应的中间标志位控制导通，如M0.1M0.7表示八拍运行方式。3.3.4 最终输出控制梯形图图34 最终输出控制梯形图 M7.2为总开关，防止总开关关着由于计数器还在走而让动画继续运行的问题。M6.0-M6.2为三种节拍运行方式开关。3.0-M3.3为电机正转控制时，ABCD相的中间替代信号。M4.0-M4.3 为电机反转控制时，ABCD相的中间替代信号。Q0.0-Q0.3分别接电机的ABCD相,M5.0-M5.3的波形与Q0.0-Q0.3的波形一样，用来代替Q0.0-Q0.3给上位机传输信息。表1 I/O分配表电源Q0.4ABCD相中间信号开关正转M3.0总开关M7.2M3.1正转M7.0M3.2反转M7.1M3.3八拍M6.0反转M4.0单四拍M6.1M4.1双四拍M6.2M4.2最终输出M4.3A相Q0.0最终输出M5.0B相Q0.1M5.1C相Q0.2M5.2D相Q0.3M5.3寄存器MB0 八拍信号MB1 单四拍信号MB2 双四拍信号VW0 T37输入端变量3.4 硬件设计本次设计过程，通过资料调查和整理，提出了以下的硬件设计方案：1、采用42系列步进电机，电机引出线为六根，其中两根为内部线圈中心抽头。2、步进电机驱动的滑台选用丝杆滑台导轨，丝杆导程为2mm，导轨长度为40cm。3、步进电机采用5V开关电源供电，四相线圈的通电指示由实验板上的8的4个信号指示灯实现。4、为了方便实验观察和展示，设计系统采用面板立面结构进行安装和接线。设计面板的支架通过自行设计尺寸，送外加工。制作完成的四相步进电机丝杆滑台展板实物如下图35、图36所示。图35 步进电机导轨滑台实验板正面图36 步进电机导轨滑台实验板背面 本设计系统的接线主体是实验面板出线端子和S7-200PLCCPU模块的接线。根据控制要求，S7-200PLC的5个输出点Q0.0、Q0.1、Q0.2、Q0.3、Q0.4分别与步进电机的A、B、C、D四相线圈引出线及开关电源+5V端相连。为了实现上位机组态软件MCGS对PLC的监控，S7-200PLC通过P